Příspěvek k diskusi o reálné provozní účinnosti teplovodních kotlů na biomasu
Problematika stanovení reálné provozní účinnosti teplovodních kotlů na pevná paliva je stále více diskutovaná. Díky neustále se zvyšující ceně energií je kladen vyšší důraz na přesné vyčíslení ekonomiky provozu tepelných zdrojů již v projektových dokumentacích a různých provozních analýzách. U teplovodních kotlů je také stále více zřejmé, že pro podobné studie nelze brát v potaz účinnosti deklarované výrobci v průvodní technické dokumentaci, protože ta se často může významně lišit od reálné sezónní energetické účinnosti. Zvláště v období s menšími požadavky na množství vyrobeného tepla, kdy dochází často k cyklickému (přerušovanému) provozu zdroje, se může jeho reálná účinnost lišit od účinnosti deklarované. V tomto příspěvku jako příklad uvedu provoz malého peletového kotle. Příspěvek byl přednesen na konferenci Alternativní zdroje energií AZE v Kroměříži.
© Fotolia.com
Úvod
Výrobcem deklarovaná účinnost teplovodního kotle na biomasu definuje jeho potenciál, tedy maximum dosažitelného. Většina výrobců se k této účinnosti dopracovala často až po několikerém zkoušení a testování. Při certifikaci je kotel prakticky v laboratorních podmínkách umístěn na zkušební stanoviště, napojen na odtah spalin, na kterém je nastaven výrobcem přesně stanovený tah (ani malý ani velký), kotel se několik hodin roztápí na požadovaný ustálený výkon. Vyzdívka kotle je dokonale nahřátá a na roštu hořáku je stálá základní vrstva paliva. Profesionální obsluha kotel dokonale seřídila podle zjištěné koncentrace spalin na analyzátoru (popřípadě upravila tah podle naměřených parametrů) a také je použito palivo nejvyšší kvality a přesné velikosti. Po dosažení ustáleného provozního stavu je nastaven konstantní průtok vody a ideální teplotní spád (rozdíl teploty vody na vstupu a výstupu z kotlového tělesa). Pokud vše odpovídá, začne se zkouška. Po celou dobu hoření pracuje kotel na ustálený výkon s minimální změnou provozních parametrů.
V reálném provozu účinnosti deklarované výrobcem dlouhodobě prakticky nelze dosáhnout. Lze se ji přiblížit tím, že zapojením a provozováním kotle se přiblížíme podmínkám, za kterých byl certifikován. Tedy napojením na kvalitní komín s regulovaným tahem, zapojením kotle do otopné soustavy s akumulační nádrží, používáním garančního paliva, dostatečnou údržbou a kvalitní obsluhou. Čím více se budeme těmto podmínkám vzdalovat, tím více budeme ztrácet na účinnosti. U automatických kotlů může být účinnost nižší v řádu jednotek procent, u obyčejných kotlů až v řádu desítek procent. Ostatně to (částečně) zohlednilo i Nařízení komise (EU) 2015/1189 [1], podle kterého se stanovuje tzv. sezónní energetická účinnost vytápění u kotlů na pevná paliva. Jedná se o vážený průměr účinnosti zdroje deklarované výrobcem při jmenovitém (85 %) a minimálním (15 %) výkonu, snížený o ztráty vzniklé v důsledku regulace teploty teplonosné látky (pevná ztráta 3 %) a o ztráty vzniklé započtením použité pomocné elektrické energie.
Ale to se stále bavíme o účinnosti, které lze dosáhnout při ustáleném provozním stavu kotle. Nicméně zvláště v přechodném období s nižším odběrem tepla, popřípadě v létě, kdy často kotel „startuje“ jen pro ohřev vody v bojleru, se mohou reálné provozní účinnosti významně snížit. A to v důsledku přerušovaného provozu, kdy se časy náběhu kotle na optimální provozní teplotu a vychládání po odstavení z provozu začínají blížit (nebo i překračují) samotnou dobu, po kterou kotel odevzdává teplo otopné soustavě.
Vliv žáruvzdorné vyzdívky kotle
Od roku 2012 se začaly u teplovodních kotlů na pevná paliva radikálně měnit podmínky pro jejich uvádění na trh. Novela „kotlářské“ normy ČSN EN 303-5:2013 [2] zavedla nově třídy kotlů 4 a 5 s nesrovnatelně vyššími nároky na kvalitu spalování (produkované emise). Novela zákona č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší [3] zapříčinila, že od roku 2018 lze na trh uvádět pouze kotle třídy 4 a díky nařízení o ekodesignu [1] bude možné od roku 2020 uvádět na trh pouze kotle emisně přibližně odpovídající třídě 5. To vše je spojeno s radikálními požadavky na snížení produkovaných emisí CO, prachu i OGC (uhlovodíků). Reálně lze takto vysokým požadavkům vyhovět především úpravou spalovacího prostoru kotle. Zajištění vysoké teploty prostředí (důležité pro ideální vyhoření uhlíku) a dlouhých spalinových cest (snížení úletů prachu) lze zajistit instalací podstatně robustnější a komplikovanější žáruvzdorné vyzdívky do prostoru, ve kterém dochází k vyhořívání prchavé hořlaviny. Několik kilogramů jednoduchých šamotových cihliček kotlů tříd 1, 2 i 3 tak nahrazují desítky kilogramů speciálního žárobetonu ve formě různě složitých spalovacích komor. Naopak se snižují požadavky na jmenovitý výkon zdrojů, takže se zpravidla s menší velikostí kotlů snižuje i objem topné vody v nich. Důsledkem toho je fakt, že se významně změnily (prodloužily) také fáze „náběhu“ kotle na provozní teplotu a jeho vychládání. Jak si ukážeme dále, žárobeton je schopen naakumulovat v počáteční fázi obrovské množství energie. Jeho nahřátí na optimální provozní teplotu 900 až 1350 °C (podle účelu použití) může trvat i několik hodin, stejně tak poté jeho vychládání po odstavení kotle. Pochopení tohoto problému při projektování otopné soustavy může tedy významně přispět ke snížení provozních ztrát.
Příklad peletového kotle
Uveďme si příklad peletového kotle moderní konstrukce o jmenovitém výkonu 18 kW. V opravdu kvalitním kotli by mělo být minimálně 40 kg žárobetonu, objem vody přibližně 60 litrů a ocelové kotlové těleso o hmotnosti okolo 120 kg. Při náběhu do optimální provozní teploty uvažujme nahřátí žárobetonu v průměru o ΔT = 1000 K (některé části jsou více tepelně namáhány, některé méně), měrnou tepelnou kapacitu cp žárobetonu lze s velkou přesností odhadnout na 900 J‧kg−1‧K−1 (podle jeho složení a kvality). V přechodném období je kotel natopen z původní teploty otopné vody 20 °C na „provozní“ teplotu 60 °C. Velice zjednodušeně můžeme tedy počítat s tím, že také ocelové kotlové těleso (cp oceli uvažujme 450 J‧kg−1‧K−1) se v průměru „nahřeje“ z 20 °C na 60 °C, tedy podobně jako otopná voda o ΔT = 40 K (většina tělesa je chlazená otopnou vodou). Pro srovnání předpokládejme, že kotel je zprovozněn v létě jednorázově pouze pro nahřátí 160 litrů vody v bojleru (cp vody 4190 J‧kg−1‧K−1) z teploty 10 °C na 60 °C (ΔT = 50 K). V následující tabulce je uvedeno množství tepelné energie, které je nutné „dodat“ do jednotlivých částí kotle pro jeho nahřátí na provozní teplotu, a pro srovnání množství energie nutné pro ohřátí vody v bojleru. U otopné vody je počítáno s objemem 80 litrů (voda v kotli a mezi bojlerem a kotlem).
| Žárobeton [MJ] | Otopná voda [MJ] | Ocel [MJ] | Bojler [MJ] |
|---|---|---|---|
| 36 | 13,4 | 2,2 | 33,5 |
| Kotel celkem 51,6 MJ | |||
Závěr
Z tabulky je zřejmé, že energie dodaná pro nahřátí žárobetonu na provozní teplotu je zcela zásadní. Je téměř 3× větší než energie „uložená“ v otopné vodě a je dokonce větší než energie potřebná pro nahřátí bojleru. Toto je daň za snahu omezit produkované emise na hranici dosažitelného. Ještě v nedávné době, kdy v automatických kotlích na rozhraní tříd 3 až 4 měla běžná vyzdívka hmotnost do 10 kg, byla energie „vložená“ při náběhu do této vyzdívky nižší než energie uložená v kotlové vodě (do 9 MJ).
Pokud si tyto skutečnosti plně uvědomíme, pak máme možnost již při projektové přípravě, popisované ztráty vhodným navržením otopné soustavy a její regulace značně eliminovat. Současná praxe, bohužel, s popsaným jevem příliš nepočítá. Jsou používány „staré, osvědčené“ metody vhodné pro kotle předchozích generací. Tím se cíl snižovat produkci emisí snižováním jejich měrné produkce na vyrobenou jednotku tepla v kotli ztrácí, neboť k výrobě energie, která bez využití unikla, bylo zapotřebí určité množství paliva spálit a při tom zbytečně vznikly emise.
Zaměření legislativců na sice nejslabší článek řetězu s ohledem na produkci emisí v teplovodních otopných soustavách s kotlem na pevná paliva, ale bez zohlednění dopadů na celou otopnou soustavu, tak nemusí přinést očekávaný efekt.
Literatura
- Nařízení Komise (EU) 2015/1189 ze dne 28. dubna 2015, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky ne ekodesign kotlů na pevná paliva.
- ČSN EN 303-5:2013 Kotle pro ústřední vytápění – Část 5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční nebo samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 500 kW – Terminologie, požadavky, zkoušení a značení, ČNI, Praha, 2013.
- Zákon č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší.
The issue of determining the real operational efficiency of hot-water boilers for solid fuels is increasingly being discussed. Thanks to the constantly increasing energy costs, greater emphasis is placed on the precise quantification of the economy of the operation of heat sources in project documentation and various operational analyzes. For hot water boilers, it is also becoming increasingly clear that for such studies the efficiency declared by manufacturers in the accompanying technical documentation can not be taken into account as this may often differ significantly from real seasonal energy efficiency. Particularly in times of less demand for the amount of heat produced, where there is often cyclic (intermittent) source operation, its actual efficiency may differ from that declared. In this paper I will introduce the operation of a small pellet boiler as an example.
