Výměny plynových atmosférických kotlů za kondenzační, úspornější a ekologičtější– část 1.
Se zavedením přísnějších předpisů Ekodesign pro výrobky spojené se spotřebou a produkcí energie, souvisí plynulý přechod na používání plynových kondenzačních kotlů. V praxi se při výměnách starých kotlů setkáváme s nesprávným výkladem a představami o přínosech kondenzačních kotlů. V článku je proto posouzen vliv kondenzace teoreticky i měřením a jsou uvedeny odpovědi na některé praktické otázky.
Zhruba před rokem byly v zemích EU zavedeny přísnější předpisy pro všechny výrobky spojené se spotřebou a produkcí energie. Tyto předpisy zkráceně označujeme pod zkratkou Ekodesign a ErP – zkratka z anglických slov Energy related Products. Jejich zavedení je zacíleno na snížení spotřeby energie, produkce emisí a zvýšení podílu obnovitelných zdrojů energie. Výrobcům tepelné techniky tyto předpisy určují, jaké výrobky mohou trhu nabídnout. Dá se říci, že až na drobné výjimky, které určuje legislativa EU, se v oblasti běžných plynových atmosférických – konvenčních kotlů plynule přešlo na dodávky kotlů kondenzačních. V praxi se při výměnách starých kotlů někdy setkáváme s nesprávným výkladem a představami, a proto byl tento článek napsán. Článek je rozdělen do dvou částí, z nichž první se soustředí na posouzení vlivu kondenzace na zvýšené využití plynu a dokládá je i výsledky měření a druhá je zaměřena na praktické otázky záměny již nevyhovujícího kotle za kondenzační.
Nejprve trochu teorie a základní rozdíly mezi kotli
Technologie kondenzačních zdrojů je odborné veřejnosti známa a byla již mnohokrát popsána. Přesto úvodem připomenutí principu a konstrukce:
![Zdroj [1]](/docu/clanky/0149/014978o1.jpg)
Zdroj [1]
Schématický obrázek znázorňuje základní rozdíl mezi klasickým atmosférickým plynovým konvenčním kotlem a kondenzačním kotlem. U atmosférických plynových konvenčních kotlů byla snaha vyvarovat se kondenzace vodní páry ve spalinách, a kondenzaci co nejrychleji překonat rychlým zvýšením teploty spalin a udržováním teploty otopné vody v kotli nad teplotou rosného bodu spalin. U kondenzačních kotlů je naopak snaha, aby kotel pracoval s kondenzací maximálně možnou dobu provozu, neboť ji chceme využít pro úspornější provoz. S tímto jsou spojené nároky na trochu odlišný přístup v navrhování, na jinou konstrukci kotle, nutnost mít daleko větší odolnost výměníku proti vznikajícímu kondenzátu a požadavek se o kondenzát vhodným způsobem a podle předpisů postarat. Důležitou roli má řešení odtahů spalin, které přináší změny v konstrukcích příslušných dílů a materiálech, a umožňuje více technických možností odvádění spalin a přívodu spalovacího vzduchu.
Provozně úspornější kondenzační kotel tedy dokáže za vhodných podmínek využít uvolněnou energii vzniklou zkondenzováním vodní páry obsažené ve spalinách. Využije se tak část energie – tzv. latentní teplo, které u konvenčního kotle odchází ve spalinách. Aby došlo ke kondenzaci vodní páry, musí se setkat s chladným povrchem, jehož teplota je nižší, než rosný bod páry obsažené v odcházejících spalinách. Vhodnými podmínkami pro kondenzaci se konkrétně rozumí především dostatečně ochlazená kondenzační část výměníku, což zajišťuje ochlazená vratná otopná voda (tzv. „zpátečka“) z otopné soustavy.
![Zdroj [1]](/docu/clanky/0149/014978o2.png)
Zdroj [1]
O jaké množství ušetřené energie se jedná?
Vše vychází z fyzikálních zákonů. Pokud se mění skupenství nějaké látky, v našem případě, dle obrázku vlevo, voda na páru, je potřeba vodě dodat potřebné množství energie. K tomu, aby se z 1 litru vody o teplotě 0 °C získala pára o teplotě 100 °C, tedy s přiměřenou přesností 1 kg vody, je nutné dodat cca 2674 kJ energie (z grafu na obrázku níže 419 +2255 kJ/kg). Z toho 419 kJ se spotřebuje na zvýšení teploty vody z 0 °C na 100 °C a 2255 kJ na přeměnu vody o teplotě 100 °C na páru o teplotě 100 °C. Tento děj je ale i vratný, tzn. zpětnou změnou skupenství páry na vodu – kondenzací páry na 1 kg kondenzátu o příslušné teplotě se uvolní cca 2 500 kJ energie, kterou kondenzační kotel dokáže využít. Množství vznikajícího kondenzátu záleží především na provozních teplotách otopné soustavy, výkonu a úrovni kondenzačního kotle.
![Zdroj [1]](/docu/clanky/0149/014978o3.png)
Zdroj [1]
![Zdroj [1]](/docu/clanky/0149/014978o4.jpg)
Zdroj [1]
Teoreticky lze získat při spalování zemního plynu až 11 % tepelné energie navíc, což je i rozdíl mezi výhřevností (do které se možnost získat latentní teplo nezapočítává) a spalným teplem. Výše tohoto zisku je závislá především na teplotách otopné vody v soustavě, na teplotě spalin a na technické úrovni kondenzačního kotle.
Pro dosažení maximální účinnosti mají moderní kondenzační kotle přesné řízení směšovacího poměru spalovacího vzduchu a plynu. Řízení umožňuje nastavit optimální podmínky pro spalování plynu a tím ovlivňuje i tzv. přebytek vzduchu ve spalovacím procesu. V závislosti na požadovaném výkonu mění plynule otáčky ventilátoru, čímž se reguluje příslušné množství vzduchu pro spalování tak, aby byla udržena stále nízká hodnota přebytku vzduchu λ. Přebytek vzduchu ovlivňuje aktuální hodnotu rosného bodu a je cílem, aby rosný bod byl co nejvýše a co nejvíce vodní páry ve spalinách zkondenzovalo. Díky řízení může být udržován rosný bod vodní páry ve spalinách na skutečném výměníku kondenzačního kotle až na hodnotě cca 55 °C. Nejvyšší dosažitelná teoretická hodnota je 57 °C při přebytku vzduchu λ = 1 ve stavu, kdy je přiváděno přesně tolik vzduchu ke spalování, kolik je ho potřeba k dokonalému spalování. Takový stav je však teoretický a dosažitelný jen v laboratorních podmínkách.
![Zdroj [2]](/docu/clanky/0149/014978o5.jpg)
Zdroj [2]
Z grafu závislosti teploty rosného bodu na přebytku vzduchu λ je patrné, jak se stoupajícím přebytkem vzduchu klesá teplota rosného bodu a tím se zužuje teplotní pásmo a teoretická oblast pro kondenzaci vodní páry obsažené ve spalinách.
Plynové kondenzační kotle pracují obvykle s přebytkem vzduchu λ= 1,2 až 1,4; záleží na provedení a způsobu řízení kotle. Čím nižší přebytek vzduchu λ si kondenzační kotel v provozu udrží, tím vyšší teplota rosného bodu na výměníku bude a tím vyšší může být i provozní účinnost a získané provozní úspory na spotřebě paliva.
Současné plynové kondenzační kotle mají možnost plynulé regulace velkého výkonového rozsahu, elektronické řízení otáček ventilátoru a tím se velmi dobře přizpůsobují okamžitým potřebám otopné soustavy. Dost často se ale setkáváme s názorem, že kondenzační kotel je vhodný jenom pro otopné soustavy s podlahovým vytápěním, pro které vyhovují nízké teploty otopné vody, s velkou rezervou pod rosným bodem spalin a tedy s podmínkami pro maximální kondenzaci. Samozřejmě, že v takovéto soustavě bude mít kondenzační kotel zaručenou kondenzaci za jakéhokoliv počasí a bude mít maximální stupeň využití. Z následujících grafů je ale patrné, že kondenzační kotle mohou být využitelné i při vyšších návrhových teplotách otopné vody v soustavách, protože s nimi kondenzační kotel nepracuje celou dobu svého provozu.
V obrázku jsou uvedeny ekvitermní křivky otopných soustav s teplotním rozdílem 40/30 °C (níže umístěná červená a modrá křivka) a s rozdílem teplot 75/60 °C (výše umístěná červená a modrá křivka). Červené křivky značí teploty přívodní vody, modré teploty vratné vody. Teplota rosného bodu je vyznačena červenou čárkovanou čarou a pod ní je oblast kondenzace vodní páry ve spalinách. Ke kondenzaci dochází, pokud je teplota vratné vody nižší než teplota rosného bodu. U systému s teplotním rozdílem 40/30 je teplota vratu v oblasti kondenzace za všech venkovních teplot, u systému 75/60 až do cca −7 °C. V našich mírných podmínkách, kdy průměrná teplota v zimním období bývá okolo 4 °C a zvláště, pokud kotel řídíme ekvitermním regulátorem, bude využití kondenzace po většinou otopné sezóny na vysoké úrovni.
Následující grafy znázorňují výstupy z měření stupně využití kondenzačního kotle při různých provozních teplotách v reálné otopné soustavě.
Soustava pouze s otopnými tělesy
Z horního grafu je vidět náběh kotle, průběh zvyšující se teploty výstupní otopné vody, teploty spalin a teploty vratné vody (zpátečky) v otopné soustavě s otopnými tělesy s rozdílem teplot 65/45 °C (na vodorovné ose je číslo měření, které odpovídá časovému kroku cca 1 minuta). Ve spodním grafu je reálný průběh stupně využití kondenzačního kotle, který se při rostoucích teplotách otopné vody výrazně mění a klesá. (Měření byla provedena analyzátorem spalin TESTO 330-1).
Soustava s podlahovým vytápěním a otopnými tělesy
Z těchto grafů je opět vidět průběh mírně se zvyšující výstupní teploty otopné vody, teploty spalin a teploty zpátečky v otopné soustavě s podlahovým vytápěním a s částí otopných těles, s rozdílem teplot 45/30 °C. Zde je průběh pozvolnější bez velkých změn teplot. Otopná soustava je pomalejší na reakce, má velkou setrvačnost, ale provozní teploty jsou nízké. Ve spodním grafu je reálný průběh stupně využití, který se drží na vysokých hodnotách a při mírně rostoucí teplotě „zpátečky“ a spalin kolísá po desetinách procenta směrem k nižší hodnotě. Pozoruhodné bylo sledování hodnot přebytku vzduchu λ, který se ustálil na hodnotě 1,28. Zároveň velmi nízké hodnoty CO a CO2 ve spalinách svědčily o ekologickém provozu kondenzačního kotle.
Obecně lze tedy zopakovat, že pro kondenzační kotle v otopných soustavách platí, že čím nižší bude teplota zpětné otopné vody vracející se do kondenzační části výměníku a současně čím nižší teplotní rozdíl v otopné soustavě bude, tím nižší bude i teplota odcházejících spalin a tím vyšší bude stupeň využití kondenzace a úspory na spotřebě zemního plynu.
Jednoznačně lze používat kondenzační kotle nejen pro soustavy s podlahovým vytápěním, ale i s otopnými tělesy anebo v jejich kombinaci.
Podívejme se na dlouhodobě sledovanou měsíční spotřebu vybraného RD. Spotřeba klasického konvenčního atmosférického plynového kotle byla zaznamenávána 6 let, pak bez dalšího zásahu do RD a jeho otopné soustavy byl pouze vyměněn původní kotel za nový kondenzační. Provoz s kondenzačním kotlem byl monitorován 5 let. V grafu na vodorovné ose jsou měsíce a na svislé ose několikaleté průměry měsíčních spotřeb zemního plynu. Z grafu je patrná největší úspora hlavně v době otopné sezóny. Menší úspora se projevila i v době letních měsíců, kdy kondenzační kotel připravoval teplou vodu ve shodném 120litrovém klasickém nepřímo-ohřívaném zásobníku TV.
Horní tmavá křivka představuje průběh průměrné měsíční spotřeby RD s konvenčním atmosférickým plynovým kotlem, spodní světlá křivka s bílými body představuje průměrné měsíční spotřeby ve shodné otopné soustavě RD s novým kondenzačním kotlem.
Takto bylo dlouhodobě sledováno několik RD, v absolutních číslech se snížila spotřeba plynu po výměně konvenčního atmosférického plynového kotle, bez zásahu do obálky domu a otopné soustavy, za nový kondenzační o cca 12 až 18 % ročně. Nutno podotknout, že úspory na spotřebě plynu nejsou způsobené pouze záměnou starého konvenčního kotle za kondenzační, ale obecně i vyšší technickou úrovní plynových kotlů daných technickým vývojem. Dále záleží samozřejmě na způsobu provozování, na způsobu regulace, na tepelně izolačních vlastnostech obálky a na dalších vlivech. Úspora ale může být mnohem větší, pokud se využijí některá následující doporučení a opatření, o kterých budeme psát v další části.
The introduction of stricter Ecodesign requirements for products associated with the consumption and production of energy is related to a smooth transition to the use of gas condensing boilers. In practice, exchanges of old boilers meet incorrect interpretation and perceptions about the benefits of condensing boilers. The article therefore assesses the impact of condensation theory and measurement and answers some practical issues.
