Stanovení účinnosti a stupně využití nízkoteplotních a kondenzačních kotlů
Článek je zaměřen na metodiku ověření deklarované účinnosti a celoroční účinnosti kondenzačního kotle se zásobníkem tepla, která vychází ze znalosti teploty odváděných spalin a četnosti venkovních teplot v průběhu topného období.
1. Princip účinného využití kondenzačních kotlů
Nejvyšší účinnosti při spalování zemního plynu v kotlích s kondenzací spalin se dosáhne při nízkém přebytku spalovacího vzduchu a nízké teplotě otopné vody, přiváděné do kotle.
Obr. 1 Diagram h-x spalin pro stanovení rosného bodu, tepelného obsahu, teploty a měrné vlhkosti spalin ze spalování s různým přebytkem vzduchu (λ)
Nízký přebytek vzduchu při spalování vytváří spaliny s vysokou teplotou rosného bodu a nízká teplota zpětné otopné vody zajišťuje značné ochlazení spalin ve výměníku kotle. Velká kondenzace spalin a tudíž velké předání tepla otopné vody je tedy (podle diagramu na obr. 1) dána velkým rozdílem mezi teplotou rosného bodu spalin a teplotou ochlazení spalin.
Instruktivně je pásmo kondenzace vyjádřeno h-x diagramem na obr. 1, kde shodně s předchozím článkem:
- na x-ové pořadnici jsou rosné body spalin (teploty kondenzace) a měrné vlhkosti spalin, určující přebytek vzduchu při spalování (λ),
- na y-ové pořadnici je stupnice teplot spalin,
- na šikmé stupnici osy x = y je uveden tepelný obsah spalin (entalpie).
Z obr. 1 je patrné, že ochladíme-li spaliny v kotli na teplotu 40 °C (bod 7 na čáře „kondenzace“), obsahují stále ještě teplo 164 kJ, vztažené na 1 kg suchého obsahu spalin.
1.1 Spaliny s nízkým přebytkem spalovacího vzduchu (λ = 1)
U spalin ze zemního plynu s přebytkem spalovacího vzduchu λ = 1 je dosaženo podle diagramu rosného bodu při teplotě 59,2 °C (bod 2 na čáře kondenzace) a spaliny mají tepelný obsah E2 = 440 kJ/kgss. Ochladíme-li spaliny na teplotu 40 °C (bod 7) s tepelným obsahem E7 = 164 kJ/kgss, pak je do kotle předáno teplo z kondenzujících spalin EN = 440 − 164 = 276 kJ/kgss.
1.2 Spaliny s vysokým přebytkem spalovacího vzduchu (λ = 1,6)
Při přebytku spalovacího vzduchu λ = 1,6 je rosného bodu dosaženo při teplotě 50 °C (bod 6 na čáře kondenzace) s tepelným obsahem E6 = 268 kJ/kgss. V diagramu na obr. 1 představuje vzdálenost od rosného bodu (bod 6) do bodu, při kterém spaliny opouštějí kotel (bod 7) s tepelným obsahem E7 = 164 kJ/kgss. V diagramu na obr. 1 představuje průběh na křivce kondenzace od bodu 6 (rosný bod při λ = 1,6) do bodu 7 (teplota, při které spaliny opouštějí kotel) nižší tepelný obsah ET = 104 kJ/kgss, který je z kondenzace spalin předán otopné vodě.
V průběhu topného období, tak jak se mění výkon kotle a hořáku, se obtížně daří udržet stále nízký přebytek spalovacího vzduchu, např. λ = 1,05 až 1,1. Udržení nízkého přebytku vzduchu, potřebného u kondenzace, zejména při nízkých výkonech hořáku, je zajišťováno velmi nákladnou regulací hořáku kotle.
2. Kondenzační systém podle užitného vzoru č. 11826 a 12088
Systém kondenzačního kotle se zásobníkem tepla tak, jak je uvedeno v článku Akumulační monovalentní zdroje pro vytápění a přípravu TV (portál TZB-info), plní obě výše uvedené podmínky pro účinnou kondenzaci:
- přívodem co nejchladnější otopné vody do kotle,
- zajištěním celoročně nízkého přebytku vzduchu při spalování.
Přívod nejchladnější otopné vody, ať již z otopného systému nebo z přípravy TV, je dán koncentrací vždy a trvale nejchladnější vody u dna zásobníku tepla, odkud je otopná voda přivedena do kondenzačního kotle.
Nejúčinnější provoz kondenzačního kotle vychází z trvale nízkého přebytku vzduchu, během proměnného výkonu v topném období je zajištěn tím, že:
- výkon hořáku je provozován pouze na jmenovitou hodnotu výkonu,
- nevadí předimenzování kotle (např. pro průtokový ohřev TV), neboť snížení provozního výkonu si vyrovnává otopná voda v zásobníku tepla.
Tím, že hořák kotle je provozován celoročně pouze na jmenovitý výkon, nepožaduje se žádná další náročná regulace hořáku a kotle s hořákem vychází cenově levněji než kotle standardní.
Tím, že je kotel provozován pouze na jmenovitý výkon, dosáhne se ekologického provozu tak, že:
- hořák kotle je trvale seřízen pro nejnižší produkci škodlivin,
- produkce spalin při nejvyšší účinnosti dává ve vztahu k výkonu nejnižší hodnoty,
- přerušení provozu není nahodilé a provoz může být prodloužen zvětšením velikosti zásobníku tepla nebo použitím kaskádového zapojení kotlů (náběh kotle do provozu vytváří vyšší koncentrace škodlivin ve spalinách).
Možnost použití rychloohřívacího kotle s nízkým vodním obsahem nevykazuje provozně pohotovostní ztráty z přestávky z provozu, kdy voda v kotli vychládá. Rovněž není nutné používat vyrovnávací spojku při napojení na otopnou soustavu, neboť tlakové vyrovnání zajišťuje zásobník tepla.
3. Nízkoteplotní kotle a jejich účinnost
Obr. 2 Příklad stanovení okamžité účinnosti nízkoteplotního kotle pro teplotní spád výměníku Δt = 25 °C
Od nízkoteplotního plynového kotle jsou spaliny odváděny s teplotou nad rosným bodem, např. nad 60 °C a nevyužívá se tak skupenské teplo z vodní páry, obsažené ve spalinách. To je pak neúčelně odváděno do komína, kde se velmi často stává, že spaliny kondenzují shodně jako v případě připojení kondenzačního kotle na komín. Nízkoteplotní kotle s přetlakovým hořákem mají shodnou konstrukci s kotli standardními, pouze stěna trubkového výměníku kotle (spaliny – otopná voda) má vyšší tepelný odpor, tvořený jednou nebo více vzduchovými vrstvami výměníku kotle (spaliny – otopná voda). Výměník má vyšší tepelný odpor. Tím se dosáhne vyššího teplotního rozdílu mezi povrchy výměníku. Výměník, nejčastěji trubkového tvaru, je tvořen jedno nebo vícevrstvou vzduchovou mezerou. Je tak zajištěno, že i v případě přiváděné otopné vody pod rosným bodem spalin (např. 40 °C) je teplota odváděných spalin z kotle nad rosným bodem (např. 60 °C). Na obr. 2 je schématicky uveden příklad takového řešení výměníku kotle, kde je zvolen rozdíl povrchových teplot výměníku (mezi otopnou vodou a spalinami) Δt = 25 °C. Zjednodušeně při teplotě zpětné otopné vody, vstupující do kotle tw = 35 °C, odchází spaliny s teplotou ts = 60 °C. Kotle tak zajišťují ochranu před nízkoteplotní korozí. Cena kotle s takto upraveným výměníkem vychází však neúměrně vysoko.
Pro instruktivní představu o účinnosti kotle využijme h-x diagram pro spaliny, jak je uveden na obr. 1. Pro teplotu spalin 60 °C při spalování plynu s přebytkem vzduchu λ = 1 je v diagramu uveden v bodě 2 tepelný obsah E2 = 440 kJ/kgss. Stanovíme-li výpočtem ze spalného tepla zemního plynu tepelný obsah spalin, vztažený na 1 kg suché části spalin (na obr. 2 vychází tepelný obsah Emax = 3240 kJ/kgss), pak po odečtení tepelného obsahu spalin, odváděných ze spalinového hrdla kotle (na obr. 2 ES = 440 kJ/kgss) zbývá teplo předané ze spalin otopné vodě v kotli (na obr. 2 je to ET = 2800 kJ/kgss).
Takto zjednodušeně je pak možné stanovit účinnost kotle, vztaženou na spalné teplo. Hodnoty účinnosti a tepelné ztráty ze spalin odváděných do komína jsou uvedeny na obr. 2 pod schématem kotle.
Úvaha o účinnosti vychází z toho, že:
- teplota spalin na konci výměníku je vyšší o výrobcem deklarovaný rozdíl mezi stěnou výměníku na vodní straně a na straně spalin,
- tepelný obsah v odváděných spalinách z kotle je tepelnou ztrátou z vyprodukovaného tepla hořákem.
4. Účinnost kondenzačního kotle
Obr. 3 Stanovení okamžité účinnosti kondenzačního kotle pro teplotní spád výměníku Δt = 5 °C
Na obr. 3 je pro představu zjednodušená konstrukce kotle ke stanovení účinnosti kondenzačního kotle. Tepelný obsah odváděných spalin při teplotě zpětné otopné vody (tw = 35 °C) a následně teplotě odváděných spalin (ts = 40 °C) vychází podle obr. 1 v bodě 7, kde je entalpie spalin E7 = 164 kJ/kgss.
Tepelný obsah spalin, vyprodukovaných ze spáleného paliva (při přebytku spalovacího vzduchu λ = 1), byl výpočtem stanoven shodně s obr. 2 hodnotou Emax = 3240 kJ/kgss. Po odečtení tepelné ztráty spalin dané tepelným obsahem v odváděných spalinách (ES = 164 kJ/kgss) vychází tepelný obsah využitý na předání tepla do otopné vody v kotli (ET = 3076 kJ/kgss).
Hodnoty účinnosti a tepelné ztráty jsou vztaženy na spalné teplo a nikoliv na výhřevnost, jak bývá obvyklé.
U obou případů vychází hodnota pro výpočet tepelného obsahu (entalpie) spalin z teploty 0 °C (základ stupnice entalpie na obr. 1) a tím může být účinnost zkreslena. Uvedené příklady lze tak považovat pouze za modelové, sloužící pouze pro popsání metodiky ke stanovení účinnosti.
5. Stanovení stupně využití
Stupeň využití (celoroční účinnost) topného zdroje se stanoví na základě grafického zobrazení na obr. 4 podle:
- teploty zpětné otopné vody v průběhu topného období – zvoleno topné období s teplotami od −15 do +13 °C,
- průběhu četnosti venkovní teploty v topném období – viz článek „Parametry otopné soustavy v průběhu topného období“ – portál TZB-info,
- teplotního spádu na stěnách výměníku kotle (topná voda – spaliny) – přibližně zvolen konstantní teplotní spád Δt = 5 °C,
- tepelného obsahu spalin ve spalinovém hrdle spotřebiče, stanoveného z h-x diagramu spalin – pro spaliny s rosným bodem 58 °C,
- teploty zpětné otopné vody twz = 70 °C při venkovní teplotě te = −15 °C.
Diagram na obr. 4 vyjadřuje závislost na:
- průběhu četnosti teplot se stupnicí na y–ové pořadnici (od 0 do 100 %),
- průběhu teploty zpětné vody (zjednodušeně lineární) na y–ové pořadnici, vyznačené v diagramu vpravo,
- průběhu teploty spalin, zjednodušeně s teplotou vyšší o 5 °C než je teplota zpětné otopné vody s y–ovou stupnicí vpravo od diagramu,
- průběhu teploty venkovního vzduchu v topném období od −15 do +13 °C s vyznačením na x–ové pořadnici.
Vpravo od diagramu četnosti ročního průběhu venkovních teplot a průběhu teplot otopné vody a spalin je vyznačena křivka účinnosti stanovená z tepelného obsahu spalin podle průběhu teplot zpětné otopné vody v intervalech po 10 °C. Průběh účinnosti během topného období, s výslednou celoroční účinností (stupeň využití) je uveden v tabulce 1.
Obr. 4 Stanovení celoroční účinnosti (stupně využití) kondenzačního kotle pro spaliny s rosným bodem 58 °C a teplotním spádem výměníku Δt = 5 °C
| TZ[°C] | 70–60 | 60–50 | 50–40 | 40–30 | 30–20 |
|---|---|---|---|---|---|
| τ%] | 2 | 13 | 60 | 24 | 1 |
| ηi%] | 97,5 | 98,5 | 103,2 | 108,2 | 0 |
| ηm%] | 103,7 | ||||
|
Legenda: TZ – interval teplot zpětné vody, přiváděné do kotle τ – doba trvání teplot v příslušném intervalu ηi – účinnost v intervalu trvání teplot zpětné vody ηm – průměrná účinnost v topném období | |||||
6. Závěr
V článku je zdůrazněna výhodnost účinného, levného a ekologického systému kondenzačního kotle se zásobníkem tepla, podle užitného vzoru č. 11826 a 12088, uvedeného v první části příspěvku. Pro ověření deklarované účinnosti a celoroční účinnosti (stupně využití) lze použít metodiky uvedené v článku na základě znalosti teploty odváděných spalin, četnosti venkovních teplot v průběhu topného období.
The article is focused on methods of verification of declared and year-round efficiency of condensing boiler with heat storage tank, which is based on the knowledge of the temperature of discharged gas and the frequency of outdoor temperature during the heating season.