Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Ověření funkce a vlivu regulace teploty vratné vody u kotle na tuhá paliva v zapojení s akumulační nádobou

Ing. Jiří Horák, Ph.D., Ing. Lubomír Martiník, Ing. Kamil Krpec, Ph.D., Ing. František Hopan, Ph.D., Ing. Petr Kubesa, Ing. Vendula Laciok, Ph.D.

Časopis Vytápění, větrání, instalace

Recenzovaný

Příspěvek se zabývá ověřením funkce Laddomatu 21 (zajišťuje směšování přívodní otopné vody s vratnou vodou), ověřením doby potřebné k ohřevu akumulační nádoby v případě použití různých termostatických patron u Laddomatu (nastaveními požadované teploty) a vlivem použití tohoto systému na emise znečišťujících látek ve spalinách.

Úvod

V ČR a v Evropě je patrný stále větší tlak na snižování emisí znečišťujících látek ze spalování tuhých paliv [1, 2, 3]. Spalovací zařízení, která jsou provozována dlouhodobě na jmenovitý výkon (bez častého přechodu do útlumu či vyhasnutí), produkují méně znečišťujících látek ve spalinách než zařízení, která jsou provozována na snížený výkon, případně provozována s uzavřenými přívody spalovacího vzduchu [4]. Pro zajištění co možná nejdelší periody provozu při jmenovitém výkonu se jako výhodná alternativa nabízí použití akumulační nádoby. Použití akumulační nádoby však může za určitých podmínek navýšit problémy se značným ochlazováním teplosměnné plochy výměníku kotle.

Aby bylo zabráněno dehtování a potažmo nízkoteplotní korozi, je třeba použít některá z řešení pro dohřev vratné vody proudící do kotle [5]. Častým řešením je dnes použití termostatického směšovacího ventilu instalovaného na vratné potrubí ke kotli.

Laddomat 21 (dále Laddomat) v sobě spojuje výhody termostatického směšovacího ventilu a oběhového čerpadla, které je jeho součástí. Jde o zařízení, které má za úkol [6]:

zajistit, aby kotel po zátopu rychle dosáhl provozní teploty,
nabíjet akumulační nádoby na vysokou teplotu s nízkou rychlostí proudění k dosažení optimálního rozvrstvení teplot v nádobě,
po ukončení topení převést zbývající teplo z kotle do akumulační nádoby (samotížný oběh),
při přerušení dodávky elektrického proudu a zastavení oběhového čerpadla částečně odvést přebytečné teplo přes zpětnou klapku ve spodní části Laddomatu z kotle do akumulační nádoby nebo otopné soustavy s využitím samotížného oběhu vody – viz obr. 1.

Díky rychlému dosažení provozní teploty kotlové vody je omezen vznik kondenzace vlhkosti obsažené ve spalinách na vodním výměníku kotle, čímž je omezeno množství vznikajícího dehtu a s ním spojené nízkoteplotní koroze. V případě provozu kotle v soustavě s akumulační nádobou je třeba dobře regulovat systém za účelem optimálního nahřívání akumulační nádoby. Laddomat může mít kromě své primární funkce také vliv na dobu nahřívání akumulační nádoby (dále také AKU). Na zkušebně Výzkumného energetického centra VŠB – TU Ostrava bylo proto testováno zapojení kotle s Laddomatem a akumulační nádobou s cílem zjištění vlivu zapojení na emise znečišťujících látek ve spalinách a vlivu na dobu nahřívání AKU.

Obr. 1 Laddomat 21 a jednotlivé fáze jeho funkce [6]
Fig. 1 Laddomat 21 and its individual function phases [6]

Ověření funkce Laddomatu a doby nabíjení akumulační nádoby

Testovaná sestava

Schéma zapojení kotle s akumulační nádobou a Laddomatem je na obr. 2. Pro zkoušky byla použita jednoduchá akumulační nádoba o objemu 1 000 litrů bez výměníků (hydraulicky propojená s otopnou soustavou) a pyrolytický (zplyňovací) kotel s elektronickou a termostatickou verzí regulace (kotel o jmenovitém výkonu 30 kW pro spalování kusového dřeva s nuceným odtahem spalin). Elektronická regulace řídí otáčky spalinového ventilátoru na základě požadované teploty otopné vody, zatímco termostatická regulace pouze otevírá a přivírá přívod spalovacího vzduchu.

V rámci experimentu byly měřeny teploty v akumulační nádobě ve dvou výškách: na úrovni vstupu vody do akumulační nádoby – 0,35 m od horního povrchu nádoby (T AKU 1 – viz obr. 2) a 1,52 m od horního povrchu nádoby (T AKU 2 – viz obr. 2). Taktéž byla měřena teplota na výstupu z nádoby (T AKU 3 – 1,83 m od horního povrchu nádoby). Dále byly sledovány teploty vstupní a výstupní vody z kotle. Měření bylo prováděno s různými termostatickými patronami (patrona svým působením ovlivňuje otevírání a přivírání směšovacího ventilu příslušně definiční teplotě patrony a nepřímo tak řídí teplotu na vstupu do kotle) v Laddomatu a bez něj. Byly měřeny také teploty v kotli. Začátek nabíjení akumulační nádoby byl stanoven při zapálení paliva v kotli a konec nabíjení byl dán dohodnutou cílovou teplotou výstupní vody z nádoby (T AKU 3 – viz obr. 2), která byla stanovena na 70 °C.

Systém byl pro potřeby experiemntů doplněn odběrem tepla pro simulaci uživatelského vybíjení akumulační nádoby do otopné soustavy. Odběr tepla byl provozován v režimech 6 a 7.

Obr. 2 Schéma zapojení kotle a akumulační nádoby s Laddomatem a měřicí místa teplot
Fig. 2 Wiring diagram of the boiler and the thermal storage tank with Laddomat, temperature measurement points

Průtokoměr je umístěn mezi akumulační nádobou a Laddomatem, aby bylo možné kvantifikovat vliv Laddomatu na průtok vody v soustavě. Průtok vody kotlem je ve všech fázích měření obdobný, ale než došlo k dostatečnému nahřátí kotlového okruhu, tak byl Laddomat uzavřen a otopná voda netekla do soustavy. Jakmile se v kotlovém okruhu nahřála voda, došlo k postupnému otevírání ventilu a do okruhu kotle se přimíchávala voda ze soustavy. Teprve po dostatečném nahřátí celého okruhu kotle byl Laddomat naplno otevřen a průtok kotlem byl stejný jako akumulační nádobou (tzv. závěrečná fáze funkce Laddomatu) – postupné zvyšování průtoku v závislosti na teplotách v soustavě je patrno z obr. 3. V případě absence Laddomatu byl průtok stabilní po celou dobu – viz obr. 4.

Pro spalovací zkoušky bylo postupně použito měkké dřevo (smrk), tvrdé dřevo a směs odpadního dřeva (odřezky z pily – desky, hranoly).

Obr. 3 Průběh průtoku vody akumulační nádobou v závislosti na teplotě na výstupu z akumulační nádoby (T AKU 3) v režimu 3 – s Laddomatem s patronou na 83 °C
Fig. 3 Course of the water flow through the thermal storage tank in dependence on the temperature at the outlet of the storage tank (T AKU 3) in the mode 3 – with the Laddomat with the cartridge on 83 °C

Obr. 4 Průběh průtoku vody akumulační nádobou v režimu 5 – bez Laddomatu 21
Fig. 4 Course of the water flow through the thermal storage tank in the mode 5 – without Laddomat 21

Testovací režimy

Při návrhu testovacích režimů se vycházelo z požadavků výrobců kotlů a předpokládaných uživatelských nastavení. Laddomat je opatřen výměnnými termostatickými patronami pro nastavení rozdílných požadovaných teplot (72 a 78 °C, volitelně také 83 a 87 °C) [5]. Pro ověření byly použity patrony pro 72 a 83 °C v porovnání s variantou bez Laddomatu.

Režimy 1–4 byly s Laddomatem s různými patronami – viz tab. 1.

Režimy 5–7 probíhaly bez Laddomatu. Aby bylo možné tyto režimy srovnat, byl průtok vody kotlem (a akumulační nádobou) nastaven na 1,1 m³/h, což odpovídá přibližně průtoku vody plně otevřeným Laddomatem – viz tab. 2.

Výsledky měření

Nastavení a výsledky jednotlivých režimů měření jsou uvedeny v tab. 1 a 2.

Tab. 1 Porovnání doby nabíjení akumulační nádoby a emisí znečišťujících látek ve spalinách s Laddomatem 21 (72 °C, 83 °C)
Tab. 1 Comparison of the charging time of the thermal storage tank and emissions of the pollutants in the flue gas with Laddomat 21 (72 °C, 83 °C)
číslo režimu			1	2	3	4
čas počátku měření		h:min	9:35	10:38	9:47	10:15
čas konce měření		h:min	11:40	12:58	12:20	14:46
palivo			tvrdé dřevo	odpad. dřevo	smrk	smrk
měřený výkon kotle		kW	26,9	25,0	22,2	11,5
teplota spalin		°C	186	173	172	120
koncentrace O₂ v suchých spalinách		%_obj.	13,0	18,5	13,2	14,3
přebytek vzduchu		–	2,6	8,4	2,7	3,1
koncentrace plynných emisí v suchých spalinách při referenčním kyslíku 10 %	CO	mg/m³N	4 607	–	4 817	18 551
	NO_X	mg/m³N	249	–	175	117
	TOC	mg/m³N	442	–	371	5 716
	TZL	mg/m³N	–	–	74	241
	CO₂	g/m³N	209	–	198	195
doba nabíjení akumulační nádoby		h	2,08	2,33	2,55	4,52
regulace			elektronická	elektronická	elektronická	termostatická
Laddomat 21			ano	ano	ano	ano
patrona Laddomatu 21		°C	72	72	83	83
Pozn.: Výsledná koncentrace emisí NO_X je přepočtena na NO₂; (–) s ohledem na technické problémy nebyly tyto hodnoty stanoveny

Tab. 2 Porovnání doby nabíjení akumulační nádoby a emisí znečišťujících látek ve spalinách bez Laddomatu 21
Tab. 2 Comparison of the charging time of the thermal storage tank and the emissions of the pollutants in the combustion products without Laddomat 21
číslo režimu			5	6	7
čas počátku měření		h:min	10:02	9:31	9:51
čas konce měření		h:min	12:07	11:19	11:41
palivo			smrk	smrk	smrk
měřený výkon kotle		kW	25,3	26,9	27,3
teplota spalin		°C	181	193	196
koncentrace O₂ v suchých spalinách		%_obj.	12,8	12,0	11,7
přebytek vzduchu		–	2,5	2,3	2,2
koncentrace plynných emisí v suchých spalinách při referenčním kyslíku 10 %	CO	mg/m³N	5 536	2 581	4 751
	NO_X	mg/m³N	171	189	170
	TOC	mg/m³N	444	125	469
	TZL	mg/m³N	85	136	94
	CO₂	g/m³N	197	200	199
doba nabíjení akumulační nádoby		h	2,08	1,80	1,83
regulace			elektronická	elektronická	elektronická
Laddomat 21			ne	ne	ne
patrona Laddomatu 21		°C	–	–	–
Pozn.: Výsledná koncentrace emisí NO_X je přepočtena na NO₂

V grafech na obr. 5 a 6 je patrný rozdíl v průběhu tepelného výkonu a teploty vstupní a výstupní vody v závislosti na použití Laddomatu – režim 3 a režim 5. Průběhy teploty spalin a koncentrace O₂ jsou v obou režimech srovnatelné. Žlutá čárkovaná čára znázorňuje čas, ve kterém došlo k nahřátí akumulační nádoby.

Z výsledků je také patrné, že v kotli neprobíhalo spalování optimálně. Za to je zodpovědná především volba termostatické patrony a nevhodně nastavená regulace. Při vhodně nastavené regulaci a vhodně zvolené termostatické patroně Laddomatu může kotel dosahovat daleko lepších výsledků koncentrace plynných emisí.

Obr. 5 Průběh tepelného výkonu, teplot vstupní a výstupní vody, teploty spalin a koncentrace O₂ a TZL (prachu) v režimu 3 – s Laddomatem 21
Fig. 5 Course of the thermal power, outlet and inlet water temperature, flue gas temperature and the O₂ and TSP (dust) concentrations in the mode 3 – with Laddomat 21

Obr. 6 Průběh tepelného výkonu, teplot vstupní a výstupní vody, teploty spalin a koncentrace O₂ a TZL (prachu) v režimu 5 – bez Laddomatu 21
Fig. 6 Course of the thermal power, outlet and inlet water temperature, flue gas temperature and the O₂ and TSP (dust) concentrations in the mode 5 – without Laddomat 21

Závěr

Z výsledků měření lze vyvodit následující závěry:

Laddomat s postupným otevíráním uvolňuje výkon v otopné vodě do soustavy a kotel je s nízkou teplotou vratné vody provozován jen po minimální dobu, což omezuje problémy s dehtováním.
Rozdíl mezi koncentracemi emisí znečišťujících látek při použití Laddomatu a bez něj byl v rámci uskutečněných experimentů (mimo režim 4) zanedbatelný.
Při použití Laddomatu trvalo nabití akumulační nádoby cca o 0,6 h déle než bez něj. Nejdelší dobu nabíjení akumulační nádoby vykazoval kotel s termostatickou regulací s Laddomatem (termostatická patrona 83 °C) – 4,52 h. Jednoduchá termostatická regulace kotle chybně vyhodnotila, že soustava je již „natopena“, a začala omezovat přívod spalovacího vzduchu. Lze říci, že tato kombinace není vhodná. Zlepšení provozu kotle s termostatickou regulací by mohlo nastat v případě použití 72 °C termostatické patrony v Laddomatu.
Nejhoršího výsledku z pohledu emisí znečišťujících látek bylo dosaženo při režimu 4, kdy CO (oxid uhelnatý) byl výrazně vyšší než v ostatních režimech, TOC (celkový organický uhlík) byl mnohonásobně vyšší a TZL (tuhé znečišťující látky – prach) až cca 3× vyšší než v ostatních režimech. Jednalo se o pouhou termostatickou verzi regulace, a to ukazuje, že největší vliv na emise znečišťujících látek měla regulace kotle v kombinaci s nevhodně zvolenou termostatickou patronou v Laddomatu. Elektronická regulace umožňuje lepší řízení přívodu spalovacího vzduchu a dokáže si poradit i v této situaci.
Je třeba dbát na komplexní posouzení celé otopné soustavy, protože nevhodný návrh teploty termostatické patrony vzhledem k výkonu kotle, velikosti nádrže a průměru potrubí v kotlovém okruhu mohou negativně ovlivnit kvalitu spalování a dobu nabíjení akumulační nádrže.
Samostatnou otázkou je kvalita obsluhy spalovacího zařízení [7]. Mimo používání kvalitního paliva je nutné, aby obsluha měla relevantní informaci o stavu nabití akumulační nádoby, podle které by věděla, kdy má přestat topit (přikládat). Sebelepší regulace si neporadí se situací, kdy 1) otopná soustava vyžaduje jen minimální výkon, 2) akumulační nádoba má naakumulováno – „je nabita“ a 3) kotel je plný nespáleného paliva. Systém začne minimalizovat přívod spalovacího vzduchu, což je provázeno dehtováním, zhoršenou kvalitou spalování a vyšší produkcí emisí znečišťujících látek.

Poděkování

Tento článek vznikl v rámci řešení projektu „INEF-G“ (NPUI), „Příležitost pro mladé výzkumníky“ (OPVK) – CZ.1.07/2.3.00/30.0016, „Měrné emise znečišťujících látek a provozní vlastnosti malých spalovacích zdrojů“ SP2014/125.

Použité zdroje

Zákon č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší v aktuálním znění. Dostupné z:
http://www.tzb-info.cz/pravni-predpisy/zakon-c-201-2012-sb-o-ochrane-ovzdusi
Vereinbarung gemäß Art. 15a B-VG über das Inverkehrbringen von Kleinfeuerungen und die Überprüfung von Feuerungsanlagenund Blockheizkraftwerken. 2011.
1. BImSchV. Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen). 2010.
HORÁK, J., VOLNÁ, Z., TRAGAN, T., KRPEC, K. Hodnocení kvality spalování uhlí a dřevěných pelet v kotli Ling 25. In Sborník konference Spalování a Životní prostředí. Ostrava: 2001, s. 134–138, ISBN 80-7078-906-9.
BAŠTA, J. Nízkoteplotní koroze kotle. In: TZB-info [online]. 6. 11. 2001. Dostupné z:
http://www.tzb-info.cz/719-nizkoteplotni-koroze-kotle
Návod k obsluze Laddomat 21 Laddningspaket. Jaroslav Cankař a syn ATMOS, 2014. Dostupné z:
http://www.atmos.eu/czech/files/instalace-kotlu/Laddomat%2021_CZ_pdf
HORÁK, J., KUBESA, P., HOPAN, F., KRPEC, K. Co nejvíce ovlivní Tvůj kouř? In: TZB-info [online]. 14. 1. 2013. Dostupné z:
http://vytapeni.tzb-info.cz/zdroje-tepla/9475-co-nejvice-ovlivni-tvuj-kour

English Synopsis

Verification of Function and Effect of Return Water Temperature Control on a Solid Fuel Boiler in Connection with a Thermal Storage Tank

This article deals with verification of function of Laddomat 21 (which mixes supply heating water with return water), verification of the time needed to heat up the thermal storage tank when using Laddomat with different thermostatic cartridges (required temperature settings) and effect of using this system on the pollutants emission in the flue gas.