JUNKERS Tipy pro topenáře (XII) - Teoretické základy kondenzační techniky
V kondenzační technice je pomocí speciálního výměníku a příslušných teplotních podmínek umožněno maximálně využít teploty spalin tak, že vodní pára v nich obsažená předá teplo a změní skupenství - využije se Latentní teplo. Změnou skupenství páry ve spalinách se uvolní část energie - teoreticky max. až 11 % tepelné energie navíc, která může být využita k ohřevu otopné vody a podstatně zvyšit účinnost přístroje.
Kondenzační technika zaujímá v moderní tepelné technice vysokou důležitost.
Její jednoznačné přednosti jsou:
- efektivní využití energie s vysokou účinností
- efektivní využití energie s vysokou účinností
- návratnost vložené investice
- spolehlivé technické zařízení
- nízké hodnoty škodlivých emisí
- možnost variabilního vedení spalin
Připomeňme si některé základní teoretické principy a zákonitosti, z nichž kondenzační technika vychází. Důvodem je vybavit Vás jednoznačnými argumenty a nástroji, které Vám pomohou jasně stanovit technické náležitosti pro správnou volbu kondenzační techniky Junkers.
Teoretická rovnice spalování
Při spalování zemního plynu vzniká dle fyzikální rovnice spalování kysličník uhličitý CO2 a voda H2O (obr. 1). Takto vzniklá voda se vyskytuje ve spalinách v podobě páry, která odchází kouřovodem. Tepelné spaliny s sebou nesou část schované tepelné energie tzv. Latentní (necitelné) teplo.
| CH4 + 2O2 | → | CO2 + 2H2O |
| plyn (metan) vzduch | spaliny voda (v páře) |
U konvenčních zařízení uteče tato část schované energie (Latentní teplo) nevyužité kouřovodem do atmosféry. V kondenzační technice je pomocí speciálního výměníku a příslušných teplotních podmínek umožněno maximálně využít teploty spalin tak, že vodní pára v nich obsažená předá teplo a změní skupenství - využije se Latentní teplo. Změnou skupenství páry ve spalinách se uvolní část energie - teoreticky max. až 11 % tepelné energie navíc, která může být využita k ohřevu otopné vody a podstatně zvyšit účinnost přístroje.
Změnou stavu skupenství z páry na vodu může být kondenzační teplo páry ve spalinách předáno topnému systému. Při navyšování teploty se nazývá bod X bodem varu. V případě kondenzační techniky, kdy je systém ochlazován, se nazývá tento bod bodem kondenzace.
Princip kondenzační techniky v názorném zobrazení
Vodě o teplotě 100 °C je přiváděna energie ve formě tepla. Vzniká horká vodní pára. Je-li tato vodní pára vedena přes chladnější přenašeč tepla - přes tepelný výměník, předá pára teplo. Při tom z vodní páry opět vzniká voda a navíc je odevzdáno přesně stejné množství energie, které bylo v počátečním stavu vodě přivedeno.
Dle věty o zachování energie nedochází k žádné ztrátě energie a proto teoreticky platí, že energie přivedená vodě při tvorbě páry, je při kondenzaci zase uvolněna. Tohoto základního principu využívá kondenzační technika. Tepelný výměník kondenzačního kotle by proto měl mít "zpátečku" z otopného systému chladnější než jsou spaliny. Pak může využívat teplo spalin, vodní pára ve spalinách zkondenzuje a kondenzační kotel může pracovat v ideálním nízkoteplotním režimu.
Z obrázku 5 je patrné, že čím nižší teplota vratné vody otopného systému ("zpátečky") tím vyšší jsou úspory a normovaný stupeň využití.
Porovnání výhřevnosti a spalného tepla
Jako základní bod uvedení účinnosti slouží výhřevnost. Výhřevnost je stanovená jako 100 %. Ve spalinách vzniklých při spalování zemního plynu činí uvolňující se energie zkondenzováním vodních par maximálně 11 % (vztaženo k výhřevnosti Hi). U zemního plynu je proto pro spalné teplo (Hs) udávána jako teoretická maximální hodnota 111 %.
Až 109 % účinnost!
Kondenzační zařízení vykazují účinnost přes 100 %. Samozřejmě nejde o žádné "Perpetum mobile", ale je nutno vyjasnit zavedené pojmy. Pro tepelnou hodnotu jsou zavedeny dva údaje - výhřevnost (Hi) a spalné teplo (Hs).
Výhřevnost Hi v kWh/m3 (dříve dolní provozní výhřevnost) je množství tepla, které energii obsaženou ve vodní páře spalin nezohledňuje, neboť u klasických konvenčních zařízení odchází toto množství tepla komínem do ovzduší. Přesně jde o teplo uvolněné při úplném spalování 1 m3 plynu, když při spalování vzniklá vodní pára odchází nevyužitá přes komín. Spalné teplo Hs v kWh/m3 (dříve horní provozní výhřevnost) představuje veškeré množství tepla vzniklé spálením, tzn. i ve vodní páře vázané tzv. latentní (necitelné) teplo. Přesně jde o teplo uvolněné při úplném spalování 1 m3 plynu, přičemž vodní pára vzniklá při spalování zkondenzuje a je k dispozici v tekutém stavu.
Právě z výhřevnosti (z citelného tepla) se počítá vždy účinnost spalovacích zařízení, a proto se z ní vychází kondenzační techniky. Fyzikálně správně bychom účinnost mohli stanovovat ze spalného tepla jako jakousi účinnost absolutní, ale vychází z výhřevnosti a proto se ze spalného tepla stanovuje tzv. normovaný stupeň využití a ten bývá u kondenzační techniky nad 100 % a často je zaměňován za hodnotu nazvanou účinnost.
Porovnání výhřevnosti a spalného tepla používaných topných médií
| Zemí plyn L | Zemí plyn H | Propan | Topný olej | ||
| Spalné teplo Hs | kWh/m3 | 10,20 | 11,06 | 28,12 | 10,68 |
| Výhřevnost Hi | kWh/m3 | 9,21 | 9,97 | 25,89 | 10,08 |
| Poměr Hs/Hi | 110,7 + 10,7% | 110,9 + 10,9% | 108,6 + 10,9% | 105,9 + 5,9% | |
| Teplota kondenzace | °C | 57 | 57 | 53 | 47 |
| Množství kondenzátu | Kg/m3 Kg/k Wh | 1,53 0,173 |
1,63 0,157 |
3,37 0,130 |
0,88 0,087 |
Hodnota pH kondenzátu z kondenzačních kotlů
Rozbor kondenzátu [mg/l] kotlů Cerapur a Cerasmart
| Čpavek | 1,2 | Nikl | 0,15 |
| Olovo | ≥0,01 | Rtuť | 0,0001 |
| Kadmium | ≥0,001 | Sulfát | 1 |
| Chrom | ≥0,005 | Zinek | 0,015 |
| Halogenové uhlovodíky | ≥0,002 | Cín | 0,01 |
| Chlorované uhlovodíky | 0,015 | Vanad | 0,001 |
| Měď | 0,028 | Hodnota pH | 4,8 |
Porovnání teplot systémů
Kondenzační zařízení využívá latentní teplo. Vlivem klesající spotřeby tepla budov a při zvětšujících se otopných plochách i klesajících teplotách systému, má využití kondenzační techniky řadu výhod.
Porovnání teplot systémů:
- deální jsou projekční řešení 40/30 °C (obr. 8) nebo 55/45 °C. V těchto případech leží náběhová teplota a především vratná teplota stále pod teplotou rosného bodu. Trvale je zaručena plná efektivnost kondenzační techniky. Toto však samozřejmě vyžaduje větší otopné plochy (podlahové vytápění, velké plochy topných těles).
Legenda k obr. 8, 9 a 10:
VL - náběhová voda systému
RL - zpětná vody systému
- Při řešení 75/60 °C (obr. 9) je efektivnost kondenzační techniky částečně omezena. Při nízkých venkovních teplotách (teoret. -11,5 °C) překračuje vratná teplota topného systému rosný bod. Nenastává již kondenzace. Procentuální podíl těchto studených dní je ovšem malý (viz. obr. 11) a proto je využití kondenzační techniky nepatrně omezeno, přesto je vhodné i při těchto teplotních spádech kondenzační techniku využívat.
- U řešení 90/70 °C (obr. 10) se toto omezení projevuje mnohem výrazněji. Již při teoretické venkovní teplotě -2,5 °C nedochází ke kondenzaci. Tento případ však můžeme opomenout, neboť se stále více používají nízkoteplotní topná zařízení a tyto systémové teploty (90/70 °C) se vyskytují v praxi již jen zřídka.
- Z důvodů šetření energetických zdrojů a snížení zátěže pro životní prostředí byla vydána ministerstvem průmyslu a obchodu vyhláška č. 151, § 5, odstavec 3, sbírky z roku 2001. Ve vyhlášce se definuje maximální náběhová teplota pro topné okruhy 75 °C. Pak se shodujeme s graficky znázorněným řešením na obr. 8. Tím se mění i teoretická venkovní teplota, při níž nenastává kondenzace a oproti teplotám 90/70 °C roste procentuální podíl dní, kdy je možné kondenzační techniku plně využívat a zásadně roste její význam.
Počet topných dní v závislosti na venkovní teplotě (závislé na regionu)
Příprava teplé vody (TV)
Příprava teplé vody (TV)
Bude kondenzační kotel ohřívající teplou vodu pracovat též v kondenzačním režimu ANO, je to možné z větší části technikou Junkers zajistit. Systém ohřevu pomocí nepřímo ohřívaného zásobníku TV zaručuje dostatečný přenos tepla a tím dostatečné zchlazení zpětného okruhu do kotle. Proto je možné tento způsob ohřevu doporučit a dosáhne se vysokého normovaného stupně využití kondenzační techniky. U kombinovaného kondenzačního přístroje Junkers díky velkým teplosměnným plochám tepelného deskového výměníku TV se opět "zpátečka" z deskového výměníku TV do výměníku kotle vrací dostatečně ochlazená a je možno též počítat s ideálním kondenzačním provozem. Z tohoto pohledu je provozně-ekonomicky obzvlášť přínosná jednotka Cerasmartmodul, u níž díky principu ohřevu teplé vody ve velkoplošném deskovém výměníku a ukládání TV do tzv. vrstveného zásobníku, se teplá voda ohřívá téměř výhradně v kondenzačním režimu.
Zajímavý je pohled na závislost normovaného stupně využití na vytížení kotle (obr. 12), tzv. Charakteristika kondenzačního kotle, potřebná pro určování doby návratnosti investice do daného zařízení.
Z grafu je patrné, že roste normovaný stupeň využití s klesajícím vytížením kotle, tzn. kotel, který poběží na výkon cca 50-60 % svého výkonu dosahuje i u systému s teplotním spádem 75/60 °C koeficientu využití přes 100 %. Teplota spalin méně vytíženého kotle klesne a začne se projevovat vliv kondenzace a nárůst účinnosti. Z této závislosti vyplývá, že kondenzační kotle se musí navrhovovat s větší rezervou výkonu, než tomu bylo zvykem u klasických konvenčních plynových kotlů.
Graf závislosti Entalpie na teplotě spalin a na součiniteli přebytku vzduchu λ znázorňuje pásma používání tepelné techniky. Můžeme odečíst, že při λ = 1,3 až 1,35 (což je charakteristická hodnota pro kondenzační kotle JUNKERS), se musí respektovat rosný bod spalin při spalování zemního plynu (cca 53 °C). Pokud se udrží zpětná otopná voda v otopném systému pod touto teplotou výstupních spalin, to znamená ideálně pod rosným bodem vodních par obsažených ve spalinách, vzroste výrazným způsobem účinnost kondenzačního zařízení.
Rosný bod spalin v závislosti na přebytku vzduchu λ
Ze závislosti na obrázku 14 lze přesně určit teplotu rosného bodu vodních par vzniklých spálením zemního plynu daným hořákem s příslušným poměrem vzduchu . Je zřejmé, že u kondenzačního kotle je nutné projekčně zajistit k ideálnímu nízkoteplotnímu režimu teplotu "Zpátečky" pod 55 °C.
Z toho, co jsme doposud na grafech ukázali je zřejmé, že vše související s kondenzací vodních par ve spalinách souvisí s přebytkem vzduchu a s rozdílem teploty spalin a teploty zpětného toku otopné vody. Se sníženou teplotou "zpátečky" je nutné přepočítat velikost otopných ploch. Zjednodušený pohled na zvětšení otopné plochy ukazuje následující tabulka (nutno předat stejný výkon s nižším teplotním spádem).
Potřebné zvětšení otopné plochy
| Střední teplota otopné vody | Tepelný výkon topného tělesa dimenzovaného na teplotní spád | Potřebné zvětšení otopné plochy při použití kondenzačního spalování |
| 90/70 °C | ||
| 40 °C | 24 % | 4,0 - násobek |
| 45 °C | 32 % | 3,0 - násobek |
| 50 °C | 40 % | 2,5 - násobek |
| 55 °C | 49 % | 2,0 - násobek |
| 60 °C | 50 % | 1,7 - násobek |
| 65 °C | 69 % | 1,5 - násobek |
| 70 °C | 79 % | 1,3 - násobek |
| 75 °C | 89 % | 1,1 - násobek |
| 80 °C | 100 % | 1,0 - násobek |
Faktor zvětšení otopných ploch se netýká rozměrů topných těles nýbrž tepelného výkonu: podle DIN 4703 je Qn při 90/70 °C -20 °C (u budoucí EN 422: 75/65 °C -20 °C).
Odtah spalin kondenzačních kotlů
Kondenzační kotle jsou vzhledem k teplotám spalin provozovány jako kotle s nuceným odtahem spalin - turbo kotle. Možnosti jsou různé a najdete je v ceníku odkouření ke kondenzačním kotlům.
PROJEKČNÍ PODKLADY JUNKERS
Teoretické základy kondenzační techniky
Tepelná čerpadla, klimatizace, plynové kondenzační kotle, atmosférické kotle, elektrokotle, plynové průtokové ohřívače, zásobníky TUV, regulace, solární systémy.