Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Kotel s průtokovou přípravou vody a byt s malou potřebou tepla – část 2.

Otázka zní: Je nebo není vhodný plynový kondenzační kotel s průtokovou přípravou teplé vody vyžadující výkon 24 kW do bytu s malou tepelnou ztrátou? Protože za daných podmínek bude po celou dobu vytápění, nebo její velkou část, cyklovat. Jak negativně se cyklování projeví na účtu za zemní plyn?

Kotel Intergas
Kotel Intergas

V 1. části článku byl proveden základní rozbor provozních podmínek závěsného plynového kondenzačního kotle s průtokovou přípravou teplé vody při vytápění bytu malou tepelnou ztrátou. Vstupní podmínky jsou dány požadavkem na komfort dodávky teplé vody, která vyžaduje jmenovitý výkon kotle 24 kW. Prvním porovnávaným kotlem je Intergas, typ HRE24/18, který s minimálním výkonem 5,4 kW bude cyklovat 100%, tedy po celou dobu výroby tepla pro vytápění. Druhý porovnávaný kotel má maximálním rozsahu výkonů 1:10, který dnešní konstrukce kotle umožňují. Bylo uvedeno, že v bytě se ztrátou 4 kW bude při vytápění cyklovat i technicky dokonalejší kotel a to během přibližně 68 % doby výroby tepla. U bytu se ztrátou 3 kW půjde o cca 91 % provozní doby.

Rozbor provozních podmínek

Proveďme si jednoduchý rozbor podmínek provozu takových kotlů. Máme například nové byty, nebo byty po zateplení, s otopnou soustavou umožňující režim vytápění 50/30 °C. K vytápění postačí teplota přívodu 50 °C. Zda tomu tak je, si lze během provozu ověřit i laicky. Na kotli by měl být funkční teploměr. Pokud není, tak může pomoci se dotknout kovového ventilu na přívodu do otopného tělesa v době, kdy je venku největší zima. Pokud by ventilem protékala otopná voda o teplotě okolo 60 °C, tak na něm člověk vydrží mít ruku maximálně několik sekund, než ucukne. Podle Nařízení vlády 361/2007 Sb., tab. 5.7, se jako práh popálení uvádí kontakt s kovovým povrchem teplým 51 °C po dobu jedné minuty. U teploty 48 °C je to již deset minut. Jen pár velmi odolných jedinců vydrží pevně držet kovový předmět s teplotou 55 °C i několik minut. Pro přibližné ověření maximální teploty otopné vody jde řádově o desetinásobný rozdíl a to by mělo pro laické posouzení stačit.

Pokud jde o přípravu teplé vody, tak požadavky na provoz různých kotlů, ale s průtokovou přípravou, jsou identické a vyvolávají podobnou reakci. Rozdíly lze identifikovat jen na základě praxe, protože chování kotlů ovlivní individuální chování uživatelů a konkrétní řešení rozvodů teplé vody v bytě. Proto není dále rozebírán vliv přípravy teplé vody a předpokládá se, že bude přibližně stejný.

Ztráty paliva

Ztráty paliva generují zejména komínová ztráta, úniky tepla pláštěm kotle, ztráty vzniklé nuceným profouknutím spalovací komory před otevřením přívodu plynu do hořáku, kvalita spalovacího procesu.

Komínová ztráta

Co lze říci k rozdílu komínových ztrát u elektronicky řízených kondenzačních kotlů s různým stupněm modulace výkonu, které používají ventilátor k přívodu vzduchu a odvodu spalin? Proces spalování je ve všech případech velmi přesně řízen. Provozní účinnosti kondenzačních kotlů v případě soustavy v režimu 50/30 °C můžeme uvažovat přibližně v rozsahu mezi 90 % až 96 %. Na oba porovnávané kotle jsou kladeny stejné požadavky a rozdíl komínových ztrát bude vyplývat jen z rozdílu v cyklování. Pohybujeme se tedy v intervalu rozdílu provozních účinností mezi 0 až 6 %, přičemž musíme uvážit, že i kotel s vyšším stupněm modulace výkonu bude cyklovat po přibližně 68 % provozní doby. Potrubí přívodu vzduchu, odvodu spalin, konstrukční řešení spalinové komory a ventilátoru svými odpory výrazně omezí samovolné proudění a nežádoucí vychlazení kotle, které se negativně projevovalo u dříve nejpočetnějších instalací atmosférických kotlů. Pokud by to uživateli jdoucímu i po úsporách řádu desetin procent nestačilo, může doinstalovat spalinovou klapku v ceně okolo 300 korun. Někdy povinnost použít klapku již vyplývá z napojení odvodu spalin z kotle v bytě do společného odvodu spalin v domě.

Ztráty pláštěm kotle

Únik tepla z pláště kotle lze rozdělit na ztráty žádoucí, kdy v době potřeby tepla pomáhají vytápět byt a ztráty nežádoucí, kdy vytápět třeba není. Pokud není třeba vytápět, tak kromě přípravy teplé vody, ani jeden z kotlů nebude v provozu. Takže roční rozdíl mezi oběma kotli bude zanedbatelný, respektive může být dán použitím lepší nebo horší tepelné izolace. Konkurent ke kotli Intergas to bude mít těžké. Jeho izolace neplní jen funkci ochrany proti úniku tepla, stačila by slabší, ale přednostně i ochrany proti úniku hluku do okolí kotle.

Ekvitermní regulace

Má v našem případě smysl ekvitermní řízení činnosti kotle? Pro velký rozsah pracovních teplot otopné vody, přecházení z kondenzačního do nekondenzačního provozu a zpět má ekvitermní řízení zásadní přínos. V našem případě, kdy hovoříme o řešení na spodní úrovni pořizovacích nákladů a u otopné soustavy v režimu 50/30 °C, bude význam ekvitermní regulace potlačen. Šlo by však jen malou doplňkovou investici do externího čidla a propojovacího kabelu mezi čidlem a kotlem.

Lze předpokládat, že v servisním modu obou porovnávaných kotlů bude možné nastavit maximální výstupní teplotu otopné vody. V případě soustavy 50/30 °C by šlo s rezervou zvolit teplotu 55 °C. Tato teplota zaručí nepřekročení horní hranice kondenzace u kondenzačních kotlů (viz např.: Stručná teorie kondenzace u kondenzačních plynových kotlů, Zdeněk Fučík, 2. 4. 2004, TZB-info). Pro řízení provozu kotle a jeho udržení v kondenzačním režimu pak plně postačí hlídání vnitřní teploty vzduchu termostatem umístěným v referenční místnosti bytu, požadované snížení teploty v ložnici atp. zajistí termostatické ventily.

I bez ekvitermního řízení mají oba porovnávané typy kotlů při vytápění vytvořen základní předpoklad k tomu, aby pracovaly v kondenzačním režimu. Příznivým faktorem je skutečnost, že při vytápění na úrovni minimálních výkonů kotle vždy disponují předimenzovanou teplosměnnou plochou tepelných výměníků.

Nic však není tak jednoduché, jak to na první pohled vypadá. Pokud si jako cíl zvolíme minimalizovat počet cyklů kotle, pak musíme optimalizovat vztahy mezi kotlem a napojenou soustavou. To znamená například volit vhodnou velikost průtoku otopné vody kotlem, optimální teplotní diferenci mezi vypnutím a zapnutím hořáku, teplotní diferenci na otopné vodě mezi výstupem z kotle a zpátečkou a vše sladit s napojenou soustavou, respektive s výkonem otopných těles tak, aby kotel mohl v každém cyklu, jehož maximální délku si zvolíme, pracovat co nejdéle v nejvyšším možném stupni kondenzace a tento cyklus nebyl vlivem nepřizpůsobení parametrů přerušen. (Viz například Spínání hořáku kotle a proměnná spínací diference, Ing. Jiří Bašta, Ph.D., Automatizace, sešit 11/2002).

Vliv cyklování

Dostáváme se k evidentně nejdůležitějšímu bodu rozboru, a to vlivu cyklování. V uvedené literatuře (Spínání hořáku kotle a proměnná spínací diference, Ing. Jiří Bašta, Ph.D.) autor dospěl k závěru, že k výraznému snížení četnosti spínání kotle může vést vyšší rozsah spínací diference kotle při co nejmenším přijatelném zvýšení teploty otopné vody během jednoho průtoku celého objemu vody v soustavě kotlem. V našem případě máme jednu a tutéž otopnou soustavu, oba kotle mají přibližně stejný vodní objem. Závisí tedy především na tom, jak se podaří optimalizovat vztah střední teploty otopné vody v tělesech aneb výkonu těles, teploty otopné vody na výstupu z kotle a vstupu do něj vzhledem ke spínací diferenci.

Problematikou vlivu regulačních rozsahů na provozní účinnost se zabýval například Ing. Vladimír Valenta (Účinnost plynových kotlů při cyklování, 3. 2. 2014, TZB-info), a to u kotlů atmosférických, nekondenzačních. U nich dospěl k závěru, že pokud má kotel jmenovitý výkon 12 kW a je seřízen na výkon 6 kW, přitom byt má výpočtovou ztrátu 4 kW, pak provozní účinnost kotle poklesne z 0,88 při jmenovitém výkonu na hodnotu 0,85 v provozu s cyklováním. V tomto poklesu je zahrnut i vliv komínové ztráty atmosférického kotle. Mají-li kondenzační kotle Intergas energetickou účinnost 93 %, šlo by ve smyslu rozboru Ing. Valenty odhadem předpokládat zhoršení sezónní účinnosti na hodnotu okolo 88 %. To znamená zvýšení spotřeby plynu o přibližně (93/88 − 1) ≈ 5,5 %.

S cyklováním souvisí větší rozdíly teplot uvnitř domu, a tedy změny aktuální tepelné ztráty. Cyklování znamená, že po určitou dobu cyklu je teplota v bytě mírně vyšší, tehdy může docházet ke zvýšení ztráty tepla, ale po zbytek cyklu je zase mírně nižší, tudíž dochází k úspoře. Obvykle se změny vnitřní teploty připouští v maximálním rozsahu až 1 K. Oba procesy sice nejsou zcela rovnocenné, ale nelze jednoduše konstatovat, že z cyklování vyplývá zásadní přetápění a je příčinnou tragického zvýšení nákladů za provoz kotle.

Počet cyklů

Jak často budou oba kotle v bytě se ztrátou 4 kW cyklovat? Předpokládá se splnění podmínky, že průtok otopné vody kotlem a výkon otopných těles budou v souladu a i při omezení výstupní teploty z kotle na maximálně 55 °C bude možné byt během aktivní části cyklu vytopit na dostatečnou teplotu tak, aby v následující pasivní fázi cyklu teplota poklesla jen v přípustné míře.

Kotel Intergas při omezení jeho výkonu pro vytápění ze jmenovitých 18 kW na minimálních 5,4 kW dodá každou minutu teplo

5,4 kWh / 60 minut = 0,09 kWh/minuta
 

Pokud má na vytápění bytu při výpočtové ztrátě každou hodinu dodat 4 kWh, tak musí každou hodinu pracovat 4 / 0,09 ≈ 45 minut. Předepsat délku provozu kotli podle potřeby tepla nelze, to řídicí elektronika neumí. Jeho provoz se řídí prostřednictvím teplot. Pokud bychom vhodně využili v kotli přednastavenou ochranu proti nadměrnému cyklování s blokováním činnosti hořáku po dobu 5 minut po jeho vypnutí, vyjdou ze těchto podmínek přibližně 3 cykly za hodinu, každý o délce 20 minut a budou zahrnovat cca 15 minut činnosti hořáku a 5 minut vypnutí. Na hranici 13 °C, kdy začíná nebo končí otopná sezóna, s potřebou výkonu 0,8 kW (viz část 1) stačí na dodání tepla během jedné hodiny 0,8 / 0,09 ≈ 8,9 minuty. To znamená o něco málo víc než 10 cyklů za hodinu složených z 5 minut nečinnosti hořáku a 0,89 minut jeho provozu. Roční počet cyklů kotle Intergas pro vytápění tak můžeme odhadnout za celou otopnou sezónu (6000 hodin) přibližně mezi 18 000 až 60 000 cykly.

Bylo uvedeno, že i kotel s minimálním nastavitelným výkonem 2,4 kW bude po více než 68 % doby otopné sezóny cyklovat. Tento kotel za jednu minutu dodá teplo 2,4 kWh / 60 minut = 0,04 kWh/minuta. Pro dodání 0,8 kWh během jedné hodiny bude v činnosti

0,8 kWh / 0,04 kWh/minuta = 20 minut.
 

Ze stejného nastavení ochrany proti cyklování vyplyne 8 cyklů složených z 2,5 minuty činnosti hořáku a následné pauzy 5 minut. Roční počet cyklů tohoto kotle pro vytápění má horní hranici (68 % z 6000 hodin otopné sezóny) přibližně

8 ‧ 6000 ‧ 68/100 = 32 600 cyklů.
 

Realita je taková, že průměrné roční počty cyklů kotlů s průtokovou přípravou teplé vody v bytech s malou tepelnou ztrátou se pohybují na úrovni mezi 30 až 40 tisíci.

Počet cyklů je třeba snižovat z ekologických důvodů, ale samozřejmě, čím jich bude méně, tím je větší předpoklad na vyšší využití paliva a delší životnost kotle. Je možné počet cyklů snižovat? Na tento problém se podíváme příště.

 
Komentář recenzenta Ing. Vladimír Galád, samostatný projektant

Autor se ve všech třech dílech podrobně zabývá jednou z existujících příčin zhoršení účinnosti využití paliva v kotli vlivem cyklování kotlů, což vede k úvahám o podmínkách, za kterých se tento nežádoucí děj odehrává.
V první části se věnuje oblasti klimatických podmínek, které snižují stanovený výkon kotle tím, že se oproti potřebě při výpočtové teplotě např. −12 °C) potřebný příkon pro vytápění a větrání snižuje až k nule a na maximální hodnotě při ohřevu vody se vyskytuje pouze v menší části dne. Jak dokonale tyto změny „zvládá“ kotel, závisí na jeho regulovatelnosti.
Ve druhé části je věnována pozornost rozboru a výčtu druhů ztrát účinnosti využití paliva a četnosti cyklování a poukazuje na vysokou četnost, která má vliv také na životnost zařízení.
Třetí část je zaměřena na úvahu o počtu cyklů v nejméně příznivém období, kdy potřebujeme příkonem hradit tepelné ztráty na spodní hranici výkonu kotle, či pod jeho hranicí, kdy se četnost cyklování zvyšuje. Dále se věnuje i způsobu regulace a jeho vlivu na cyklování, vč. poukázání na možnost úspory v nákladech.

English Synopsis
Boiler with flow preparing of PWH and apartment with little heat demand – part 2.

The question is: is gas condensing boiler with a hot water flow requiring power of 24 kW suitable for the apartment with little heat loss? Because under these conditions for the entire heating time, or a large part, boiler will cycle. Will this cycling be negatively reflected on the natural gas bill?