Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Úspory naruby
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Úspory naruby

S neustálým zdražováním energií se mnoho obyvatel ptá, čím ekologicky a současně i ekonomicky, tedy levně a s účinností pokud možno přes 100 %, vytápět svůj rodinný dům?

1. ČÁST

Článek byl z důvodu velkého rozsahu rozdělen na dvě části. Druhou část článku přineseme po Novém roce v MM Průmyslovém spektru č. 1–2.

VYTÁPĚNÍ KOTLI

K nejlevnějším, a tudíž nejrozšířenějším palivům u nás stále ještě patří hnědé uhlí, ale to není ekologické vzhledem k vysokým emisím škodlivých látek, které vznikají při jeho nedokonalém spalování ve starých kotlích.

Kdo v topném období projíždí naším venkovem, jistě vidí, co se valí z komínů každého domku či chalupy. Hnědý dusivý kouř z nedokonale spalovaného hnědého uhlí, ale i dřeva zamořuje celé vesnice včetně jejich širokého okolí. Je to způsobeno především tím, že kotle jsou silně předimenzovány a provozovány nejméně po 95 % topné sezony jen na zlomek svého výkonu.

Zavádějící tabulkové účinnosti

Kotle na pevná paliva dosahují podle údajů výrobců účinnosti od 75 % do maximálně 93 %. Tyto účinnosti se zpravidla počítají a měří ve zkušebně tak, že se od množství energie ve spáleném palivu odečte energie, která projde jako spaliny komínem. Přitom jen například prouděním a sáláním ztrácí těleso kotle cca 2 % svého výkonu, která unikají bez užitku v kotelně či ve sklepě. Dále je třeba vzít v úvahu, že prakticky všechny moderní kotle se při svém provozu neobejdou bez odtahových ventilátorů a regulací, které zajišťují správné proudění spalin při regulaci jejich výkonu a jejichž příkon činí zpravidla další 1 % výkonu kotle, které je též třeba odečíst.
Především ale všechny tyto kotle odebírají spalovací vzduch z kotelny, tedy v zimě s teplotou i kolem 0 °C, přičemž plynové kotle, které mají samostatný přívod čerstvého vzduchu z exteriéru, mívají v zimě dokonce ještě nižší teplotu nasávaného vzduchu, zatímco teplota spalovacího vzduchu při zkouškách ve zkušebnách je dána předpisy na 20 + 5 °C. Z toho je evidentní, že jestliže nasávaný vzduch má teplotu o nejméně 20 °C nižší, tak i výsledná teplota spalin při spálení stejného množství paliva je o stejnou hodnotu nižší, a tím pro požadovanou výstupní teplotu spotřebuji více paliva, což způsobuje podstatné snížení výsledné účinnosti vytápění v reálných podmínkách o dalších několik procent.

Graf 1. Účinnost kotle při různém výkonu; X – jmenovitá (tabulková) účinnost; Křivka – skutečná účinnost; Červeně – starý kotel; Modře – moderní kotel; Zelená plocha – oblast účinnosti při akumulačním provozu; Hnědá plocha oblast skutečné účinnosti většiny stávajících kotlů v reálném provozu (bez akumulace)


Zásadní chyby při dimenzování výkonu kotle

Výrobci uváděné parametry platí pouze při trvalém provozování těchto kotlů v oblasti jejich jmenovitého výkonu, popř. teplotního spádu, a to ještě jen s doporučeným kvalitním palivem. Skutečnost v praxi je však diametrálně jiná. Konkrétně např. každý běžný rodinný dům 5+1 v Praze a okolí musí být projektován na minimální celodenní průměrnou venkovní teplotu minus 12 °C, ze které vycházejí jeho tepelné ztráty ve výši cca 5 až 10 kW. K tomu je však třeba přičíst přirážku na zátop ve výši 30 až 50 % (pro případ, že se obyvatelé vrátí ze zimní dovolené do nevytopeného domku) a ještě dalších 3 až 5 kW na příkon výměníku pro teplou užitkovou vodu. Kotel s nejbližším vyšším výkonem tak vychází na min. 15 kW, takže projektant navrhne kotel s výkonem od 20 kW výše (často však mnohem více, neboť je placen procentem z ceny domku), většina výrobců však obvykle nabízí tyto kotle až od výkonu 24 kW výše a zákazník poté, co zjistí, že za minimální příplatek může mít dokonce stejný kotel s až o 50 % vyšším výkonem (tedy 36 kW), tak neváhá a objedná raději ten, neboť jistota je jistota, že?

A jaká je skutečná potřeba tepla tohoto domku? V Praze je za posledních 40 let v celé topné sezoně (cca 240 dní) průměrná teplota několik stupňů nad nulou (dle vyhlášky č. 291/2001 Sb. přesně +3,8 °C) a ani v nedávné zimě, kdy padaly 40leté rekordy, nikdy průměrné celodenní teploty nedosáhly oněch projektovaných –12 °C. Z toho všeho tedy plyne, že na jmenovitý výkon může být v tomto případě podle závazných předpisů dimenzovaný kotel (tedy 15 kW) provozován maximálně jeden den za tisíc let (k tomu je totiž třeba trefit se do kombinace, že se obyvatelé vrátí ze zimní dovolené do vymrzlého domku právě v den, kdy průměrná teplota bude –12 °C, a ta je v Praze jednou za sto let, a k tomu ne každý obyvatel lyžuje)! A pouze v tento jediný den bude tento kotel po několik hodin pracovat s onou vysokou účinností a přijatelnými emisemi, pokud ovšem bude spalováno kvalitní palivo, což je většinou též jenom iluze. To by ještě nebylo tak hrozné, kdybychom v reálné praxi neměli zpravidla nainstalován kotel s dvojnásobně vyšším než navrženým výkonem, tedy místo 15 kW často i přes 30 kW, jak je zcela běžné!

Z výše uvedeného plyne, že i ten podle platných předpisů správně navržený kotel pracuje v průměru pouze na cca 30 % svého jmenovitého výkonu (pod 5 kW místo 15 kW), natož ten skutečně provozovaný (se 36 kW), který pracuje v průměru přes 4 měsíce v roce pod 14 % (a přes 2 měsíce dokonce pod 7 % svého jmenovitého výkonu, tedy u starých kotlů s účinností hluboce pod 20 % – viz hnědá plocha grafu 1. To je dáno tím, že při nižších teplotách ohniště a nedostatku spalovacího vzduchu v důsledku přivření regulační klapky se účinnost kotle rapidně snižuje, a emise jsou nejméně o řád horší (nejen kvalitní uhlí, ale i kvalitní suché dřevo při nedokonalém spalování dehtuje).

Ze všech výše uvedených důvodů bychom tedy měli nejméně o 10 % snížit výrobci udávanou účinnost jejich kotlů. To nám sníží tabulkovou účinnost u kotlů na dřevo či uhlí i u moderních kotlů z výrobci deklarovaných až 93 % někam k reálným 80 % – viz graf 2.


Graf. 2. Porovnání reálných účinností vytápěcích zařízení

Další možnosti úspor paliva

Pro efektivní spalování nejsou rozhodující jen technické parametry kotlů, ale především jejich denní i roční stupeň využití, potenciál možností jejich úprav a zapojení, dobrovolné dodržování kvality a druhu paliv, ale hlavně jejich provozování v optimálním režimu. To je možné dvěma způsoby:

Jednou z cest k vyšší účinnosti a tím k úsporám paliv je koupě nového kotle s automatickým dávkováním paliva (jako je tomu u kotlů na kapalná či plynná paliva). Zkrátka aktuální výkon kotle přizpůsobíme aktuální potřebě tepla – nikoliv však tím nejhorším možným způsobem, tedy uškrcením dodávky spalovacího vzduchu, jako je tomu u starších kotlů, což podstatně snižuje využití energie paliva, tedy jeho účinnost a silně zanáší spalinové cesty a zvyšuje několikanásobně škodlivé emise. To však předpokládá nejen moderní hořák a přizpůsobené palivo, které je možné kontinuálně dopravovat šnekovým dopravníkem do kotle (uhlí – ořech 2, štěpka, pelety), ale též speciální zásobník tohoto paliva v blízkosti kotle, což zatím poněkud komplikuje a prodražuje jejich vyšší využití u nás, byť na nové automatické kotle (kromě uhlí) poskytuje náš stát štědré kotlíkové dotace.

Druhou možností je zapojení stávajících kotlů do akumulační nádrže, čímž kotel může topit potřebnou dobu v optimálním režimu, tedy s podstatně vyšší účinností a menší spotřebou paliva (viz zelená plocha grafu 1) a s menšími emisemi. Zařízení s akumulačním zásobníkem je navíc roznětkou pro další obrovské úspory tepelné energie ze synergického efektu – kdo si totiž pořídí akumulační zásobník s výměníkem pro teplou užitkovou vodu, má tím již zároveň zaplacenou a nainstalovanou (tedy jaksi zdarma) právě tu nejdražší část pro solární ohřev teplé užitkové vody a pro solární přitápění na jaře a na podzim. Stačí tedy už jen připojit ke stávajícímu zařízení levné sluneční kolektory s jednoduchou regulací (i na ně poskytuje stát dotaci až 50 000 Kč) a vše je hotovo a úspory energií se rázem ještě zdvojnásobí, takže výsledná spotřeba paliva bude méně než poloviční!

Navíc při tomto zapojení dosáhneme dalšího podstatného zvýšení účinnosti, když zapomeneme na základní topenářskou zásadu a vynecháme termostatický trojcestný ventil, který má zajišťovat teplotu vratné vody do kotle minimálně 60 °C, aby v něm nedocházelo ke kondenzaci vody a tím k nízkoteplotní korozi. Tato zásada sice platí pro všechny kotle bez akumulačního zásobníku (kde díky síře v uhlí vzniká v kotli kyselina sírová, která záhy zničí kotel), ale nikoliv pro kotle s akumulačním zásobníkem, které topí vždy na plný výkon, takže nedovolí vodě v kotli (a ani v komíně) zkondenzovat na kyselinu. Zatímco u normálního kotle bez akumulace tak vtéká vratná voda o teplotě 60 °C a vytéká 90 °C, tak u kotle s akumulací může vtékat vratná voda z akumulačního zásobníku 30 °C a nahoře vytékat teplá 60 °C. To má za následek nejen vyšší výkon (vyšší teplotní spád), ale především vyšší vychlazení spalin na výstupu z kotle (při stejném výkonu kotle, tedy při ohřátí vody o 30 °C) a tím podstatné zvýšení účinnosti na úkor komínových ztrát.

Nespalujme zbytečně vodu!

V tom případě naší snahou tedy musí být především nevnášet do procesu spalování další vodu, kterou bychom nejprve museli ohřívat na 100 °C a pak ještě odpařit a odvést do komína, to vše za velkých a zbytečných tepelných ztrát – viz graf 3. A zde mají dřevo i uhlí oproti ostatním palivům jednu specifickou vlastnost – a to, že o jeho výhřevnosti si do určité míry může rozhodovat jeho uživatel sám. Výhřevnost dřeva se totiž běžně uvádí při jeho vlhkosti kolem 25 % (za půl roku po kácení, když syrové má přes 50 %), kdy má výhřevnost kolem 13 MJ.kg-1. Pokud toto dřevo necháme schnout ještě další rok, můžeme se dostat až na 15 % vlhkosti a tím zvýšíme jeho výhřevnost na 15 MJ.kg-1, tedy o 15 %. A tak se konečně bez jakékoliv další práce (chce to jenom si počkat) můžeme dostat na normovaný stupeň využití paliva až ke 100 % (viz graf 4).


Graf. 3. Výhřevnost dřevní hmoty v závislosti na její vlhkosti

 
Graf 4. Vliv vlhkosti dřeva na účinnost krbu (kotle); X– jmenovitá (tabulková) účinnost; Modře – dřevo s 50% vlhkostí (syrové, po pokácení); Červeně – dřevo s 25% vlhkostí (po půl roce); Zeleně – dřevo s 15% vlhkostí (po 2 letech); Oranžová – krb s dodatečnými výměníky a dřevem s 15% vlhkostí


A co uhlí? Většina lidí si myslí, že oproti dřevu je uhlí suché a nenasákavé, takže ho můžeme dokonce skladovat i venku a nepřikryté. To je velký omyl, o kterém se příliš neví! Tak zaprvé, i to naše české kvalitní hnědé uhlí pro domácnosti má podle těžební lokality výhřevnost od 16 MJ.kg-1 do 18 MJ.kg-1 a obsahuje od 10 % do 30 % vody! To nekvalitní, tzv. energetické s větším obsahem vody kolem 35 % nebo s malou výhřevností od 10 MJ.kg-1 do 16 MJ.kg-1, se používá jen pro elektrárny a teplárny, ale někdy ho nabízejí v místech těžby (Ostravsko) i překupníci za levnou cenu, která ve skutečnosti po přepočtu na množství energie vůbec levná není. Z toho vyplývá jediné – nakupovat pouze kvalitní uhlí pro domácnosti od renomovaných výrobců a skladovat ho v suchých a větraných prostorách, čímž mu jednak částečným vyschnutím můžeme zvýšit jeho výhřevnost, ale také nehrozí nebezpečí samovznícení jeho zapařením.

Pokud by se podařilo dostat do povědomí všech majitelů kotlů tyto výše uvedené principy, tak lze uspořit obrovská množství paliv při podstatném snížení škodlivých emisí. Pak se i z neekologických kouřících monster mohou stát ekologické kotle, které budou topit s účinností a emisemi uvedenými ve svém prospektu, s poloviční spotřebou paliva, bez zanášení komínu sazemi (a nebezpečí jeho zahoření a destrukce či požáru) a přestanou zamořovat naši krásnou zemi jedovatými karcinogenními zplodinami nedokonalého spalování.

VYTÁPĚNÍ PLYNEM

Aby měly kondenzační plynové kotle výrobci uváděné vysoké parametry, tak musejí pracovat s teplotním spádem topné vody 40/30 °C, což splňuje pouze podlahové topení, které vzhledem k jeho vysoké ceně má zatím pouze malý zlomek rodinných domků. V běžném rodinném domku se tak i u nich dostaneme v nejlepším případě sotva na úroveň 90% účinnosti. A ani u nejlepších plynových kondenzačních kotlů se v důsledku všech výše uvedených redukcí určitě nedostaneme přes 100 %, přestože jejich výrobci se chlubí u nich využitím paliva (díky využití kondenzačního tepla vody chemicky vázané v plynu) až na 109 %.


Druhou část tohoto článku najdete v MM Průmyslovém spektru č. 1–2 s datem expedice 5. 2. 2020. Dočtete se v ní, jak účinně lze topit v krbech.

 

JUDr. Ing. et Ing. Mgr. Petr Měchura

mechura.p@gmail.com
 

Další články

Ekologie
Energetické strojírenství

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: