Zásady návrhu akumulačních kamen

Datum: 12.5.2014  |  Autor: Ing. Lubomír Martiník, Ing. Jiří Horák, Ph.D., Ing. Antonín Šimáček, Ing. Kamil Krpec, Ph.D., Ing. Petr Kubesa, Ing. František Hopan, Ph.D., Ing. Vendula Drastichová, Ing. Jan Koloničný, Ph.D., doc. Dr. Ing. Tadeáš Ochodek, VŠB, TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum  |  Recenzent: Břetislav Holešínský, předseda technické komise Cechu kamnářů ČR

Zatímco v nově budovaných a rekonstruovaných objektech se stále častěji setkáváme s dynamicky regulovatelnými zdroji tepla, akumulační kachlová kamna se začínají rovněž prosazovat. V rekreačních objektech dominují sporáky a kamna s kombinovanou teplovzdušnou a akumulační funkcí. Je to způsobeno především změnami v energetických požadavcích budov, které se každým rokem snižují a trh se soustředí především na snadno a dynamicky regulovatelná zařízení. Kachlová kamna mají ale stále co nabídnout designem počínaje a užitnou hodnotou konče. Vhodně navržená akumulační kachlová kamna jsou vhodná i do nízkoenergetických domů a mohou sloužit i jako primární zdroj tepla pro vytápění domu a jejich účinnost je velmi vysoká. Tento článek si dává za úkol osvětlit některé pojmy a zásady správného návrhu kachlových akumulačních kamen.

1. Úvod


Se zpřísňujícími se požadavky na výstavbu rostou i požadavky na hledání vhodných zdrojů tepla pro objekty s nízkou tepelnou potřebou (nízkoenergetické domy). U takových objektů je nepraktické použít klasická konvekční kamna či krbovou vložku, protože jejich výkon předávaný prostoru přes zasklení je obvykle vyšší než potřeba místnosti, ve které jsou kamna či krbová vložka umístěna. U těchto objektů je proto třeba hledat zdroj, který dokáže relativně vysoký výkon kamen rozložit v čase a tak postupně objekt zásobovat teplem dle reálné potřeby objektu.

Jednou z možností je využití kachlových kamen jako zdroje pro akumulační systém vytápění. Teplo, které se uvolní při spálení dávky paliva, je akumulováno do hmoty kamen (akumulace je závislá na použitém materiálu a jeho množství) [1].

Mezi veřejností roste zájem o individuálně stavěná kamna, proto se autoři článku rozhodli přiblížit jejich návrh a řešení široké veřejnosti a podpořit tak obeznámenost s tímto zajímavým systémem vytápění.

Kachlová kamna se dělí podle několika faktorů [1]. Podle konstrukčního uspořádání dělíme kachlová kamna na:

  • Sálavá kachlová kamna
  • Teplovzdušná kachlová kamna
  • Kachlová kamna s ohřevem teplonosné látky
  • Kombinovaná kamna

Podle vzájemného postavení vnitřní a vnější stěny kamen dělíme kachlová kamna na [1]:

  • Kamna bez vzduchové mezery
  • Kamna dvouplášťová se vzduchovou mezerou
  • Kamna hypokaustní (dochází zde ke vzniku vzdušné konvekce v uzavřeném prostoru)

Podle tloušťky stěn dělíme kachlová kamna na [1]:

  • Lehká (akumulace 8 hodin)
  • Středně těžká (akumulace 12 hodin)
  • Těžká (akumulace 16–24 hodin)

2. Potřeba tepla vytápěného objektu

Začátkem každého návrhu je kvantifikace potřeby tepla objektu. V případě kamen se jedná především o tepelnou ztrátu místnosti, ve které jsou kamna umístěna [12].

Postupů výpočtu tepelné ztráty je více. Kamnáři využívají základní kamnářský výpočet dle normy ČSN 734231 [2], který je přibližný a vychází z empiricky zjištěných konstant a objemu vzduchu v řešené místnosti. Přesnějším, ale podstatně složitějším způsobem je výpočet tepelných ztrát dle normy ČSN EN 12831 [3]. Pro přibližný odhad postačí jednodušší kamnářský výpočet:

vzorec 1 (1) [kW/h]
 

kde je

K
– kamnářská konstanta – viz Tab. 1.
 

Tab. č. 1 Kamnářská konstanta [2]
Úroveň izolaceKamnářská konstanta K [W/(h.m3)]Ztráta místnosti 5×3×2,5 m [W/h]
Špatná tepelná izolace45,01687,5
Střední tepelná izolace32,51218,75
Dobrá tepelná izolace22,5843,75
Velmi dobrá tepelná izolace12,0450

Jde o konstanty, které je třeba zvolit na základě zkušeností. Pro nízkoenergetické budovy, ve kterých hrozí přehřívání, je třeba výpočet provést přesný výpočet. Výsledná ztráta místnosti je v kW/h při venkovní návrhové teplotě (na Ostravsku −15 °C).

Problematika v normě uvedených chybných jednotek kW/h a kW/(h*m3) je více rozebírána v diskuzi k tomuto článku.

Navržená kamna je potom třeba navrhnout tak, aby jmenovitý tepelný výkon kamen byl větší nebo roven výsledné ztrátě místnosti. Je důležité připomenout, že není rozumné navrhovat mnohem větší výkon, než je potřeba místnosti. Zkracováním periody mezi jednotlivými přiloženími můžeme dosáhnout výrazně vyššího výkonu, než na jaký jsou kamna deklarována. Přičemž z hlediska účinnosti spalování je nutné zachovat stanovenou dávku paliva [13]. Výsledná ztráta místnosti je po většinu roku mnohem nižší než spočtená.

3. Návrh kachlových kamen krok po kroku

Jak bylo již zmíněno výše, výkon kamen závisí především na dávce paliva, kterou je možné do kamen přiložit. Aby výkon co nejvíce odpovídal potřebám objektu, snažíme se kamna navrhnout na potřebnou tepelnou ztrátu vytápěného prostoru.

V běžné kamnářské praxi se pro zákazníka zpracovávají návrhy především tvaru obestavby. Tepelně-technické výpočty se tvoří většinou rutinně a kamnář je nezveřejňuje, jen je archivuje pro případnou reklamaci, dokladování nebo servisní činnost. Dimenzování, tedy návrh akumulačního pláště (teplosměnných ploch) a tepelně-technické výpočty návrhu topeniště a keramických tahů, popř. výměníku spolu souvisí a vzájemně se ovlivňují. Nelze navrhovat kamna bez základní představy o velikosti a vnějším tvaru, jen se znalostí tepelných ztrát v místnosti a naopak. Veškeré výpočty však musí začít stanovením potřebného výkonu kamen, který vychází ze stanovení tepelných ztrát.

V praxi se návrh provádí takto:

  • zákazník si vybere z nabídky kamnáře nebo z ostatních dostupných zdrojů předběžný tvar kamen
  • zohlednění dispozičního řešení místnosti a pozice komínu
  • kamnář vybere ze zkušenosti vhodné řešení (druh topeniště, tahový akumulační systém, apod.) a nahrubo vyladí poměr mezi tvarem kamen a požadovaným návrhem výkonu, přičemž dbá na určitou přiměřenost výkonu topeniště a teplosměnné plochy – pláště kamen.
  • po předběžném odsouhlasení základních parametrů se zákazníkem se přistupuje k tepelně technickému dimenzování kamen. Při návrhu se musí zohlednit mnoho parametrů – viz níže.

Nejčastěji se užívá zkrácený, zjednodušený výpočet, nelze jej však pro současnou praxi doporučit, protože nedokáže přesně vypočítat a navrhnout jednotlivé podmínky pro správné provozování kamen. Výpočet sleduje pouze úbytek teploty v akumulačním tahu a komínu přičemž se vychází z teploty dosažené v topeništi ve vztahu k maximální dávce dřeva, tedy i výkonu topeniště. Dále je známa tzv. metoda délky tahu, metoda 1:16, metoda 1:1:1, metoda komínové ztráty, apod. (metoda 1:16 – 1 m2 plochy kamen je schopen vytopit 16 až 20 m3; metoda 1:1:1 – 1 m2 plochy kamen na 1 m tahu na 1 kW; metoda délky tahu – délka tahu je stejná jako úhlopříčka místnosti). Tyto metody však již patří do historie kamnářského řemesla.

Kompletní výpočet, který vychází z normativních výpočtů (v ČR to je od srpna 2013 nová norma ČSN EN 15544 [4]), je náročný na výpočet, ale lze si ho usnadnit pomocí tzv. „Přepočtového programu od Svazu rakouských kamnářů“, kdy si kamnář návrh nechá posoudit, popř. vyladit za určitý poplatek. Platnou licenci má v současné době na území naší republiky omezený počet firem, jelikož licence na jeden kalendářní rok stojí v přepočtu kolem 30 000 Kč. Tyto firmy poté nabízejí jiným subjektům přepočty návrhů. Program garantuje min. účinnost 78 % navržených kamen při dodržení určitých parametrů programu – viz následující část.

Podrobný výpočet dle normy ČSN EN 15544 [4] je popsán v následující části. Pro lepší seznámení se vzorci je zároveň uveden výpočet reálných parametrů.

3.1 Stanovení množství paliva

Maximální množství paliva se stanovuje dle normy ČSN EN 15544 [4]:

vzorec 2 (2) [kg]
 

kde je

Pn
– požadovaný tepelný výkon [kW] – viz výše;
tn
– požadovaná doba akumulace [h] – obvykle 8–24 h;
mB
– maximální množství paliva [kg].
 

Koeficient 3,25 je empirickou konstantou pro suché dřevo a minimální požadovanou účinnost.

Minimální množství paliva je potom polovinou maximálního množství paliva:

vzorec 3 (3) [kg]
 

kde je

mBmin
– minimální množství paliva [kg];
mB
– maximální množství paliva [kg].
 

3.2 Stanovení hlavních rozměrů spalovací komory a tahového systému

Obr. č. 1 Rozměry spalovací komory
Obr. č. 1 Rozměry spalovací komory
3.2.1 Rozměry spalovacího prostoru

Vnitřní plocha spalovacího prostoru je součtem všech ploch, ohraničujících spalovací komoru (stěny, dno, strop, dvířka a plocha výstupu spalin z komory). Tato celková vnitřní plocha se vypočte ze vztahu:

 
vzorec 4 (4) [cm2]
 

kde je

OBR
– celková vnitřní plocha spalovací komory [cm2];
mB
– maximální množství paliva [kg].
 

Půdorysná plocha spalovací komory (případně roštu) je potom odvozena z minimální a maximální půdorysné plochy spalovací komory, které se vypočtou dle vztahů:

vzorec 5 (5) [cm2]
 

Podle minimální půdorysné plochy si stanovíme přibližné půdorysné rozměry komory, které ověříme dle následujícího vztahu.

vzorec 6 (6) [cm2]
 

kde je

ABRmin
– minimální půdorysná plocha spalovací komory [cm2];
ABRmax
– maximální půdorysná plocha spalovací komory [cm2];
mB
– maximální množství paliva [kg];
UBR
– obvod spalovacího prostoru [cm].
 

Je třeba dbát na to, aby šířka spalovací komory byla vždy nejméně 23 cm, délka (hloubka) může být minimálně stejná a maximálně dvojnásobná než šířka spalovací komory.

Pro výšku spalovacího prostoru HBR platí, že:

vzorec 7 (7) [cm]
 

Reálná výška se potom dopočítá z ostatních již určených rozměrů pomocí následujícího vzorce:

vzorec 8 (8) [cm]
 

Takto jsme si schopni určit rozměry spalovací komory – půdorysná plocha se zvolí mezi ABRmin a ABRmax, výška se dopočítá.

3.2.2 Minimální délka spalinového tahu a průřez plynové štěrbiny

Délka spalinového tahu je u akumulačních kamen důležitá, protože především tam dochází k ochlazení spalin a akumulaci tepla do hmoty, obklopující tah. Je důležité zachovat dostatečné předání tepla akumulační hmotě, a také dostatečný tah pro odvod spalin. Pro zlepšení odvodu spalin a k rychlejšímu nahřátí komínu můžeme použít plynovou štěrbinu (přímou cestu do komína mimo akumulační spalinový tah).

V případě že plynová štěrbina nebude součástí kamen, vypočteme minimální délku spalinového tahu podle tohoto vzorce:

vzorec 9a (9a) [m]
 

kde je

LZmin
– minimální délka spalinového tahu [m];
mB
– maximální množství paliva [kg].
 

V případě, že v návrhu počítáme s plynovou štěrbinou, vypočteme minimální délku spalinového tahu podle tohoto vzorce:

vzorec 9b (9b) [m]
 

kde je

LZmin
– minimální délka spalinového tahu [m];
mB
– maximální množství paliva [kg].
 

Plynová štěrbina je v tomto případě určena pravidlem, že na 1 kg paliva připadá 1 cm2 souvisejícího volného průřezu:

vzorec 10 (10) [cm2]
 

kde je

AGS
– plocha volného průřezu vzduchové štěrbiny [cm2];
mB
– maximální množství paliva [kg].
 

Tato štěrbina bývá umístěna v místě přepínací klapy – viz Obr. č. 2.

Jelikož je spalinový tah u kachlových kamen zpravidla geometricky složitý, je třeba pamatovat na dostatečné množství čisticích otvorů (dvířek nebo koleček – čisticí otvory ve spalinovém tahu – Obr. č. 3) ve spalinovém tahu, aby bylo možné vymést a vyčistit všechny části tahu.

Obr. č. 2 Ukázka uspořádání systémových kachlových kamen – půdorys [6]
Obr. č. 2 Ukázka uspořádání systémových kachlových kamen – půdorys [6]
Obr. č. 3 Pohled na konstrukci systémových kachlových kamen v perspektivě [6]
Obr. č. 3 Pohled na konstrukci systémových kachlových kamen v perspektivě [6]

Norma ČSN EN 15544 pro dimenzování kachlových kamen se vztahuje výhradně na jádro (topeniště a akumulační tahy) stavěné z kamnářského šamotu. Pro dimenzování systémových kamen je nutné dosadit příslušné hodnoty použitých materiálů a topenišť.

3.3 Výpočet hmotnostního toku paliva

Hmotnostní tok paliva se stanovuje dle normy ČSN EN 15544 [4] jako součin minimální účinnosti a maximálního množství paliva:

vzorec 11 (11) [kg/h]
 

kde je

mB
– maximální množství paliva [kg];
mBU
– optimální hmotnostní tok paliva [kg/h];
0,78
– minimální účinnost navržených kamen [–].
 

3.4 Stanovení přebytku vzduchu

Spalování v zařízeních s ručním přikládáním nikdy neprobíhá rovnoměrně. Při návrhu kachlových kamen se vychází z předpokladu, že průměrný přebytek vzduchu λ = 2,95.

Z těchto předpokladů (přebytek vzduchu, spotřeba paliva, teoretická spotřeba vzduchu) jsou odvozeny některé součinitele, které jsou součástí následujících vzorců pro výpočet optimálního spalování.

3.5 Spalovací vzduch a spaliny

Následující výpočty lze řešit více způsoby dle toho, zda zanedbáváme nebo zohledňujeme vliv teploty a nadmořské výšky. Chceme-li docílit jisté přesnosti návrhu, zohledníme vliv těchto faktorů.

Teplotní korekce:

vzorec 12 (12) [–]
 

kde je

ft
– teplotní korekce [–];
t
– teplota okolí [°C].
 

Výšková korekce:

vzorec 13 (13) [–]
 

kde je

ft
– výšková korekce [–];
z
– geodetická výška (nadmořská) [m].
 

3.5.1 Objemový průtok spalovacího vzduchu

Jedná se o množství vzduchu, které musíme do topeniště přivést, abychom zajistili optimální hoření. Vypočte se ze vztahu dle normy ČSN EN 15544 [4]:

vzorec 14 (14) [m3/s]
 

kde je

VL
– objemový průtok spalovacího vzduchu [m3/s]
mB
– maximální množství paliva [kg];
ft
– teplotní korekce [–];
fs
– výšková korekce [–].
 

3.5.2 Objemový průtok spalin

Výpočet je obdobný jako u objemového průtoku spalovacího vzduchu, ale součinitel je dán teoretickým množstvím spalin. Výpočet je uveden v normě [4]:

vzorec 15 (15) [m3/s]
 

kde je

VG
– objemový průtok spalin [m3/s];
mB
– maximální množství paliva [kg];
ft
– teplotní korekce [–];
fs
– výšková korekce [–].
 

3.6 Výpočet hustoty

Ke každému objemovému průtoku (spalovacího vzduchu i spalin) je třeba dopočíst příslušné hustoty. Rozdíl hustot přiváděného vzduchu a spalin nám určuje tzv. statický tah. Tak jako u výpočtu objemových průtoků, je i zde nutné zohlednit nadmořskou výšku a teplotu okolí.

3.6.1 Hustota spalovacího vzduchu
vzorec 16 (16) [kg/m3]
 

3.6.2 Hustota spalin
vzorec 17 (17) [kg/m3]
 

kde je

ft
– teplotní korekce [–];
fs
– výšková korekce [–].
 

3.7 Výpočet teploty spalin – snížení teploty spalin v tahu

Pro výpočty teplotního chování jsou důležité některé základní předpoklady. V praxi se nejčastěji užívá krbových vložek, které mají uvedenu teplotu na výstupu, od této teploty potom odečítáme rozdíl teplot ve spalinovém tahu, abychom zjistili teplotu odcházející do komína.

Pro účinnost kachlových kamen je nejdůležitější ochlazení spalin podél akumulačního tahu. Na základě námi zvoleného systému navrhneme dostatečnou délku tahu. Toto ochlazení se spočítá dle vztahu:

vzorec 18 (18) [°C]
 

kde je

t
– snížení teploty [°C];
LZ
– délka spalinového tahu [m];
LZmin
– minimální délka spalinového tahu [m].
 

3.8 Hydraulické výpočty

3.8.1 Výpočet statického tahu

Statický tah vychází z rozdílu hustot spalin a přiváděného vzduchu a spočítá se dle vztahu [4]:

vzorec 19 (19) [Pa]
 

kde je

pH
– statický tah [Pa];
g
– tíhové zrychlení = 9,81 m/s2;
H
– účinná výška (tahu) [m];
ρL
– hustota spalovacího vzduchu při výpočtové teplotě [kg/m3];
ρG
– hustota spalin při výpočtové teplotě [kg/m3].
 

3.8.2 Výpočet rychlosti proudění spalin

U kachlových kamen je důležité, aby byla rychlost proudění spalin relativně nízká. Požadavkem je, aby rychlost spalin v komíně a v tahu byla mezi 1,2 a 6 m/s.

vzorec 20 (20) [m/s]
 

kde je

v
– rychlost spalin v kouřovodu/tahu [m/s];
VG
– objemový průtok spalin [m3/s];
A
– plocha průřezu (tahu) [m2].
 

Z podmínky rychlosti jsme schopni navrhnout optimální průřez, potažmo rozměry tahu (např. DN 180 – viz Obr. č. 2).

3.8.3 Výpočet tlakové ztráty třením

Pro výpočet potřebujeme znát dynamický tlak, součinitel tření a hydraulický průměr akumulačního tahu. Tlaková ztráta třením je jednou z tlakových ztrát, které musí překonat komínový tah, proto je třeba dobře volit materiál a délku tahu.

Dynamický tlak:

vzorec 21 (21) [Pa]
 

kde je

pd
– dynamický tlak [Pa];
v
– rychlost proudění [m/s];
ρ
– hustota spalin při teplotě spalin [kg/m3].
 

Hydraulický průměr:

vzorec 22 (22) [m]
 

kde je

Dh
– hydraulický průměr kouřovodu/tahu [m];
A
– průtočný průřez (z rozměrů tahu) [m2];
U
– obvod průduchu (z rozměrů tahu) [m].
 

Součinitel tření:

vzorec 23 (23) [–]
 

kde je

λf
– součinitel tření v kouřovodu/tahu [–];
Dh
– hydraulický průměr [m];
kf
– drsnost povrchu [m] – viz Tab. č. 2.
 

Pro příklad jsou v Tab. č. 2 uvedeny nejběžnější materiály pro spalinový tah.

Tab. č. 2 Drsnost povrchu v závislosti na materiálu [4]
MateriálDrsnost kf [m]
Šamotové potrubí0,002
Šamotové desky0,003

Samotná tlaková ztráta třením se nyní spočítá z již známých parametrů dle vztahu:

vzorec 24 (24) [Pa]
 

kde je

pR
– tlaková ztráta třením [Pa];
Dh
– hydraulický průměr [m];
λ
– součinitel tření [–];
L
– délka úseku tahu, kouřovodu nebo komína [m];
pd
– dynamický tlak [Pa].
 

3.8.4 Výpočet tlakové ztráty vlivem změny směru

Největší tlakovou ztrátou v kachlových kamnech je ztráta vlivem změny směru neboli místními odpory. Vychází taktéž z dynamického tlaku a z koeficientů, které zohledňují jednotlivé změny směru po délce tahu (komínu).

vzorec 25 (25) [Pa]
 

kde je

pU
– tlaková ztráta vlivem změny směru (vřazené odpory) [Pa];
pd
– dynamický tlak [Pa];
ξ
– součinitel místní ztráty vlivem změny směru [–].
 

Nejpoužívanější hodnoty ξ jsou uvedeny v Tab. č. 3.

Tab. č. 3 Nejběžnější součinitelé místní ztráty vlivem změny směru [4]
Geometrický tvarSoučinitel místní ztráty ξ [–]
Úhel 10°0,1
Úhel 30°0,2
Úhel 45°0,4
Oblouk 60°0,7
Úhel 60°0,8
Úhel 90°1,2

V závislosti na požadované době akumulace je třeba zvolit vhodnou mocnost akumulačního materiálu – v případě kachlových kamen se jedná především o tloušťku stěny šamotového akumulačního tahu. Pro různé doby akumulace jsou empiricky zjištěné optimální tloušťky stěn uvedeny v Tab. č. 4. Teploty uváděné v Tab. č. 4. se vztahují vždy k řešené části tahu.

Tab. č. 4 Orientační tloušťky stěn pro různé druhy kamen dle doby akumulace [7]
Teplota [°C]0–200200–250250–300300–400> 400
Nominální vytápěcí doba 8 h – lehká kamna15 mm15 mm20 mm25 mm30 mm
Nominální vytápěcí doba 12 h – střední kamna15 mm20 mm25 mm30 mm40 mm
Nominální vytápěcí doba 16–24 h – těžká kamna25 mm30 mm30 mm40 mm50 mm
Pozn. Hodnoty v Tab. č. 4 platí pro vnější plášť cca 55 mm.

3.9 Kontrola správného návrhu

Díky výše uvedeným krokům jsme stanovili všechny parametry námi navržených kachlových kamen. V této fázi návrhu již víme, jaká jsou naše omezení, jsme schopni stanovit rozměry spalovací komory, tahu a na jejich základě dopočítat tepelné a hydraulické poměry v kamnech.

Abychom si ověřili, že je náš návrh správný, je třeba splnit 3 podmínky pro správnou funkci kachlových kamen.

3.9.1 Tlaková podmínka

Jedná se o nejdůležitější podmínku, neboť má přímý vliv na bezpečnost, protože při nedostatečném tahu může dojít k unikání spalin do místnosti. Tlaková podmínka stanoví, že celkové tlakové ztráty musí být nižší než komínový tah. Zároveň ale požaduje, aby komínový tah nebyl o mnoho vyšší než tlakové ztráty kamen, protože by se neúměrně zhoršila účinnost kamen.

Podmínka je dle normy ČSN EN 15544 [4] vyjádřena takto:

vzorec 26a (26)
 

vzorec 26b
 

kde je

ΣpR
– součet všech tlakových ztrát třením [Pa];
ΣpU
– součet všech tlakových ztrát v důsledku změny směru [Pa];
ΣpH
– součet všech statických tahů (včetně komínového) [Pa].
 

Při nesplnění této podmínky je třeba upravit geometrii nebo materiál tahu tak, aby se ztráty snížily či zvýšily na požadovanou úroveň. Jakmile víme, kolik odboček nám vytvoří přiměřenou tlakovou ztrátu, nastává chvíle, kdy přijde na řadu kamnářova zkušenost a schopnost seskládat tyto odbočky a správnou délku do tvaru, který je pro nás zajímavý (kamna s lavicí či ležením, atd.) – viz Obr. č. 3. a 4.

3.9.2 Podmínka pro rosný bod

Tato podmínka zajišťuje, že nebude docházet ke kondenzaci vodní páry ze spalin v komínovém tělese – kondenzace má nepříznivý vliv na životnost komínu.

vzorec 27a (27)
 

vzorec 27b
 

kde je

ti,2
– povrchová teplota stěny komínu v jeho ústí (na konci) [°C].
 

3.9.3 Účinnost spalovacího zařízení

Tato podmínka zajišťuje, že budou mít kachlová kamna požadovanou účinnost. V normě ČSN EN 15544 [4] je tento vztah chybně přeložen z evropského originálu a v konečném důsledku je tento vzorec nesmyslný. Zde uvedený vztah byl převzat z evropského originálu EN 15544 [8]:

Špatný vzorec dle ČSN EN 15544 [4]:

vzorec 28 (28) [%]
 

Správný vzorec dle EN 15544 [8]:

vzorec 29a (29) [%]
 

vzorec 29b
 

vzorec 29c [%]
 

kde je

tf
– teplota spalin v komínovém hrdle za kamny [°C] – vypočte se z rozdílu teplot za vložkou a ochlazením    v tahu tf = (tvložka − t).
 

Graf 1 Závislost účinnosti na teplotě spalin v komínovém hrdle
Graf 1 Závislost účinnosti na teplotě spalin v komínovém hrdle
Obr. č. 4 Vizualizace kachlových kamen a grafický návrh [6]
Obr. č. 4 Vizualizace kachlových kamen a grafický návrh [6]

Obr. č. 5 Posouzení výše popsaného výpočtu ve výpočtovém softwaru
Obr. č. 5 Posouzení výše popsaného výpočtu ve výpočtovém softwaru

Tato účinnost musí být vyšší než 78 % (Graf 1), což je hodnota požadovaná pro spalovací zařízení dle rakouských předpisů [9], ze kterých norma pro dimenzování akumulačních kamen vychází.

Pokud budou splněny všechny podmínky (jak hlavní 3 podmínky dle kapitoly 3.9, tak dílčí podmínky na minimální rozměry komory dle kapitoly 3.2 a rychlost proudění spalin dle kapitoly 3.8.2), mohou se kachlová kamna považovat za správně navržená a pravděpodobně i emise znečišťujících látek budou na nízké úrovni. V této fázi návrhu se můžeme zabývat pohledovým provedením kamen s ohledem na konstrukční a funkční požadavky – Obr. č. 4.

Pro zájemce z řad odborníků a hloubavějších laiků je možné vyzkoušet si návrh podle výše zmíněných pravidel za pomocí našeho pomocného výpočtového softwaru pro návrh a posouzení kachlových kamen, který bude veřejně dostupný na portálu TZB-info koncem roku 2014.

Ukázka výpočtu v našem výpočtovém softwaru viz Obr. č. 5.

4. Provozování kachlových kamen

Je třeba si uvědomit, že kachlová kamna pracují na principu akumulace tepla, odebraného spalinám do materiálu, který tvoří akumulační tah a veškerá hmota topidla. Jakmile dojde k dostatečnému naakumulování tepla do hmoty, veškeré další teplo obsažené ve spalinách již bez užitku odchází komínem pryč a zvyšuje komínovou ztrátu. Po dosažení tohoto stavu není příliš efektivní dále topit. Je možné podstatně snížit tepelný příkon, tj. množství přikládaného dřeva, ale nejvýhodnější je přestat přikládat, kamna dobře uzavřít a vytápět místnost naakumulovaným teplem [10].

Graf 2 Ilustrační srovnání průběhu tepelného výkonu kachlových kamen a krbových kamen
Graf 2 Ilustrační srovnání průběhu tepelného výkonu kachlových kamen a krbových kamen

Dobré uzavření kamen zejména externího přívodu vzduchu je důležité, protože vzduch přisávaný netěsnostmi do kamen odvádí teplo do komína. Těmto ztrátám samozřejmě nelze úplně zabránit, je však možné je minimalizovat [10].

Srovnání průběhu výkonu kachlových kamen a krbových kamen viz Graf 2. Srovnání je pouze ilustrační, pro přesné měření výkonu je třeba použít speciální místnost pro přímé stanovení výkonu předávaného do vzduchu (tzv. tepelnou místnost) [11].

 

5. Závěr

Z výše zmíněných výpočtů je patrné, že správný návrh a stavba kachlových kamen není snadná věc a je lepší ji přenechat odborníkům. Kachlová kamna mají spoustu výhod, ale také nevýhod. Mezi výhody patří především vysoká účinnost (nad 78 %) a relativně nízký vývin emisí ze spalování v porovnání se samostatnými krbovými vložkami (především TZL neboli prach). Vysoká účinnost je zde dána snížením komínové ztráty (ochlazení spalin) na nezbytné minimum za pomoci spalinového tahu z akumulačního materiálu. Dlouhé a zakřivené spalinové cesty působí také jako odlučovač tuhých znečišťujících látek (TZL neboli prach) na gravitačním principu, které se tak méně dostávají do ovzduší ve formě polétavého prachu.

Mezi nevýhody patří především prostorová náročnost, nemožnost dynamické regulace, hmotnost (velké nároky na únosnost podlahy) a v neposlední řadě vyšší cena tohoto systému vytápění.

Na závěr lze jen dodat, že kachlová kamna jsou nejen efektivní, ale je možné je pohledově a materiálově přizpůsobit jakémukoliv interiéru. Kachlová kamna vnášejí do domů a chalup nejen určitou dávku romantiky, ale také sálavou složku tepla, kterou některé dnešní stavby postrádají.

6. Poděkování

Tento článek vznikl za podpory MŠMT v rámci řešení projektu CZ.1.05/2.1.00/01.0036 Inovace pro efektivitu a životní prostředí, MPO v rámci řešení projektu FR-TI1/178 Krbová kamna se sníženou produkcí prachu, TAČR v rámci řešení projektu Centra kompetence TE01020036 a Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost a spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci řešení projektu Příležitost pro mladé výzkumníky, reg. č. CZ.1.07/2.3.00/30.0016 a v rámci řešení projektu SP2014/125 Měrné emise znečišťujících látek a provozní vlastnosti malých spalovacích zdrojů.

7. Literatura

  • [1] ŠIMÁČEK, A., ŠIMÁČEK, O., a kol. Příručka pro kamnáře II., Renome CZ s.r.o., Ostrava 2012, ISBN 978-80-260-2331-9
  • [2] ČSN 73 4231:2013 – Kamna – Individuálně stavěná kamna
  • [3] ČSN EN 12831:2005 – Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu
  • [4] ČSN EN 15544:2013 – Individuálně stavěná kachlová kamna / omítnutá kamna – Dimenzování
  • [5] ČSN EN 13384-1:2003 – Komíny – tepelně technické a hydraulické výpočtové metody – Část 1: Samostatné komíny
  • [6] Materiály firmy RENOME CZ s.r.o.
  • [7] ŠIMÁČEK, A., ŠIMÁČEK, O., a kol. Příručka pro kamnáře, Renome CZ s.r.o., Ostrava 2008, ISBN 978-80-254-1971-7
  • [8] EN 15544:2010 – One off Kachelgrundöfen/Putzgrundöfen (tiled/mortared stoves) – Dimensioning
  • [9] HORÁK, J., MARTINÍK, L., KRPEC, K., KUBESA, P., DVOŘÁK, J., HOPAN, F., JANKOVSKÁ, Z., DRASTICHOVÁ, V. Jaké parametry musí splnit kamna, krbové vložky a sporáky? Legislativa v ČR a Evropě In: TZB-info [online], publikováno 3. 6. 2013 [cit. 25. 2. 2013], dostupné z:
    http://vytapeni.tzb-info.cz/vytapime-tuhymi-palivy/9983-jake-parametry-musi-splnit-kamna-krbove-vlozky-a-sporaky-legislativa-v-cr-a-evrope
  • [10] NOSKIEVIČ, P., VANĚK, S., Vlastnosti kachlových kamen. In: TZB-info [online], publikováno 4. 12. 2002 [cit. 25. 2. 2013], dostupné z: http://www.tzb-info.cz/1269-vlastnosti-kachlovych-kamen
  • [11] KUBESA, P., HORÁK, J., HOPAN, F., KRPEC, K., MARTINÍK, L., Metodický přístup k testování krbových kamen v ČR a v zahraničí – 2. část. In: TZB-info [online], publikováno 13. 1. 2014 [cit. 25. 2. 2013], dostupné z:
    http://vytapeni.tzb-info.cz/kotle-kamna-krby/10767-metodicky-pristup-k-testovani-krbovych-kamen-v-cr-a-v-zahranici-2-cast
  • [12] JANDAČKA, J., SMATANOVÁ, H., HOLUBČÍK, M.: Technológie pre krby a krbové kachle, vydavateľstvo a tlač Juraj Štefuň – GEORG, ISBN 978-80-89401-22-2
  • [13] JANDAČKA, J., PAPUČÍK, Š., NOSEK, R., HOLUBČÍK, M., KAPJOR, A.: Environmentálne a energetické aspekty spaľovania biomasy, GEORG Žilina, 2011, ISBN 978-80-89401-40-6
 
Komentář recenzenta
Břetislav Holešínský, předseda technické komise Cechu kamnářů ČR

Prostřednictvím odborného portálu TZB-info se na veřejnost dostává článek „Zásady navrhování kachlových kamen“, který se zabývá velmi aktuální problematikou, a to nahlížením na kachlová kamna jako na ekologické plnohodnotné topidlo s vysokou účinností. Kolektiv autorů ve svém odborném článku dokládá celou řadu výpočtů vycházejících z aktuální normy, díky nimž kamnáři staví skutečně ekologická kachlová kamna.

Obliba kachlových kamen stoupá. Těžko říci, zda je příčinou vysoká cena energií, touhamít doma ekologický zdroj vytápění nebo možná obojí. Povědomí uživatelů se však velmi liší v tom, jak mají být kachlová kamna správně navržena a provozována. Dokládá to mimo jiné fakt, že se mezi laiky velice často pletou pojmy i znalosti toho, co lze od kterého typu kamen očekávat. Článek napsaný odborníky z Výzkumného energetického centra při Vysoké škole báňské v Ostravě otevřel téma odhalující teoretické i praktické zásady pro správné navrhování kamen. Pokud tento článek nezůstane osamocen, je možné postupně vyrovnat dluh, který u nás v ČR vůči kachlovým kamnům máme. Nejde o to sdělovat laické veřejnosti, jak postupovat při amatérské stavbě. Amatérské pokusy nejsou výjimkou a jako kamnáři můžeme dlouze vyprávět o tom, s jakými výtvory se lze setkat. A tím nemyslím design kamen, ten nechme stranou. Mám na mysli výtvory z hlediska funkce a bezpečnosti. Na toto téma by mohli volně navázat soudní znalci z oboru, avšak mnohem smutnějšími historkami. Nakonec vzhledem ke schválení zákona č. 406 budou již od 1. 1. 2015 ležet veškeré neodborné stavby mimo zákon. Článek o zásadách navrhování kamen je tak určitou potřebnou osvětou, aby se v naší společnosti přestala kachlová kamna vnímat jako zdroj tepla pro příležitostné topení v chalupách, nýbrž jako plnohodnotné, ekologické topidlo, jehož konstrukce je dnes již postavena na zcela vědeckých základech a které je vhodné i do moderních nízkoenergetických domů.

Obsah článku i samotný výpočetní program, kterým se autoři podrobně zabývali, je postaven na teorii dimenzování kachlových kamen zahrnuté v evropské normě EN 15544:2009, u nás pod označením ČSN EN 15544. Je potřeba zdůraznit, že tato norma vznikla pod tlakem ekologických požadavků. Stoupající tlak na snižování škodlivých emisí vedl pracovníky Rakouského svazu kachlových kamen k tomu, že se pustili do náročného díla – sestrojení výpočtu (na základě všeobecně známých teorií termodynamiky a proudění), který bude možné za dodržení určitých pravidel pro vlastní stavbu použít v široké kamnářské praxi. Je možné si všimnout řady konstant a empirií použitých v algoritmech výpočtu. Ty mohly vzniknout pouze díky náročným a obsáhlým praktickým zkouškám a měřením. Konečným produktem je vlastní evropská norma, kterou vypracovalatechnická komise CEN/TC 295 „Domácí spotřebiče na pevná paliva“. V loňském roce tuto normu přijala i Česká republika. Výpočetních programů na dimenzování kachlových kamen existuje několik. Všechny však vycházejí ze stejného základu a liší se pouze propracovaností. Ze stejného zdroje rovněž vycházejí autoři zmíněného odborného článku, v němž objasňují postup vedoucí k nadimenzování výkonu topeniště, stanovení přikládací dávky dřeva, optimální délky akumulačních tahů, doby akumulace a ověření účinnosti kamen. V článku jsou objasněny důležité souvislosti. Za potřebné bych však považoval více zdůraznit skutečnost, že ověřování výpočtem začíná na vstupu externího přívodu spalovacího vzduchu, pokračuje přes vlastní jádro kamen a končí v místě, kde spaliny opustí komín. V celém systému kontrolujeme změny teploty spalin a tlaků. Proto norma ČSN EN 1554 obsahuje i poznámku, že součástí výpočtu je i výpočet povrchové teploty v ústí komína dle normy ČSN EN 13384-1. Toto zdůrazňuji jenom pro jistotu správného pochopení podstaty ze strany čtenáře.

Ekologické požadavky v roce 2015 a 2018 budou dále stoupat. S tím kamnáři počítají. Rakouským svazem kachlových kamen bylo vyvinuto biotopeniště nové generace pojmenované UMWELT PLUS. Toto topeniště je schopno zajistit, že kachlová kamna budou emisním požadavkům i nadále vyhovovat a lze se těšit z toho, že i nadále budou existovat kachlová kamna individuálně navrhovaná. Je to dobrá zpráva pro řemeslo i pro zákazníky, kteří si budou chtít pořídit kachlová kamna dokonale funkční, která postavil, ale i zkonstruoval kamnář. Kamna, jejichž jádro není tvořeno průmyslově vyrobenými dílci (i když i tento způsob stavby kachlových kamen je pochopitelně zcela legitimní).

Ze strany nás kamnářů patří tvůrcům článku „Zásady navrhování kachlových kamen“ poděkování a uznání. Oceňujeme jeho význam pro šíření správného a objektivního názoru na kachlová kamna jako na moderní ekologické topidlo. Nezbývá než těšit se na to, že Výzkumné energetické centrum při VŠB v Ostravě bude i v budoucnu problematice teorie kachlových kamen věnovat pozornost i při praktických ověřovacích měřeních.

English Synopsis
Principles of storage tile stove designing

In newly constructed and renovated buildings more often dynamically controllable sources of heat are used. In the recreational buildings dominate cookers and ovens with a combined fan and storage function. It is mainly caused by changes in the energy requirements of buildings, which decreases every year and the market is focused primarily on this type of stoves. But tiled stoves have still a lot to offer - design and use value. Properly designed tiled stoves are suitable also for the low-energy houses and can serve as a primary heat source for heating the house and their efficiency is very high. This article tries to clarify some concepts and principles of proper design of tiled stoves.

 

Hodnotit:  

Datum: 12.5.2014
Autor: Ing. Lubomír Martiník   všechny články autoraIng. Jiří Horák, Ph.D., VŠB, TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum   všechny články autoraIng. Antonín Šimáček   všechny články autoraIng. Kamil Krpec, Ph.D., VŠB, TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum   všechny články autoraIng. Petr Kubesa, VŠB, TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum   všechny články autoraIng. František Hopan, Ph.D., VŠB, TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum   všechny články autoraIng. Vendula Drastichová   všechny články autoraIng. Jan Koloničný, Ph.D., VŠB, TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum   všechny články autoradoc. Dr. Ing. Tadeáš Ochodek, VŠB, TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum   všechny články autoraRecenzent: Břetislav Holešínský, předseda technické komise Cechu kamnářů ČR



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (4 příspěvky, poslední 07.08.2014 07:54)

Mohlo by vás také zajímat

O spalování tuhých paliv v lokálních topeništích (1) - aneb palivo, tvorba znečišťujících látek a spalování jako vztah muže a ženy. 21.5.2012
O spalování tuhých paliv v lokálních topeništích (2) - aneb palivo, tvorba znečišťujících látek a spalování jako vztah muže a ženy. 28.5.2012


Emise prachu z malých spalovacích zařízení na tuhá paliva a metody jejich stanovení - Dust emission from small-scale combustion sources burning solid fuels and methods for dust emission determination 4.2.2013

Proč sušit dřevo a učit lidi topit? - Vliv vlhkosti dřeva a obsluhy na emise znečišťujících látek 10.3.2014

Kam dál


Projekty 2016

Související rubriky

Reklama






Tipy pro topenáře

Partneři oboru

logo DANFOSS
logo THERMONA
logo FV PLAST
logo GEMINOX logo ENBRA

E-mailový zpravodaj

WebArchiv - stránky archivovány národní knihovnou ČR

Spolupracujeme

logo Asociace odborných velkoobchodů

Nejnovější články

 
 
 

Aktuální články na ESTAV.czLéto se blíží a ještě nemáte vybranou dlažbu na vaši terasu?Užívejte si větší bezpečí u vašeho bazénuNa 300 projektů se letos utká o Ekologického oskara, své nápady můžete přihlásit i vy