Okna a provoz plynových spotřebičů

1. Plynové spotřebiče typu A

Při činnosti plynových spotřebičů typu A pronikají do místnosti veškeré spaliny plynu, které obsahují škodliviny (oxid uhelnatý CO, oxid uhličitý CO₂, vodní páru H₂O). Spalovací vzduch je odebírán spotřebičem přímo z místnosti. Při spalování plynu klesá koncentrace kyslíku O₂, což lze také považovat za jistou škodlivinu. V případě větrání místnosti se přivádí do místností současně spalovací a větrací vzduch.

Spotřebiče typu A budou pro potřebu tohoto příspěvku rozděleny na spotřebiče produkující pouze škodliviny ze spalin, např. ohřívače vody a na spotřebiče, které navíc produkují škodliviny z technologického procesu.

1.1 Plynové sporáky

Při vaření a pečení na plynových sporácích (obr. 1) proniká do místnosti značné množství vodní páry (dále vlhkosti) nejen ze spalin, ale také z připravovaných pokrmů. Z výsledků výpočtů vyplývá, že množství této vlhkosti je dominantní pro stanovení minimálního objemu místnosti nebo minimálního objemového průtoku větracího vzduchu místností.

Objemový průtok větracího vzduchu místností lze v praxi provádět pomocí digestoří nad sporáky (obr. 2), které odsávají škodlivinu, přičemž v místnosti vytvářejí podtlak. V některých evropských zemích je činnost sporáku vázána na chod digestoře. Pokud má digestoř poruchu, jsou hořáky sporáku blokovány.

Obr. 1 - Produkce škodliviny bez větrání v místnosti Vs objemový průtok spalin

Obr. 2 - Produkce škodliviny s větráním v místnosti

Před prováděním výpočtů musí být stanoven průběh tepelného výkonu spotřebiče, čímž se rozumí závislost jeho tepelného výkonu na čase. Plynový spotřebič nemusí pracovat při stálém tepelném výkonu. Výkon je často regulován automaticky nebo ručně. U plynového sporáku, u kterého bude současně v provozu střední varný hořák a hořák troubový, vyplývá ze základních předpokladů, z průběhu tepelných výkonů a z výsledků provedených výpočtů, teplo vydané plynovým sporákem E_p = 1,9 kWh během jeho činnosti po dobu 1,27 h, což je charakteristickou veličinou sporáku potřebnou pro výpočty.

Aby objemové koncentrace škodlivin v místnosti nepřekročily maximální přípustné hodnoty, musí být zajištěn buď minimální objem místnosti nebo minimální objemový průtok větracího vzduchu místností. Pokud nelze zajistit ani jednu z minimálních hodnot, je možná kombinace obou opatření. Minimální objem místnosti se určuje z přírůstku škodliviny, minimální objemový průtok větracího vzduchu se určuje z maximálního průtoku škodliviny.

Při provádění výpočtů byly použity následující výchozí údaje. Měrná vlhkost na počátku procesu x₁ = 9 . 10^-3 (teplota vzduchu 20 °C, relativní vlhkost 60 %), dovolená měrná vlhkost na konci procesu x_2d = 16 . 10^-3 (teplota vzduchu 24 °C, relativní vlhkost 82 %), maximální příkon plynu Q_pmax = 4,6 kW, spalné teplo plynu b_h = 11 kWh.m^-3.

Předpokládaný průběh tepelného výkonu varného hořáku a produkce vlhkosti při vaření

Ve fázi náběhu, tj. v čase 0 až 0,5 h, pracuje hořák na jmenovitý tepelný výkon Q_pn = 1,8 kW a do místnosti se nepředává vlhkost. Ve fázi odparu, tj. v čase 0,5 až 0,9 h, pracuje hořák na snížený tepelný výkon Q_p = 0,25 . 1,8 = 0,45 kW, do místnosti se předává hmotnostní průtok vlhkosti m_v = 0,43 kg/h, přičemž hmotnostní množství vlhkosti je potom M_v = 0,17 kg.

Předpokládaný průběh tepelného výkonu pečicího hořáku a produkce vlhkosti při pečení

Ve fázi náběhu, tj. v čase 0 až 0,07 h, pracuje hořák na jmenovitý tepelný výkon Q_pn = 2,8 kW a do místnosti se nepředává vlhkost. Ve fázi odparu, tj. v čase 0,07 až 1,27 h, pracuje hořák na snížený tepelný výkon Q_p = 0,25 . 2,8 = 0,52 kW, do místnosti se předává hmotnostní průtok vlhkosti m_v = 0,67 kg/h, přičemž hmotnostní množství vlhkosti je M_v = 0,8 kg.

Minimální objemy místnosti a objemové průtoky větracího vzduchu místností pro plynové sporáky byly stanoveny tak, že vypočítané hodnoty z vlhkostního procesu byly sníženy na polovinu, z důvodů absorbování nárůstu vlhkosti ve stavebních konstrukcích, takže:

• minimální objem místnosti O_md = 75 m³,
• minimální objemový průtok spalovacího a větracího vzduchu místností V_ad = 105 m³.h^-1.

Stanovení potřebného objemového průtoku spalovacího a větracího vzduchu místností při daném objemu místnosti

Potřebný objemový průtok spalovacího a větracího vzduchu místností (m³.h^-1) se stanoví ze vztahu

kde

V_ad - minimální objemový průtok spalovacího a větracího vzduchu (m³.h^-1)
O_m - objem místnosti (m³)
O_md - minimální objem místnosti (m³).

Tlaková ztráta při proudění spalovacího a větracího vzduchu oknem (Pa) je dána vztahem

kde

V_an - potřebný průtok spalovacího vzduchu (m³.s^-1)
i - součinitel provzdušnosti okenní spáry (m³.s^-1.m^-1.Pa^-067)
L - délka okenní spáry (m).

Tato tlaková ztráta musí být menší než vyhrazená část tahu komínu pro přívod spalovacího a větracího vzduchu, v tomto případě oknem.

Příklad

Zadání

Má být stanoven požadovaný objemový průtok spalovacího a větracího vzduchu potřebný pro umístění plynového sporáku do místnosti, která má objem O_m = 20 m³. Hodnoty pro minimální objem místnosti O_md = 75 m³ a minimální objemový průtok spalovacího a větracího vzduchu místností V_ad = 105 m³.h^-1 jsou uvedeny výše.

Dále má být zkontrolováno, zda pro místnost postačí pro přívod spalovacího a větracího vzduchu okno s délkou spáry L = 6 m. Součinitel provzdušnosti okenní spáry zdvojeného okna i = 1,4.10^-4 m³.s^-1.m^-1.Pa^-067. Odvod větracího vzduchu bude zajišťovat digestoř, která v místnosti vytvoří podtlak. Ten umožní, aby tlaková ztráta okna byla ve výši Δp_zo = 100 Pa.

Řešení

Potřebný objemový průtok spalovacího a větracího vzduchu pro danou místnost s plynovým sporákem bude podle vztahu (1)

Tlaková ztráta při proudění spalovacího a větracího vzduchu oknem bude podle vztahu (2)

Komentář

To je větší hodnota tlakové ztráty při proudění spalovacího a větracího vzduchu oknem než předpokládaná hodnota Δp_zo = 100 Pa. Znamená to, že okno dané velikosti nepostačuje zajistit potřebný průtok spalovacího a větracího vzduchu do místnosti.

1.2 Ohřívače vody

Při provozu plynových ohřívačů vody proniká do místnosti značné množství vodní páry (dále vlhkosti) pouze ze spalin. Z výsledků výpočtů rovněž vyplývá, že množství této vlhkosti je dominantní pro stanovení minimálního objemu místnosti nebo minimálního objemového průtoku větracího vzduchu místností.

Předpokládá se, že tepelný výkon je 9,2 kW (dvojnásobný oproti sporáku), doba běhu ohřívače 0,2 h. Teplo z ohřívače je 9,2 . 0,2 = 1,84 kWh, což je téměř shodná hodnota s teplem u sporáku.

Minimální objemy místnosti a objemové průtoky větracího vzduchu místností pro plynové ohřívače byly stanoveny tak, že vypočítané hodnoty z vlhkostního procesu byly sníženy na polovinu, z důvodů absorbování nárůstu vlhkosti ve stavebních konstrukcích, takže:

• minimální objem místnosti O_md = 17 m³,
• minimální objemový průtok větracího vzduchu místností V_ad = 85 m³.h^-1

2. Plynové spotřebiče typu B

U tohoto typu spotřebičů, což jsou většinou teplovodní kotle a ohřívače vody s atmosférickými hořáky, je odebírán spalovací vzduch pro kotel z prostoru místnosti (obr. 3). Spaliny jsou odváděny z místnosti komínem. Do místnosti se spalovací vzduch dostává tahem spalinové cesty, tj. spalinovodem a komínem, která vytváří v místnosti podtlak. Při dimenzování spalinové cesty se nesmí zapomenout, že část jejího tahu musí být rezervována právě pro přívod spalovacího vzduchu, v tomto případě oknem. I proto se celá cesta nazývá vzduchospalinová cesta.

Obr. 3 - Toky spalovacího a větracího vzduchu u spotřebičů B

Při klidu spotřebiče musí být zajištěno větrání místnosti nejlépe přirozeným tahem, kdy je průtok větracího vzduchu způsobován rozdílem hustot venkovního a vnitřního vzduchu o rozdílných teplotách a výškou mezi ústím komínu a oknem. Při chodu spotřebiče je do místnosti nasáván spalovací vzduch, který samozřejmě zajišťuje v tu dobu i větrání místnosti.

2.1 Výpočtové vztahy a požadavky na spalovací vzduch

Potřebný průtok spalovacího vzduchu (m³.h^-1) pro plynový spotřebič je dán vztahem

kde

V_p - objemový průtok plynu (m³.h^-1)
n_a - poměrné teoretické objemové množství vzduchu vztažené k objemovému množství plynu = 10 (-)
λ - součinitel přebytku vzduchu (-)
Q₁ - tepelný příkon spotřebiče (kW)
b_h - spalné teplo plynu = 11 (kWh.m^-3).

Pro spálení 1 m³ plynu je totiž zapotřebí objemové množství kyslíku O₂ (m³) ve výši O_O2 = 2 m³, což představuje přibližně 10 m³ vzduchu, protože podíl objemu kyslíku ve vzduchu je přibližně pětinový. Součinitel přebytku vzduchu λ = 1 platí pro tzv. teoretické spalování, tj. bez přebytku vzduchu. U spotřebičů typu B s atmosférickými hořáky je λ = 1,6 až 2,2.

Hodnotu součinitele přebytku vzduchu λ (-) lze stanovit ze vztahu

kde

f_co2max - maximální objemová koncentrace oxidu uhličitého CO₂ ve spalinách zemního plynu = 11,7 (%)
f_co2 - objemová koncentrace CO₂ ve spalinách, uváděná v podkladech ke spotřebičům (%).

Tato tlaková ztráta musí být menší než vyhrazená část tahu komínu pro přívod spalovacího vzduchu, v tomto případě oknem.

2.2 Výpočtové vztahy a požadavky na větrací vzduch

Potřebný průtok větracího vzduchu (m³.h^-1) pro prostor s plynovým spotřebičem je dán vztahem

kde

O_m - objem místnosti (m³)
n_m - intenzita výměny vzduchu v místnosti = 0,5 (h^-1).

Pro větrání místnosti s plynovým spotřebičem, který je v určité době v klidu, lze využít přirozený tah komínu, resp. spalinové cesty.

Přirozený tah (Pa) je dán vztahem

kde

h_p - převýšení ústí komínu nad středem okna (m)
g - zemské zrychlení = 9,81 (m.s^-2)
ρ_e - hustota vnějšího vzduchu při 10 °C = 1,21, při 25 °C = 1,15 (kg.m^-3)
ρ_k - hustota vzduchu v komínu (kg.m^-3)
t_k - teplota vzduchu v komínu (°C)
t_e - teplota venkovního vzduchu (°C).

Jedná-li se o spotřebič s celoročním provozem, jakým je např. ohřívač vody nebo kotel s vestavěným ohřívačem, volí se teplota vzduchu v komíně t_k = 30 a venkovní teplota t_e = 25 °C. Jedná-li se o spotřebič s provozem zimním, jakým je např. kotel, volí se teplota vzduchu v komíně t_k = 30 a venkovní teplota t_e = 10 °C. Výpočty musí uvažovat nejhorší případy, kdy jsou obě teploty poměrně blízké.

Přirozeným tahem musí být kryty tlakové ztráty při proudění větracího vzduchu místností, což je dáno vztahem

kde

Δp_zo - tlaková ztráta při proudění větracího vzduchu oknem (Pa)
Δp_zk - tlaková ztráta při proudění větracího vzduchu komínem (Pa).

Tlaková ztráta při proudění větracího vzduchu komínem (Pa) je dána vztahem

kde

ζ_c - součet součinitelů místních odporů, nejčastěji = 3 (-)
h_a - účinná výška spalinové cesty (m)
λ - součinitel tření v komíně; pokud je komín vložkován hladkou trubkou = 0,04 (-)
d - vnitřní průměr vložky komína (m)
v_a - rychlost vzduchu v komíně = 4 . V_av / (π . d²) (m.s^-1).

Tlaková ztráta při proudění větracího vzduchu oknem (Pa) je dána vztahem

kde

V_av - potřebný průtok větracího vzduchu (m³.s^-1)
i - součinitel provzdušnosti okenní spáry (m³.s^-1.m^-1.Pa^-067)
L - délka okenní spáry (m).

2.3 Příklad na zajištění spalovacího a větracího vzduchu přirozeným tahem

Zadání

Má být zkontrolováno, zda pro místnost o objemu O_m = 20 m³ s plynovým nástěnným kotlem typu B o příkonu Q₁ = 20 kW postačí pro přívod spalovacího a také větracího vzduchu okno s délkou spáry L = 6 m. Součinitel přebytku vzduchu λ = 1,6, součinitel provzdušnosti okenní spáry zdvojeného okna i = 1,4.10^-4 m³.s^-1.m^-1.Pa^-067. Odvod větracího vzduchu bude zajišťovat komín o průměru d = 0,2 m. Účinná výška spalinové cesty h_a = 8 m, převýšení ústí komínu nad středem okna h_p = 7 m. Kotel bude v provozu pouze v zimě, takže teplota vzduchu v komíně t_k = 30 a venkovní teplota t_e = 10 °C, hustota vnějšího vzduchu při 10 °C ρ_e = = 1,21 kg.m^-3. Vyhrazená část tahu komínu pro přívod spalovacího vzduchu Δp_zo = 50 Pa.

Řešení

Potřebný průtok spalovacího vzduchu pro plynový spotřebič je podle vztahu (3)

Tlaková ztráta při proudění spalovacího vzduchu oknem je podle vztahu (2)

Protože tlaková ztráta při proudění spalovacího vzduchu oknem Δp_zo = 332,7 Pa je větší než vyhrazená část tahu komínu Δp_a = 50 Pa, dané okno zdaleka nepostačuje pro přívod spalovacího vzduchu.

Přirozený tah komínu podle vztahu (6)

Potřebný průtok větracího vzduchu pro místnost s plynovým spotřebičem je podle vztahu (5)

Rychlost vzduchu v komíně je

Tlaková ztráta při proudění větracího vzduchu komínem bude podle (8)

což je zanedbatelná hodnota.

Tlaková ztráta při proudění větracího vzduchu oknem je podle vztahu (9)

Protože tlaková ztráta při proudění větracího vzduchu oknem Δp_zo = 49,3 Pa je větší než přirozený tah komínu Δp_a = 5,7 Pa, dané okno zdaleka nepostačuje pro přívod větracího vzduchu.

Komentář

Jak je patrné z výsledků výpočtů tlakové ztráty při proudění větracího i spalovacího vzduchu oknem, jsou vždy podstatně větší než přirozený tah komínu. Proto dané okno nepostačuje pro přívod spalovacího ani větracího vzduchu. Znamená to, použít předepsané řešení pomocí větracích otvorů, vzduchovodů nebo šachet.

3. Poznámky k provozu plynových spotřebičů v souvislosti s druhy oken

V předchozích odstavcích byly zmíněny problémy větrání místností a přívodu spalovacího vzduchu v místnostech s osazenými plynovými spotřebiči. Jsou zde uvedeny příklady, kdy pro jednotlivé situace jsou spočítána množství nutného vzduchu pro větrání místností a vlastní provoz plynového spotřebiče tak, aby byly z prostor odvedeny všechny zplodiny, které by narušovaly požadované parametry vnitřního mikroklimatu. V této části budou diskutovány otázky kolem přívodu vzduchu pomocí existujících oken.

3.1 Provoz plynových spotřebičů v prostorách s okny staršího data výroby

S touto situací se setkáváme u domů a prostor staršího data výstavby a můžeme zde konstatovat, že jsou to okna s větší a nebo dokonce vysokou provzdušností okenních spár, která zajistí dostatečné množství přiváděného vzduchu pro větrání prostor a pro spalování plynu v plynových spotřebičích. Uvedený typ oken je v některých případech ještě upravován provozovatelem, kdy je provedena absence těsnění v určité délce stanovené předpisem TPG. Tím je zajištěn přívod vzduchu. Také jsou použita okna s určitou úpravou, např. s větrací štěrbinou nebo s větrací klapkou. V těchto případech je ale jasné, že uživatel bude zasahovat do provozu přívodních úprav, kdy může jeho zásah být ale ke škodě věci. Plynové spotřebiče musí být situovány v prostorách s určitou pravidly požadovanou kubaturou. V případě nutném budou tyto prostory jistými úpravami v ohraničujících stěnách propojeny s prostory vedlejšími, které jsou dotovány dostatečným množstvím vzduchu výše zmíněnou infiltrací okny. O jaký se v uvedeném případě bude jednat typ oken?

Budou to především okna dřevěná, u starých objektů dvojitá, špaletová. U novějších objektů, zejména panelových, okna dřevěná zdvojená. U těchto uvedených oken se na jejich vysoké provzdušnosti může také značným dílem podílet různě a méně kvalitně provedené ovládací prvky a kliky. V řadě případů je vysoká infiltrace snižována jistými individuálními úpravami, jako je např. dodatečně osazovaný kovotěs a jiné druhy těsnění.

Konstrukce uvedených oken je velmi rozdílná a je nutné uvést, že jejich tepelnětechnické vlastnosti, jako je např. součinitel prostupu tepla zasklené plochy a vlastních rámů okna, je z pohledu současné doby zcela nevyhovující. Zejména proto, že se snažíme snižovat energetické nároky budov. Potom dochází v masovém měřítku k výměně oken za okna jednak modernější konstrukce, jednak velmi těsná. U budov staršího data výstavby by mohlo docházet k jistým poruchám. Ale jenom ve výjimečných případech, kdy jsou prvky větracího systému a plynový spotřebič velmi blízko, resp. těsně vedle sebe. V těchto případech může provoz větrací soustavy velmi negativně ovlivnit odtah spalin např. v kuchyni od plynového průtokového ohřívače vody. Tyto případy jsou ale velmi řídké a při kontrole plynových spotřebičů by došlo jistě k dispoziční nápravě, a to tak, aby k uvedeným situacím nemohlo docházet.

3.2 Plynové spotřebiče a okna současné doby

Již z předchozího vyplývá, že dříve popsaná okna ve velké převaze případů nejsou pro další osazování a provoz vhodná. Proto dochází k výměně původních oken za okna, která se v současné době vyrábějí. Tato okna budou splňovat především požadavky na minimální prostup tepla rámem či zasklenou plochou. Pokud se týká materiálů, ze kterých jsou okna vyrobena, jedná se o dřevo, plast a hliník. Provedení je buď kompaktní (jednovrstvé) nebo potažené (dřevo plastem, hliník plastem). Uvedená okna jsou řešena z hlediska těsnění s dvěma či třemi těsněními. Dalšími vlastnostmi oken je celá škála řešení, která zabraňují pronikání hnanému dešti. Vlastní rám okna a křídla okna jsou v komplexu provedeny jako čtyř až šesti komůrkové.

Poslední zmínka je především zajímavá z hlediska požadavků pro snížení prostupu tepla konstrukcí okna. Pokud se týká zasklení, jsou známa provedení s dvojitým či trojitým zasklením. I tato skutečnost snižuje tepelné ztráty oken.

V našem případě nás bude zajímat vlastní těsnost okna. Současné situace při výměně oken ukazují, že se při výměně oken klasických za okna těsná nedoceňuje skutečnost, že v prostoru, kde jsou okna měněna může být osazen a provozován plynový spotřebič, a to buď typu A nebo typu B, případně i oba typy společně.

V předcházející části je tato problematika rozebírána na konkrétních případech, kde se vždy dobereme nutného množství vzduchu potřebného pro větrání a pro bezpečný provoz plynového spotřebiče. Pohled na přívod vzduchu po výměně oken za okna těsná se zásadně mění, především proto, že těsná okna (nová okna) nejsou schopna zajistit svou provzdušností patřičný přívod vzduchu do předmětného prostoru.

Veškeré úpravy, kterými jsou vybavena těsná okna (mikroventilace nebo ovládání okna s různou výslednou těsností), jsou ale závislé především na uživateli, neboli na lidském subjektu, kde může být jeho přístup i takový, že nemůže docházet k řádnému a hlavně bezpečnému provozu plynových spotřebičů. Tím spíše, že jisté prostory bytové jednotky budou současně větrány větracím systémem. Zpracovatelé různých předpisů z oblasti plynu doporučují, aby při objednávání nových těsných oken pro výměnu bylo v objednávce uvedeno, že okna budou osazena v prostorech, kde budou rovněž plynové spotřebiče. Jak a čím budou pak výrobci oken reagovat ve svých výrobcích?

Je možno použít okna v provedení, kdy:

• je těsnění u nových oken v určité délce provedeno jako slabší (snížené),
• je stávající těsněné v určité délce opatřeno perforací,
• jsou do konstrukce okna osazeny přívodní mřížky či štěrbiny (což není běžné),
• jsou některé typy oken v oblasti jejich rámů vybaveny štěrbinami pro vstupující a vystupující vzduch, což je řešení vhodné pro rekuperaci tepla (řešení není běžné, i když vyhovující).

Závěrečné poznámky

Současná těsná okna nejsou schopna svoji minimální spárovou provzdušností přivést dostatečné množství vzduchu pro větrání prostoru a zejména pro spalování plynu a tím pro bezpečný provoz plynových spotřebičů. Proto je nutné provést u oken výše uvedené úpravy.

V poslední době se velmi často setkáváme u bytů především panelové výstavby s případy dodatečně zasklených lodžiích. Zde je nutno zvážit, nakolik je zasklení lodžie těsné. Ve většině případů není osazováno těsnění do svislých mezer mezi jednotlivými skleněnými díly lodžie. V těchto případech nemusíme provádět nějaké speciální úpravy a můžeme se na prostor lodžie dívat jako na exteriér.