Účinnost plynových kotlů při cyklování

Datum: 3.2.2014  |  Autor: Ing. Vladimír Valenta  |  Recenzent: Ing. Ladislav Tintěra

V příspěvku je uvedeno odvození výpočtových vztahů pro stanovení skutečné provozní účinnosti plynových nástěnných kotlů s jednostupňovým atmosférickým hořákem pro případy, kdy i jejich nejnižší nastavitelné tepelné výkony jsou několikanásobně vyšší, než potřebný jmenovitý tepelný výkon pro vytápění. Potom při provozu kotlů dochází k jejich cyklování, a tím i ke snížení provozní účinnosti.

Úvod

Provozovatelé starších plynových nástěnných kotlů s jednostupňovým atmosférickým hořákem, často stojí před rozhodnutím, zda nepořídit kotel nový. Důvodem bývá obava z ukončení životnosti kotle a také z jeho klesající účinnosti oproti účinnostem moderních typů kotlů.

Když starší kotle slouží pro vytápění bytu s malou výpočtovou tepelnou ztrátou, např. 4 kW, a jejich výkony pro vytápění lze nastavit na nejnižší hodnoty 6, 10 nebo 12 kW, musí uvedené typy kotlů pracovat se střídavým provozem zapnuto-vypnuto, čili s tzv. cyklováním. Kotle mají jmenovité tepelné výkony většinou 12, 18 nebo 24 kW. Pro přípravu teplé vody vestavěným průtokovým ohřívačem se hodí pouze kotle se jmenovitými tepelnými výkony 18 nebo 24 kW.

Instalací nových kotlů s plynovým hořákem s předsměšováním, který umožňuje provoz se spojitě proměnným výkonem, by cyklování buď plně odpadlo, nebo by se počet cyklů značně snížil.

Druhy tepelných ztrát plynových kotlů bez ztráty spalinami

Uvedené starší typy kotlů mají z hlediska bezpečnosti provozu konstrukčně omezen počet zapnutí a vypnutí hořáku během 1 hodiny v rozsahu 15 až 25 zapnutí. Přisuzuje se, že při cyklování se opotřebovávají pohyblivé části hořáku a tím se snižuje životnost kotle. Z informací získaných od pracovníků servisů kotlů ale vyplývá, že se u kotlů předních výrobců toto neděje.

Obecně platí, že při každém startu kotle se jednak zhoršuje jeho účinnost, jednak se vytvářejí nežádoucí emise oxidu uhelnatého CO. Proto se má počet startů kotle omezovat, zejména těch zbytečných. Snížení počtu startů kotle lze dosáhnout mj. nastavením větší spínací diference na prostorovém termostatu, kterým je řízen kotel.

Při cyklování kotlů během provozu dochází ke dvěma ztrátám energií, které snižují jejich účinnosti. Prvá ztráta se děje tím, že při startu kotle dojde během 1 až 2 s k úniku nezapálené části plynu. Po provedení výpočtů zjistíme, že snížení účinnosti kotle bude velice malé, přibližně 1 %. Druhá ztráta je způsobována vychlazováním kotle po jeho vypnutí, tj. při jeho klidu, a to prouděním vzduchu vlivem komínového tahu. Pokud kotel není vybaven spalinovou klapkou, je tato ztráta, resp. snížení účinnosti kotle, již znatelná. Postup stanovení snížení účinnosti z důvodů této ztráty je uveden v následující části.

Odvození výpočtových vztahů pro stanovení účinnosti

Obr. 1 – Schéma kotle pro tepelnou bilanci
Obr. 1 – Schéma kotle pro tepelnou bilanci

Během delšího časového intervalu několika hodin v ustáleném teplotním stavu do plynového kotle vstupují a z kotle vystupují následující energie [kWh] (obr. 1):

 

– vstupní:

Eg
– energie v palivu daná spalným teplem či výhřevností plynu,
Ev
– teplo v přiváděném spalovacím vzduchu; pokud je teplota přiváděného vzduchu blízká teplotě referenční    20 °C, lze toto teplo zanedbat,
 

Obr. 2 – Průběh běhu kotle
Obr. 2 – Průběh běhu kotle

– výstupní:

Ea
– užitečné teplo vstupující do tepelné soustavy,
Es
– ztráta tepla spalinami,
Ez
– ztráta tepla vychlazováním kotle při jeho klidu    prouděním vzduchu vlivem komínového tahu.
 

Bilance tepelných výkonů kotle během periody provozu (obr. 2), kdy se střídá běh s klidem kotle, je

 
Qp . (τb + τo) = Qa . τb, (1)
 

kde je

Qp
– skutečný průměrný tepelný výkon dodávaný kotlem do soustavy během periody [kW]
Qa
– nastavený tepelný výkon kotle pro vytápění [kW]
τb
– doba běhu kotle během periody [h]
τo
– doba klidu kotle během periody [h].
 

Ze vztahu (1) lze odvodit vztah pro poměrný skutečný průměrný tepelný výkon kotle [–]

qp = Qp / Qa = τb / (τb + τo). (2)
 

Ze vztahu (2) lze odvodit vztah pro poměr dob běhu a klidu kotle [h]

τb / τo = qp / (1 − qp). (3)
 

Účinnost kotle [–] při výkonu Qa je dána vztahem

ηa = Qa / (Qa + Qs), (4)
 

kde je

Qs
– tepelná ztráta kotle ve spalinách při výkonu Qa [kW].
 

Teplo [kWh] vystupující z kotle během určité periody bez vypínání běhu kotle je

E2 = Qa . τb + Qs . τb. (5)
 

Teplo [kWh] vystupující z kotle během stejné periody s vypínáním běhu kotle je

E2vyp = Qa . τb + Qs . τb + za . Qa . τo, (6)
 

kde je

za
– činitel ztrát kotle při jeho klidu = Qz / Qa [–]
Qz
– tepelná ztráta kotle při jeho klidu daná vychlazováním kotle prouděním vzduchu komínovým tahem    [kW].
 

Protože teplo dané vztahem (5) se vyrábí bez vypínání kotle s účinností ηa a teplo dané vztahem (6) se vyrábí s vypínáním kotle s provozní účinností ηs [–], lze napsat vztah, že

ηs / ηa = E2 / E2vyp. (7)
 

Po dosazení vztahů (3, 4, 5 a 6) a po úpravě obdržíme hledaný vztah pro provozní účinnost při vypínání kotle ηs [–]

ηs = ηa / [1 + za . ηa . (1 − qp) / qp]. (8)
 

Hodnotu činitele ztrát kotle při jeho klidu za je nutno vyžádat přímo od výrobce kotle, neboť v podkladech není běžně uváděna.

Příklad 1

Zadání

Plynový kombinovaný nástěnný kotel o jmenovitém tepelném výkonu Qn = 24 kW je určen pro vytápění bytu a pro přípravu teplé vody vestavěným průtokovým ohřívačem. Kotel má jednostupňový atmosférický hořák. Výkon kotle pro vytápění lze seřídit na minimální hodnotu Qmin = Qa = 12 kW, kdy je účinnost ηa = 0,88, přičemž činitel ztrát kotle při jeho klidu je za = 0,02.

Výpočtová tepelná ztráta bytu je Qdn = 4 kW, průměrná tepelná ztráta potom Qd = 2 kW. Máme určit provozní účinnost kotle při dodávce výkonu odpovídající průměrné tepelné ztrátě bytu.

Řešení

Protože je podle (2) poměrný skutečný tepelný výkon kotle

qp = 2 / 12 = 0,17,
 

bude provozní účinnost kotle dána vztahem (8), kdy

ηs = 0,88 / [1 + 0,02 . 0,88 . (1 − 0,17) / 0,17] = 0,81.
 

Komentář

Pokles účinnosti z hodnoty ηa = 0,88 na hodnotu ηs = 0,81 je již značný. Představuje poměrné zvýšení spotřeby plynu na 0,88 / 0,81 = 1,09násobek, tj. o 9 %. Pokud by činitel ztrát kotle při jeho klidu byl dvojnásobný, tj. za = 0,04, lze vypočítat, že provozní účinnost kotle klesne na hodnotu ηs = 0,75.

Příklad 2

Zadání

Plynový nástěnný kotel o jmenovitém tepelném výkonu Qn = 12 kW je určen pouze pro vytápění bytu. Kotel má jednostupňový atmosférický hořák. Výkon kotle pro vytápění lze seřídit na minimální hodnotu Qmin = Qa = 6 kW, kdy je účinnost ηa = 0,88 a činitel ztrát kotle při jeho klidu je za = 0,02.

Výpočtová tepelná ztráta bytu je Qdn = 4 kW, průměrná tepelná ztráta potom Qd = 2 kW. Máme určit provozní účinnost kotle při dodávce výkonu odpovídající průměrné tepelné ztrátě bytu.

Řešení

Protože je podle (2) poměrný skutečný tepelný výkon kotle

qp = 2 / 6 = 0,33,
 

bude provozní účinnost kotle dána vztahem (8), kdy

ηs = 0,88 / [1 + 0,02 . 0,88 . (1 − 0,33) / 0,33] = 0,85.
 

Komentář

Pokles účinnosti v tomto případě je z hodnoty ηa = 0,88 na hodnotu ηs = 0,85, přičemž není velký. Představuje poměrné zvýšení spotřeby plynu na 0,88 / 0,85 = 1,04násobek, tj. o 4 %. Pokud by činitel ztrát kotle při jeho klidu byl dvojnásobný, tj. za = 0,04, lze vypočítat, že provozní účinnost kotle klesne na hodnotu ηs = 0,82.

Po diskuzi s Vladimírem Štaifem zpracoval Vladimír Valenta z Cechu topenářů a instalatérů Brno dne 15. 4. 2010.

 
Komentář recenzenta
Ing. Ladislav Tintěra

Autor odvozuje výpočtový postup pro stanovení provozní efektivnosti starších závěsných plynových kotlů s jednostupňovým hořákem. Předkládaná metodika si klade za cíl získat maximálně jednoduchý vztah pro stanovení “provozní účinnosti kotle“.

Celý výpočet je postaven na veličině „činitele ztrát kotle při jeho klidu za“, jehož hodnotu doporučuje autor vyžádat u výrobce. Vzhledem k tomu, že půjde o plynové kotle z počátku devadesátých let, často nejasného původu, které se u nás instalovaly při plynofikačních akcích, bude získání klíčové informace o hodnotě „za“ značně obtížné. Autor bohužel neuvádí možný rozsah hodnot tohoto koeficientu ze své rozsáhlé praxe. Užitná hodnota předkládané informace se tím poněkud snižuje.

English Synopsis
The efficiency of gas boilers in looping

The paper presents the derivation of calculating the real efficiency of gas boilers with single-stage atmospheric burner. The cause of looping are states when the minimum boiler output is several times higher than the required nominal heat output for heating. The looping of boiler reduces its operating efficiency.

 

Hodnotit:  

Datum: 3.2.2014
Autor: Ing. Vladimír Valenta   všechny články autora
Recenzent: Ing. Ladislav Tintěra



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (9 příspěvků, poslední 29.06.2016 11:47)


Projekty 2017

Partneři - Vytápíme plynem

logo BAXI
logo THERMONA
logo ENBRA
logo PROTHERM
logo JUNKERS

Partneři - Vytápění

logo THERMONA
logo FENIX
logo DANFOSS
logo FV PLAST
logo ENBRA
logo GEMINOX
 
 

Aktuální články na ESTAV.czPraha vybrala 12 míst pro výstavbu nových městských bytůHELUZ oslavil 25. výročí novodobé historieNerezové komíny CIKO – moderní varianta odkouřeníPloty ochraňují, krášlí i tvoří hranice. Zapojte se do fotosoutěže!