Parametry tepelných soustav zvyšující účinnost kondenzačních kotlů

1. Stručné opakování

Při ochlazování spalin zemního plynu získaných při ideálním spalování, tj. bez přebytku vzduchu, pod teplotu 58 °C, což je teplota rosného bodu, začne ve spalinách kondenzovat vodní pára. Na teplosměnných plochách kotle se uvolňuje také latentní (skryté) teplo, obsažené v plynu ve formě tepla skupenského kondenzačního. Takto využité teplo se převádí oběhovou vodou do tepelné soustavy, čímž se zvyšuje využití energetického obsahu zemního plynu. Následně se sníží spotřeba plynu. Hmotnostní podíl vodní páry ve spalinách zemního plynu je téměř 12 %. Teplo, které lze získat z úplné kondenzace, tj. při ochlazení spalin na referenční teplotu 25 °C, má hodnotu 11 % z tepla spalného.

V reálných podmínkách v hořácích kotlů probíhá spalování při určitých přebytcích vzduchu, které jsou nutné s ohledem na nedokonalé promíchání plynu se vzduchem. Potom je teplota rosného bodu spalin znatelně nižší. Např. u nejlepších kondenzačních kotlů, které pracují s hodnotou součinitele přebytku vzduchu λ = 1,3, je 53°C.

2. Zajištění nejnižší teploty zpětné vody

Z hlediska dosahování maximální účinnosti kotle musí projektant tepelné soustavy zajistit nejnižší teplotu zpětné vody. Vliv teploty zpětné vody na účinnost kotle je u kondenzačních kotlů dominantní. Projektant může zajistit nejnižší teplotu zpětné vody několika způsoby.

2.1 Volba nejnižších jmenovitých teplot vytápěcí nebo ohřívací vody

Při této volbě musí projektant přihlédnout také k průběhu teploty zpětné vytápěcí vody během vytápěcího období, k tzv. topným křivkám, což je graficky vyjádřená závislost teploty přívodní a zpětné vody na teplotě venkovní (obr. 1). Vidíme, že průsečík přímky t_rb = 53 °C, která představuje teplotu rosného bodu, a zpětné topné křivky soustavy 75/60 °C je při venkovní teplotě t_e = -5 °C. Průsečík potom vymezuje dvě rozmezí vnějších teplot. Jednak rozmezí s nízkými vnějšími teplotami, při nichž nedochází ke kondenzaci, jednak rozmezí s vyššími vnějšími teplotami, při nichž dochází ke kondenzaci. Snahou samozřejmě je, aby druhé rozmezí bylo co nejširší.

Obr. 1

U vytápěcí soustavy 40/30 °C je patrné, že teplota zpětné vody je vždy nižší než teplota rosného bodu. Znamená to, že ke kondenzaci dochází po celé vytápěcí období.

2.2 Hydraulické zapojení tepelné soustavy

Protože jsou k dispozici vyspělé kondenzační kotle o tepelných výkonech totožných s požadovanými výkony daných kotelen a jejich výkon je řízen spojitě v rozmezí 100 až 10 nebo 25 %, můžeme navrhovat kotelny pouze s jedním kotlem. Toto řešení má příznivý vliv na snížení investičních nákladů na kotelnu.

V tepelných soustavách nesmí být použity prvky, které zvyšují teplotu zpětné vody. Jedná se zejména o čtyřcestné směšovače, regulátory tlakového rozdílu pracující na principu přepouštění a další přepouštěcí armatury. Teplotu zpětné vody zvyšují také vyrovnávací spojky, pokud není ve všech provozních stavech zajišťován větší průtok vytápěcím okruhem oproti průtoku v kotlovém okruhu. V tomto případě se na vyrovnávací spojce děje směšování a ne nepřípustné přepouštění.

2.3 Řízení tepelného výkonu a hydraulických poměrů

Řízení tepelného výkonu kotle bývá nejčastěji ekvitermické, kdy teplota výstupní vody z kotle je řízena podle venkovní teploty, a to v celém, případně v částečném rozsahu venkovních teplot. Potom nastavení topné křivky musí být co nejnižší. Pokud je v kotelně více kondenzačních kotlů, musí být provozovány společně a ne postupně (kaskádově). Při společném běhu kotlů při nižším vytížení se lépe vychlazují spaliny a dosahuje se vyšší účinnost (obr. 2).

Obr. 2

Pro dosahování nejvyšší možné účinnosti kotelny s více kondenzačními kotli je nutné, aby byly kotle provozovány vždy společně, ne postupně. Pokud jsou do kotelny, určené pouze pro vytápění, osazeny dva kondenzační kotle stejného výkonu, budou provozovány společně během celého vytápěcího období. To je možné tehdy, když rozsah spojitě řízeného výkonu každého kotle odpovídá rozsahu potřebného tepelného příkonu na vytápění v mezích 100 až 25 %.

V tomto rozsahu teplot by kotel pracoval s poměrnými výkony 100 až 50 %. Přitom při společném běhu obou kotlů v rozsahu venkovních teplot 4 až 12 °C budou kotle pracovat s poměrnými výkony 50 až 25 %, při kterých budou dosahovat vyšší účinnosti.

2.4 Použití regulačních škrticích armatur

Při použití regulačních armatur, které pracují na principu škrcení průtoku, např. termostatických radiátorových ventilů nebo přímých či trojcestných regulační armatur, bude průtok proměnný. Vliv škrcení průtoku regulačními armaturami na zvýšení okamžité účinnosti kondenzačních kotlů je velice příznivý. Při snížených průtocích dochází v otopných tělesech ke zvýšenému ochlazení oběhové vody, takže teplota zpětné vody se značně snižuje.

V soustavách s proměnnými průtoky je vhodné použít kompaktní řízená oběhová čerpadla s proměnnými otáčkami. Pokud tato čerpadla budou nastavena podle projektu, mohou také vykázat podstatně nižší spotřebu elektrické energie.

2.5 Hydraulické seřízení tepelné soustavy

Aby teploty zpětné vody ve vytápěcí soustavě byly blízké teplotám podle zpětné topné křivky, která je uváděna při plných průtocích, musí být také skutečný nejvyšší průtok roven průtoku výpočtovému. To se provádí hydraulickým seřízením tepelné soustavy, kdy se průtoky do hlavních potrubních úseků uvádějí do shody s průtoky projektovými.

Při průtocích vyšších než jsou průtoky projektové, což je častý případ u hydraulicky neseřízených vytápěcích soustav se stálým průtokem, by se zvyšovaly teploty zpětné vody nad rámec daný teplotami zpětné topné křivky. Rovněž by oběhová čerpadla vykázala vyšší spotřebu elektrické energie.

3. Zajištění minimálního průtoku vody kotlem

U kondenzačních kotlů bývá spojité řízení tepelného výkonu dáno rozsahem mezi jmenovitým a určitým minimálním výkonem. Je zajímavé, že při proměnném průtoku vody kotlem neodpovídá hodnota minimálního poměrného průtoku hodnotě minimálního poměrného výkonu. Hodnota minimálního průtoku kondenzačním kotlem je závislá na výpočtových teplotách vytápěcí soustavy a na maximálním přípustném ohřátí vody v kotli.

U průtočných kotlů by docházelo při velkém ohřátí vody v kotli k tepelnému a následně i k mechanickému namáhání teplosměnné plochy, které by mohlo vést až k její destrukci. Rovněž by docházelo k překročení nejvyšší dovolené teploty nastavené na provozním nebo i bezpečnostním termostatu kotle.

Pokud do vytápěného objektu budou vstupovat tepelné zisky, bude vlivem zásahu regulačních armatur, které pracují na principu škrcení průtoku, snižován průtok vody do kotle. Tím bude docházet k většímu ohřátí vody v kotli. Teplota výstupní vody by narůstala, ale protože je ekvitermicky řízená, bude kotel na zvýšení teploty reagovat snížením tepelného výkonu, přičemž mezním výkonem je výkon minimální, nejčastěji s hodnotu 25 % z výkonu jmenovitého. Při požadavku ještě nižšího výkonu je kotel řídicím systémem vypínán. Kotel je však vypínán i v případě, kdy ohřátí oběhové vody v kotli dosáhne určitou maximální přípustnou hodnotu, např. 33 K. Proto platí zásada, že kotel je vypínán tehdy, když se buď dosáhne minimální výkon 25 % nebo když se dosáhne maximální přípustné ohřátí vody 33 K.

3.1 Zajištění minimálního průtoku vyrovnávací spojkou

Zapojení kondenzačního kotle do vytápěcí soustavy je provedeno přes vyrovnávací spojku, která rozděluje soustavu na kotlový okruh s oběhovým čerpadlem s konstantním průtokem a na okruh vytápěcí s oběhovým čerpadlem. Vlivem vyrovnávací spojky vždy dochází ke zhoršení účinnosti kotle zvýšením teploty vstupní vody do kotle vlivem přepouštění spojkou a jedná se tak o tepelnou ztrátu. Toto zapojení nedoporučuji. Pro soustavy s kondenzačním kotlem s požadovaným minimálním průtokem je vhodnější následující zapojení.

3.2 Zajištění minimálního průtoku přepouštěcí spojkou

V tomto zapojení kondenzačního kotle do vytápěcí soustavy (obr. 3) je kolem kotle provedena přepouštěcí spojka (5), ve které je přepouštěcí oběhové čerpadlo (6) se zpětnou klapkou. U oběhového čerpadla (1) je osazen průtokoměr (7). Když průtok vody poklesne pod výrobcem požadované minimum zjištěné snímačem průtoku, spustí regulátor přepouštěcí čerpadlo dimenzované právě na minimální průtok. Toto čerpadlo bude v chodu do doby překročení minimálního průtoku. Při tomto zapojení se při vyšších průtocích soustavou využívá efekt ze snížené teploty zpátečky. Při podlimitních průtocích soustavou tento efekt zaniká a naopak dochází ke zhoršení účinnosti kotle zvýšením teploty vstupní vody do kotle vlivem přepouštění. Toto zapojení doporučuji pro vytápěcí soustavy s kondenzačním kotlem s požadovaným minimálním průtokem.

Obr. 3

Poznámka k zajišťování minimálního průtoku vyrovnávací spojkou

Při působení tepelných zisků ve vytápěném objektu dochází při činnosti řídicího systému ke škrcení průtoku, ke snižování tepelného výkonu a také teploty zpětné vody. Poměrnou hodnotu tepelného zisku (vztaženého k výpočtové tepelné ztrátě) uvažujme ve výši q_a = 0,10.

Sníženou teplotu zpětné vody, jakož i nižší průtok oběhové vody, lze stanovit ze tří klasických topenářských vztahů. Jedná se o vztahy, které popisují při ustáleném stavu shodu tepelných výkonů otopného tělesa (na vodní a vzduchové straně) s tepelnou ztrátou vytápěné místnosti.

Pokud je použita vyrovnávací spojka a v kotlovém okruhu bude konstantní průtok, bude při vzniku tepelného zisku docházet k přepouštění vody vyrovnávací spojkou a do kotle bude vstupovat oběhová voda o vyšší teplotě. Zvýšenou teplotu vstupní vody do kotle lze stanovit opět řešením uvedených topenářských vztahů.

Charakteristikou kondenzačního kotle (obr. 2) se rozumí grafická závislost okamžité účinnosti kotle na vytížení kotle při napojení na vytápěcí soustavu danou výpočtovými teplotami oběhové vody. Tato závislost se také nazývá průběhem účinnosti. Výrobci kotlů většinou uvádějí dvě charakteristiky. Jednu pro soustavu 80/60 °C a druhou pro nízkoteplotní soustavu 40/30 °C. Pokud potřebujeme znát charakteristiku pro soustavu o jiných výpočtových teplotách, lze ji odvodit jednak na základě shody účinností při shodě teplot vstupních vod do kotle (zpáteček), jednak ze znalosti zpětných topných křivek výchozí soustavy, pro kterou charakteristiku odvozujeme. Výhodné je použít grafické řešení.

Pokud vypočítáme roční provozní účinnosti, např. pro kondenzační kotel napojený na vytápěcí soustavu 80/60 °C s danou charakteristikou, bude roční provozní účinnost η_r = 1,051. Pro stejný kondenzační kotel napojený na stejnou vytápěcí soustavu s tepelným ziskem q_a = 0,10 bude roční provozní účinnost η_r = 1,076. Pro stejný kondenzační kotel napojený na stejnou vytápěcí soustavu s vyrovnávací spojkou a s tepelným ziskem q_a = 0,10 bude roční provozní účinnost η_r = 1,044.

Podíl nejnižší a nejvyšší účinnosti kotle při tepelném zisku q_a = 0,10 činí 1,044 / 1,076 = 0,97, což představuje zhoršení účinnosti kotle s vyrovnávací spojkou, a to vzhledem ke kotli bez vyrovnávací spojky.

Pokud výrobce kondenzačního průtočného kotle předepisuje zajištění minimálního průtoku, musí být v projektu k tomuto účelu navržena např. vyrovnávací spojka. Když bude kondenzační kotel provozován s ekvitermicky řízeným výkonem, způsobí vyrovnávací spojka u vytápěcí soustavy 80/60 °C pouze tříprocentní snížení roční provozní účinnosti kondenzačního kotle. U vytápěcích soustav s nižšími výpočtovými teplotami oběhové vody bude snížení účinnosti samozřejmě nižší. Naopak, v případě provozu kondenzačního kotle na konstantní výstupní teplotu oběhové vody, bude ale snížení roční provozní účinnosti znatelné.

Tento příspěvek byl přednášen na seminářích firmy Hoval Plzeň v roce 2006.