Výpočet objemu akumulační nádrže ke kotli - orientačně

Aktualizováno 7. 12. 2020

Přestože moderní kotle mají vysoký standard automatizace provozu a velký rozsah regulace výkonu, je vhodné je v některých případech kombinovat s akumulační nádobou. Především to platí pro kotle na pevná paliva s ručním přikládáním, ale prospěšné to může být i u kotlů na pevná paliva automatických a rovněž u kotlů na kapalná paliva. Základem určení objemu akumulační nádrže je vztah mezi objemem vody, teplotami vody a teplem, které v něm lze uložit. Takový výpočet je ovšem jen velmi orientační. V praxi je žádoucí výpočet provádět podrobněji a zohlednit konkrétní podmínky panující v otopné soustavě. To znamená, zohlednit přijatelný rozsah regulace výkonu kotle, rozložení teplot otopné vody v akumulační nádrži, změny potřeb tepla s ohledem na aktuální tepelnou ztrátu, změny výkonu otopných těles, podlahového vytápění aj. ve vztahu ke střední teplotě otopné vody, může být zahrnuta i příprava teplé vody atd. Potřebu optimalizovat objem akumulační nádrže lze dát i do souvislosti s podpůrnými programy na výměny zastaralých spalovacích zdrojů tepla.

Základem je empirie

Za základ pro stanovení objemu akumulační nádrže lze vzít empirickou hodnotu 55 litrů na každý 1 kW výkonu kotle na pevná paliva s ručním přikládáním, která se stala i součástí podmínek kotlíkových dotací. K typickému kotli s výkonem 24 kW, jehož výkon mimochodem odpovídá i výkonu potřebnému k průtokové přípravě teplé vody pro jedno odběrové místo, sprchu nebo vanu, by tedy měla být v otopné soustavě zařazena akumulační nádrž o objemu 24 x 55 = 1320 litrů. V podkladech výrobců kotlů lze však nalézt i jiná doporučení. Někdy sahající dokonce až k objemu 80 litrů vody na 1 kW výkonu kotle, který mimo jiné může prodloužit dobu mezi přikládáním paliva, tedy zvýšit komfort, pokud to však objem zásobníku paliva v kotli umožňuje.

Výpočty – jednoduché pomůcky

Výpočtové pomůcky vycházejí ze základního fyzikálního vztahu

Q=m·c·(t2-t1)

kde:
Q je teplo, které je nutné v akumulační nádobě uložit
c je měrná tepelná kapacita kapaliny v nádobě. Pokud jde o otopnou vodu, obvykle se používá hodnota 4180 J·kg-1·K-1 nebo 1,7 Wh·kg-1·K-1, případně o něco méně vzhledem teplotní roztažnosti vody, přidávání inhibitorů aj.
t1 je počáteční teplota vody v nádobě
t2 je konečná teplota vody nádobě

Přičemž počáteční teplota t1 vody v nádobě musí být na úrovni minimální teploty otopné vody vracející se zpět ke kotli. Protože teplo uložené v otopné vodě s nižší než minimální teplotou není v otopné soustavě využitelné.

Nejjednodušší pomůcky poskytují výsledky jen na základě uvedené rovnice. Grafické provedení těchto pomůcek na internetu je různé, ale společné je to, že se do nich zadává jen počáteční a konečná teplota, tedy nejnižší a nejvyšší pracovní teplota a přes hmotnost vody a její hustotu je určen její objem, a to bez ohledu na jeho změny s měnící se teplotou. Takový výpočet lze považovat za vhodný jen k základní orientaci. Vůbec nerespektuje měnící se teplotní podmínky v  akumulační nádobě, otopné soustavě, přebytek výkonu kotle nad aktuální potřebu otopné soustavy, pouze který lze použít pro nabíjení akumulační nádoby, časové souvislosti, měnící se výkon otopné soustavy, tedy schopnost předávat teplo do místností s měnícími se teplotními poměry v otopné vodě aj.

Výpočty – sofistikovaná pomůcka

Příklad sofistikovanější pomůcky lze nalézt na TZB-info v článku Stanovení doby nabíjení a vybíjení akumulační nádrže v otopné soustavě, kde je uveden odkaz na stažení pomůcky zpracované v excelu: akumulační nádoba-1.xls

Autor pomůcky, Ing. arch. Filip Řehák, k pomůcce uvedl: „Jedná se o návrh akumulační nádrže (AN) pro účely kotle na spalování biomasy a s tím související četnosti přikládky do kotle (např. 1x za 24h) při dané tepelné ztrátě domu (výkonu otopné soustavy), kterou zadám… Kalkulačka mi slouží pro orientaci se ve správném seřízení topných okruhů "odbornými firmami" u zákazníků využívajících AN s polyvalentními zdroji tepla (krb, elektřina, solár)… Bohužel neumím do kalkulačky zapojit sofistikovanější propočty na základě max. a min. teploty vody v otopné soustavě a průběh topné křivky ani četnost výkonů.“

Obr. 1 Ukázka výpočetního pole pomůcky od Ing. arch. Filipa Řeháka. Žlutá políčka jsou v tabulce měnitelná, takže si lze výpočet upravit na jiné podmínky.

Příklad, jak vypadá výpočetní pole pomůcky Ing. Řeháka, je na obrázku 1.

Použité označení veličin není šťastné, neboť písmenem Q obvykle označujeme množství tepelné energie. Místo „Q zdroje“ a „Q otopné soustavy“ by bylo vhodnější použít označení „P zdroje“ a „P otopné soustavy“, kde písmeno P symbolizuje výkon, kterému odpovídá použitá jednotka kW. U údaje „Qd tepelný obsah AN“ je použití písmeně Q vhodné, a tomu odpovídá i jednotka kWh. Při použití pomůcky je třeba respektovat zvolené označení.

Při zadávání konkrétních hodnot do výpočtu je nutné posoudit, zda například počáteční teplota 30 °C v AN je dostatečná pro provoz konkrétní napojené otopné soustavy.

Výpočty – optimalizační pomůcka

Pomůcku, která umožňuje provádět základní optimalizační procesy, a navíc zahrnuje i přípravu teplé vody, poskytl redakci TZB-info Ing. David Šotkovský působící v odborné topenářsko-instalační firmě Hamrozi, Třinec. Pomůcka je založena na programu Excel, je přehledná a jednoduše použitelná. Rozšíření počtu veličin, které lze zadat podle konkrétních potřeb, umožňuje pomocí pomůcky ověřovat funkci akumulační nádoby, respektive velikost jejího objemu, v různých provozních stavech otopné soustavy a různých klimatických podmínkách.

Jak autor pomůcky uvádí, tak jej ke zpracování pomůcky přivedla nevyhovující praxe:

„Uvedl jsem do provozu akumulační zařízení s kotlem na tuhá paliva. Nejsem topenář, ale jelikož nám to topenáři seřídili špatně (dokonce neuměli správně nastavit srdce ventilu, nasadit servopohon a nastavit regulátor), tak jsem se do toto pustil sám, a vše funguje, jak má a k naší spokojenosti. Celý RD jsem si seřídil termohydraulicky.

Mnoho lidí má otopnou soustavu zapojenou často bez projektu a pokud tomu tito lidé nerozumí, tak mají špatně seřízenou soustavu a její regulace je pak vlastně k ničemu. To jsem prožil na vlastní kůži.

A prožívají to určitě i jiní lidé, kteří dokumentaci regulace vytápění odmítají a nechtějí vynaložit další prostředky. A pak jsou i lidé, kteří si dokumentaci vytápění nechají zpracovat, ale pak nerespektují zásady, jako je například zákaz kroucení s termostatickými hlavicemi, které mají přímý vliv na zdvih kužely ventilu a dochází tak k destrukci výpočtových průtoků. Termostatické hlavice slouží pouze a jenom k uzavírání průtoku při tepelných ziscích v místnosti, např. ze slunečního záření. A to se děje výhradně pomocí roztažnosti teplotního čidla. Z toho vyplývá nepochopení funkce termostatické hlavice a lidé se tak sami připravují o tepelné zisky, které pak zaplatí zbytečným odběrem tepla ze zdroje, který již měl být snížen omezením průtoku tělesy, a to z důvodu špatného nastavení (kroucení a pootáčení) hlavice. Kotel tak žene do otopných těles teplo, které nepotřebujeme. A zde jsou úspory, které ztrácíme a nejsou malé, jelikož tepelné zisky tvoří až 40 % potřeby tepla na vytápění. Opačným jevem nesprávného kroucení s hlavicemi je nedotápění. Takže doporučení? Správné termohydraulické vyvážení otopné soustavy s veškerým nastavením armatur vč. termostatických hlavic – a s těmi pak NEKROUTIT!

Vytvořený kalkulátor akumulační nádrže mám odzkoušený a reálný provoz se blíží předpokladům, které jsem popsal výše.“

Pomůcka je volně ke stažení na TZB-info:
Ing. Šotkovský: Akumulační nádrže a jejich nabíjení a vybíjení

Příklad výpočetního pole kalkulátoru od Ing. Davida Šotkovského:

Ve výpočtu není uvažováno s tepelnými zisky, které tvoří až 40 % potřeby tepla na vytápění za předpokladu termohydraulického vyvážení celé soustavy s dodržením projektovaného pásma proporcionality.
Autor výpočtu: Ing. David Šotkovský

Ing. Šotkovský k pomůcce doplnil, že by nebylo špatné přidat i spotřebu paliva, například kolik dřeva se protopí za sezónu atd., vč. účinnosti kotle atd. S tím lze jistě souhlasit. K pomůcce patří u čtyři ukázky schémat zapojení zdroje tepla, konkrétně kotle na pevná paliva s ručním přikládáním:

• Ukázka 1
• Ukázka 2
• Ukázka 3
• Ukázka 4

Při využití pomůcky je dobré si uvědomit další faktory. Například vztah mezi množstvím tepelné energie potřebným pro nabití akumulační nádoby a množstvím energie, které lze získat z paliva, které se do kotle dá jednorázově přiložit. Toto množství paliva je určeno velikostí přikládacího prostoru a rozměry jednotlivých kusů paliva. Mezi konkrétními kotli, ale rovněž druhy paliva, jsou v tomto směru značné rozdíly. Pokud by na počátku stál požadavek přikládat do kotle například jen ráno a večer, nestačí optimalizovat pouze velikost akumulační nádoby, ale musí se zvolit i takový kotel, do které se při přiložení vejde dostatečně velká zásoba paliva.

V pomůcce se počítá s dobou nabití akumulační nádoby, aneb dobou zátopu, a tedy provozem kotle na plný výkon. V případě kotle na pevná paliva s ručním přikládáním to znamená dostatek paliva v kotli, a tudíž i více násobné přikládání. V obr. 2 je doba nabití 7,1 hodiny při zadané venkovní teplotě 10 °C. Pokud se místo zadané venkovní teploty 10 °C dosadí -15 °C, tak se doba zátopu za jinak nezměněných podmínek prodlouží přes 49 hodin. Zde je zřejmý vztah mezi potřebou tepla na vytápění objektu a výkonu kotle. Pokud se místo zadaného kotle se jmenovitým výkonem 22,5 kW zvolí například kotel se skutečným výkonem 35 kW, doba zátopu se při venkovní teplotě -15 °C, tedy shodné s výpočtovou, vrátí na přijatelnou hodnotu pod 8 hodin.

V případě pevných paliv by nejkratší doba zátopu měla vycházet z množství energie získatelné z paliva jeho jedním přiložením, což by si měl uživatel pomůcky předem určit. Orientačně lze z údajů výrobce načíst objem paliva, které lze přiložit, pro dané palivo vyhledat jeho sypnou hmotnost, obsah energie a jako účinnost lze použít účinnost jmenovitou, neboť kotel ve spojení s akumulační nádobou by měl být v ideálním případě trvale provozován se jmenovitým výkonem.

Využití pomůcky si lze představit i ve spojení s kotlem na kapalná paliva. Kotle na kapalná paliva mají menší regulační rozsah výkonu. V důsledku tohoto faktu, v závislosti na konkrétní situaci, se u nich může častěji, mimo nejchladnější část roku, vyskytovat cyklování, tedy vypínání a zapínání hořáku. U konkrétního kotle si lze proto do pomůcky místo maximálního výkonu zadat výkon minimální a hledat optimální objem akumulační nádoby, aby se cyklování omezilo.

Podobným způsobem si lze s pomůckou simulovat různé provozní stavy a hledat optimální návrh.

Z množství energie získatelné z pevného paliva na jedno přiložení do kotle lze odvodit i četnost, s jakou bude nutné během doby zátopu jít ke kotli a přiložit palivo. Zvětšení výkonu kotle nad tepelnou ztrátu domu spojené s výběrem kotle s co největším prostorem pro palivo může zvýšit komfort, a tedy snížit četnost přikládání. Tento záměr vyžaduje zvětšit objem akumulační nádoby. Zvýšený výkon kotle se v případě dotací může dostat do střetu s podmínkami kotlíkových dotací. Z většího výkonu kotle vyplyne pro získání dotace nutnost zvolit větší objem akumulační nádoby, ale to nemusí být zcela v souladu s optimalizačním procesem provedeným podle pomůcky, když se upřednostní požadavek na nádobu co nejmenší.

Závěr

Akumulační nádrž v kombinaci s jakýmkoliv kotlem, nejen na pevná (tuhá) paliva, nelze chápat jen jako nástroj ke snížení škodlivých emisí, případně ke zvýšení komfortu, ale i jako nástroj vedoucí ke zvýšení účinnosti využití energie v palivu, tedy ke snížení spotřeby neobnovitelné primární energie.

Přesnost výše zmíněných výpočetních pomůcek jsme v redakci neověřovali. Je na čtenáři, aby si rozhodl, jak dalece se bude podle vypočtených výsledků řídit. V případě zájmu lze například Ing. Šotkovského kontaktovat přímo, a to prostřednictvím e-mailu: sotkovsky@hamrozi.cz

Je nutné zdůraznit, že zmíněné pomůcky dávají orientační výsledky. Pro skutečně přesné posouzení by byla nutná softwaerová simulace s časovým krokem, možná okolo 10 minut, s exaktně zadanými podmínkami provozu kotle a proti tomu skutečné potřeby tepla. Větší rozsah řízení výkonu kotle, pokud je vhodně přizpůsoben potřebám otopné soustavy, pochopitelně snižuje nároky na případnou velikost akumulační nádoby.