Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Zdroje tepla na plyn

11.4.2007

Firemní

ÚVOD

Vzhledem k očekávanému vývoji cen všech druhů energií je v současnosti více než dříve důležitá správná volba správného zařízení na výrobu tepla a vhodného paliva jako zdroje energie.

Hlavní faktory, které ve většině případů rozhodují při výběru vhodného paliva a zařízení na výrobu tepla:

Cena paliva (energie)
Plynulost dodávek
Komfort
Celkové provozní náklady
Investiční náklady

Protože plyn, a to převážně právě zemní plyn, je i bude zřejmě stále ještě nejpoužívanějším a v mnoha případech oprávněně i nejvhodnějším zdrojem tepelné energie, připomeneme si hlavní výhody jeho využití:

není nutné budovat prostory pro skladování paliva
není nutná pravidelná obsluha kotle: vysoký komfort provozu po všech stránkách
snadná a účinná regulace topného systému
neomezená dodávka prakticky 365 dní v roce 24 hodin denně
minimální ekologický dopad
vysoce účinné a výkonné spotřebiče
jedním spotřebičem lze vyřešit vytápění objektu i přípravu teplé vody

Z hlediska konstrukce zařízení, umístění, vlivu na životní prostředí, použitých hořáků, způsobu využití energie paliva aj. aspektů lze plynové zdroje tepla (dále jen "plynová topidla") dělit do mnoha skupin. Uvedeme jen některé:

I. Plynová topidla - druhy - použití

Dělení podle míry negativního vlivu na kvalitu ovzduší (Zákon 86/2002 Sb o ochraně ovzduší rozděluje všechny zdroje znečišťování ovzduší - a tedy i plynové spotřebiče pro topení, podle míry vlivu na kvalitu ovzduší na:

zvláště velké spalovací zdroje (ZV) o jmenovitém příkonu 50 MW a vyšším, bez přihlédnutí ke jmenovitému výkonu,
velké spalovací zdroje (V) o jmenovitém výkonu vyšším než 5 MW do 50 MW, nespadající do předchozí kategorie
střední spalovací zdroje (S) o jmenovitém výkonu od 0,2 MW do 5 MW včetně
malé spalovací zdroje (M), kterými jsou spalovací zdroje o jmenovitém výkonu menším než 200 kW.

Zásadní důležitost má pravidlo uvedené v § 4, čl. 6 v zákonu č. 86/2002 Sb., které stanoví, že pro účely stanovení kategorie zdroje nebo emisních limitů se jmenovité tepelné příkony nebo výkony pro zdroje kategorií ZV, V a S téhož provozovatele sčítají, jestliže:

jsou zdroje umístěny ve stejné místnosti, stavbě nebo v pracovním celku,
spaliny jsou vypouštěny společným komínem bez ohledu na počet průduchů nebo by s ohledem na uspořádání a druh používaného paliva mohly být vypouštěny společným komínem.

Obdobné pravidlo platí podle § 4, čl. 7 i pro malé spalovací zdroje, kde se pro účely stanovení kategorie zdroje sčítají tepelné výkony malých spalovacích zdrojů téhož provozovatele za předpokladu, že spaliny jsou nebo by mohly být vypouštěny společným komínem.

Rozdělení plynových topidel podle použitých hořáků

a to podle tlaku zemního plynu (obecně paliva)

nízkotlaké (s přetlakem zemního plynu do 5 kPa)
středotlaké (s přetlakem zemního plynu 5 až 400 kPa)

přívodu spalovacího vzduchu do hořáku

hořáky ejekční, - tzv. atmosférické hořáky. Do směšovače atmosférických hořáků se nasává pouze část stechiometrického objemu spalovacího vzduchu, zbývající spalovací vzduch je přiváděn do spalovacího prostoru tahem spotřebiče.
hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu, jehož zdrojem je obvykle ventilátor.

způsobu přenosu tepla v pracovním prostoru

hořáky s převážně konvekčním účinkem
hořáky sálavé
hořáky se spalováním na povrchu keramických desek (tzv. infrazářiče).

způsobu směšování plynného paliva se vzduchem

hořáky bez předmísení plynu a spalovacího vzduchu před vstupem do spalovacího prostoru
hořáky s částečným předmísením plynu a vzduchu
hořáky s úplným předmísením plynu a vzduchu

Rozdělení plynových topidel podle konstrukce (jen hlavní druhy):

plynové kotle
přenosné plynové zářiče
plynová lokální topidla
plynová kachlová kamna a krby
plynová tepelná čerpadla
plynové kogenerační jednotky
další možnosti ...

Rozdělení plynových spotřebičů podle účelu, druhu použití

Podle účelu použití se plynové spotřebiče dělí na skupiny:

domácí spotřebiče
spotřebiče ve službách (komunální spotřebiče)
spotřebiče pro výrobu tepla
průmyslové plynové spotřebiče
zvláštní spotřebiče
plynové sporáky a vařiče
průtokové a zásobníkové ohřívače užitkové vody
teplovodní a kombinované kotle
další možnosti...

II. Plynové kotle - druhy

Podle způsobu umístění a upevnění kotle:

stacionární (na podlaze či soklu)
závěsné (na zdi)

Podle použitého materiálu:

ocelové
litinové článkové
jiné, kombinace materiálů, speciální materiály

Podle možného způsobu provozu:

kotel klasický

Kotel, který je navržen pro provoz se suchými spalinami, přičemž nejnižší dovolená teplota vstupní vody bývá omezena hodnotou 60 °C. Po většinu otopného období pracuje s konstantní teplotou kotlové vody. Účinnost cca do 88%.

kotel nízkoteplotní

Kotel, který je navržen pro provoz se suchými spalinami, přičemž může pracovat i s teplotami vstupní vody 35 až 40 °C; za určitých podmínek v kotli může docházet ke kondenzaci. Po většinu otopného období pracuje s proměnnou teplotou kotlové vody. Účinnost cca do 92%.

kotel kondenzační

Účelem kondenzačního provozu je v maximální míře využívat kondenzace odchozích spalin k dalšímu ohřevu vratné vody, s teplotami vstupní vody standardně 35 až 40 °C. Účinnost cca do 106%.

Podle počtu výkonových stupňů hořáku (regulace výkonu):

jednostupňové
dvoustupňové (dva výkonové stupně, nejčastěji 50% a 100% výkonu)
plynulá modulace výkonu v rozsahu nastaveného min - max.

Podle způsobu přívodu spalovacího vzduchu a odvodu spalin (např. ČSN EN 1749):

kategorie A: Vzduch pro provoz spotřebiče se přivádí z prostoru, kde je spotřebič instalován, a spaliny jsou odváděny do téhož prostoru
kategorie B: Vzduch pro provoz spotřebiče se přivádí z prostoru, kde je spotřebič instalován, a spaliny jsou odváděny do venkovního prostoru do komínu, kouřovodu s funkcí komínu
kategorie C: Vzduch pro provoz spotřebiče se přivádí z venkovního prostoru a spaliny jsou rovněž odváděny do venkovního prostoru (na venkovní fasádu nebo nad střechu v provedení tzv. "turbo"

Podle způsobu ohřevu teplé užitkové vody (TUV):

kotle bez ohřevu TUV, určené pouze pro vytápění
kotle s průtokovým ohřevem TUV, tzv. kombinované
kotle pro akumulační přípravu TUV, a to:
- s vestavěným zásobníkem TUV
- s možností připojení externího závěsného či stacionárního nepřímotopného zásobníku

III. Úspora energie a snížení emisí

Hledání dalších úspor energií obecně, využívání nových zdrojů obnovitelných energií a všeobecné snižování emisí je v současnosti prvořadým úkolem vlád, politiků, vědců, technických týmů, konstruktérů i jednotlivých obyvatelů zejména všech průmyslově vyspělých zemí světa.

V oblasti plynových topidel jsou tyto trendy nejmarkantnější, prvořadá jsou hledání nových technických řešení za účelem snížení emisí (zejm. NOx, CO) a naopak zvyšování účinnosti spalování - tyto trendy jsou zmíněny v závěru úvahy.

Národní program označování ekologicky šetrných výrobků

Ne každý zaznamenal, že v ČR již celou řadu existuje Národní program označování ekologicky šetrných výrobků, jehož fyzickým výstupem je vylepení tzv. zelené známky "ekologicky šetrný výrobek" přímo na prověřený výrobek.

Zřizovatelem Národního programu je Ministerstvo životního prostředí, odborným poradním orgánem je Rada pro ekologicky šetrné výrobky, jejímiž členy jsou významné osobnosti hospodářského a společenského života. Výkonným orgánem programu je Agentura pro ekologicky šetrné výrobky (součást CENIA), vedoucí veškerou agendu ohledně ekoznačení (poskytuje přihlášky, uzavírá licenční smlouvy, eviduje odborná pracoviště, zpracovává návrhy kritérií a požadavků stanovených pro hodnocení výrobků, přijímá návrhy výrobců a dovozců na udělení ekoznačky).

Jedná se o označování produktů a služeb k životnímu prostředí šetrnějších než je tomu u výrobků srovnatelných a zaměnitelných, věrohodnost je zaručena řízením programu "třetí" nezávislou stranou, nejčastěji pověřeným národním zkušebním ústavem. Takto označené výrobky by měly mít přednost v získávání státních i jiných zakázek, měly by se dostat do kladně hodnoceného povědomí lidí a mít tak určité výhody na trhu.

Ekoznačení v Evropské unii

V Evropské unii existuje již od roku 1992 nadnárodní systém označování ekologicky šetrných výrobků. Program byl zřízen na základě nařízení rady Evropského hospodářského společenství - Council Regulation (EEC) No 880/92 on a Community eco-label award scheme - a v rámci něj je udělována ekoznačka EU "The Flower".

Kompetenci udělit ekoznačkou EU má v České republice rovněž Agentura pro ekologicky šetrné výrobky. Ekoznačku může získat jakýkoliv výrobce nebo poskytovatel služby, jehož výrobek, či službu, lze zařadit do některé z výrobkových kategorií Evropské unie.

IV. Kondenzační kotle

KONDENZACE

Princip: Při spalování zemního plynu (metanu CH₄) nebo propanu (C₃H₈) vzniká určité množství vody, hořením dochází k jejímu dalšímu zahřátí. Voda pak v podobě vodní páry spolu s oxidem uhličitým tvoří spaliny. Tepelné spaliny s sebou nesou část skryté tepelné energie, tzv. latentní teplo. Pokud tyto spaliny ochladíme pod teplotu jejich rosného bodu, dojde ke změně skupenství - kondenzaci - obsažené vodní páry a k následnému uvolnění tohoto tepla. V kondenzačním kotli se takto uvolněná energie pomocí speciálního výměníku tepla využívá k předehřevu vratné vody.

Graf využití energie u kondenzační techniky

Základní pojmy:

Spalné teplo plynu Hs [kWh/m³]

Je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením jednotkového množství plynu a stechiometrického množství kyslíku (o počátečních teplotách 25°C) při ochlazení spalin zpět na teplotu 25°C. Jde tedy o veškeré množství tepla vzniklé spálením jednotkového množství paliva a zahrnuje i ve vodní páře vázané, tzv. latentní teplo.

Výhřevnost plynu Hi [kWh/m³]

Výhřevnost plynu je rovna spalnému teplu, zmenšenému o teplo uvolněné kondenzací vodní páry ze spalin. Jde tedy o množství tepla, které energii obsaženou ve vodní páře spalin nezohledňuje (u klasických kotlů odchází toto teplo komínem do ovzduší). Právě z výhřevnosti se stanovuje účinnost spalovacích zařízení, a proto může udávaná účinnost kondenzačních kotlů převyšovat hodnotu 100% (cca 104 - 106 %).

Teplo, které lze získat z úplné kondenzace, činí 11% výhřevnosti zemního plynu. Pokud ochlazujeme spaliny zemního plynu získané ideálním spalováním (bez přebytku vzduchu), začne pod teplotou rosného bodu (pod 57°C) ve spalinách kondenzovat vodní pára. Teplota spalin je provázána s teplotou vratné vody ze systému. Je požadováno, aby rozdíl mezi teplotou spalin a teplotou vratné vody byl 5K při jmenovitém výkonu kotle a alespoň 2K při výkonu minimálním. Pokud teplota vratné vody ze systému bude vyšší než teplota rosného bodu spalin, nedojde ke kondenzaci a uvolnění kondenzačního tepla (kotel sice nebude využívat této své přednosti, ale stále bude pracovat s účinností nízkoteplotního kotle). Skutečný rosný bod spalin se pro zemní plyn pohybuje mezi 50 a 55°C. Má-li docházet ke kondenzaci, musí se teplota vratné vody pohybovat pod touto hodnotou. Řízení směšovacího poměru vychází z konstrukčního řešení kotle a jeho seřízení. Ideální jsou systémy, u kterých je teplota vratné vody po celé topné období (tedy i při nejnižších venkovních teplotách) o 5°C nižší než skutečná teplota rosného bodu spalin. Pro soustavy s kondenzačním kotlem na zemní plyn je tak trvale zaručen nejvyšší normový stupeň využití ve spojení s teplovodními nízkoteplotními systémy se spády 40/30 až 55/45°C. Ke kondenzaci bude docházet po celou dobu provozu kotle, při každém stupni zatížení. Vhodnou otopnou plochu představují sálavé systémy se zabudovanými teplovodními trubními rozvody, neboli podlahové či stěnové vytápění.

Kondenzační techniku lze samozřejmě v našich klimatických podmínkách efektivně využívat i u soustav s vyššími teplotami topné vody. V určitém časovém období - při velmi nízkých venkovních teplotách - bude teplota vratné vody překračovat rosný bod spalin, k využití tepla z kondenzace nedojde a normovaný stupeň využití kotle se sníží. V našich klimatických podmínkách pracují otopné systémy se spádem 75/60°C v kondenzačním režimu až po dobu 85% topné sezóny.

Kondenzační kotle pro domovní kotelny jsou vybaveny nejčastěji přetlakovým hořákem. Pokud jsou vybaveny hořáky atmosférickými s předsměšováním směsi, mají ještě odtahové ventilátory. Kondenzační kotle lze dále rozlišovat podle toho, jak je řízen tepelný výkon (spojitě, jednostupňově, dvoustupňově) a jak je řízeno spalování. Řízení přebytku vzduchu, resp. směšovacího poměru vzduch - plyn, se provádí buď přímo tzv. lambda sondou (snímá přebytek kyslíku), nepřímo z průtoku plynu.

Kondenzační kotle jsou vyráběny nejčastěji v následujících provedeních:

kotle se spojitě řízeným výkonem a s přímým řízením směšovacího poměru lambda sondou
kotle se spojitě řízeným výkonem a s nepřímým řízením směšovacího poměru
kotle s dvoustupňovým výkonem a s nepřímým řízením směšovacího poměru
kotle se spojitě řízeným výkonem bez řízení směšovacího poměru

V. Regulace, zabezpečení, diagnostika

Se vzrůstající cenou všech zdrojů energií i se zvyšujícími se nároky na kvalitu životního prostředí všichni výrobci plynových kotlů stáli před zdánlivě neřešitelným problémem: jak úspěšně spojit vysokou energetickou účinnost a ekologickou čistotu spalovacího procesu, tzn. technické zajištění špičkového řízení a regulace kotlů, a to navíc současně při zachování přijatelné ceny pro konečného odběratele.

Současná technika a mikroelektronika dospěla do stádia, že analogové řídicí a zabezpečovací desky (elektroniky, automatiky) již začínají být minulostí a současným trendem je v drtivé většině případů kompletní mikroprocesorové řízení všech potřebných funkcí, včetně bezpečnostních. Podmínky pro funkci a konstrukci automatik hořáků jsou stanoveny zejm. v evropské normě EN 298. Mj. musí být technicky (hw, sw) zaručeno, že v případě libovolné jednoduché poruchy (zkrat nebo přerušení čidla, vodiče, polovodivého přechodu apod.) nemůže dojít k provozně nebezpečnému stavu. Signál od (většinou) používaného ionizačního hlídače plamene bývá navíc využit i k účinné optimalizaci procesu hoření.

Standardem automatik již bývá i autodiagnostika provozu kotle, stavu snímačů a čidel. V případě zjištěné poruchy je automatika schopná jednoznačným kódem signalizovat příčinu poruchy, příp. uchovávat např. posledních deset poruch v servisní paměti.

Základní regulací kotle bývá využití jednoduchého prostorového termostatu (připojen do okruhu kotle kontaktem, umístěného v tzv. charakteristické místnosti, podle které chceme vytápět celý objekt.

Regulace kotle na základě informace o venkovní teplotě je jednou z dalších možností velice efektivní regulace - tzv. ekvitermní regulace.

Jednoduché a přitom stále ještě relativně levné řešení - kombinace venkovního čidla a některého z obvyklých prostorových termostatů již pak zajistí poměrně kvalitní efektivitu vytápění i samotného provozu většiny kotlů.

Dalšími variantami je zkvalitnění řízení provozu jednotlivých kotlů nadřízeným prostorovým termostatem příp. regulátorem, který už např. může dokázat přes inteligentní rozhraní kotlů komunikovat přímo s řídicím mikroprocesorem automatiky. Dochází tak k přenosu informací nejen o požadované teplotě v topném systému v závislosti na prostorové a venkovní teplotě, ale i k zpětnému zobrazování provozních informací o kotli na čelním displeji (pracovní režim, výkon, teploty, případné poruchy atd.). Tyto systémy se vyznačují mnoha nastavitelnými a zobrazovatelnými parametry pro optimální řízení topného zařízení s plynulou modulací výkonu každého kotle v celém rozsahu.

Pro komfortní řízení kaskády kotlů nebo celé kotelny jsou určeny regulační systémy s volně programovatelným regulátorem (např. Tronic 2008E), který může zabezpečovat nezávislé řízení např. až 6 regulačních okruhů a v závislosti na jejich aktuálních požadavcích zasílat po interní komunikační lince povely pro řízení celé kaskády. Současně je schopen shromažďovat provozní data od technologických okruhů i od kaskády a zpřístupnit je (např. pomocí obvyklého sériového rozhraní RS232 nebo RS485, ale i pomocí GSM brány nebo telefonního modemu) pro případnou vzdálenou kompletní správu kotelny (tzv. dispečink).

Samozřejmě s vývojem řídicích systémů a automatiky souvisí i vývoj kvalitních a přesných čidel, snímačů, regulačních ventilů, ventilátorů a čerpadel s plynule měnitelnými otáčkami aj.

VI. Kaskádové uspořádání plynových kotlů

Jedinečné ekonomické, ekologické i technické přednosti a parametry současných moderních plynových kotlů jsou maximálně využity právě v kaskádovém spojení s použitím některého s kvalitních regulátorů nebo regulačních systémů. Např. český výrobce plynových kotlů (společnost Thermona) využívá svůj vlastní systém řízení přidružených plynových kotlů (tzv. slave) řídicím kotlem (tzv. master) pomocí elektronických modulů - tzv. interface. Program těchto inteligentních modulů zajišťuje veškerou komunikaci - řízení a výměnu dat - kotlů jak mezi sebou navzájem, tak s topným systémem a venkovním i vnitřním prostorem. Kromě vysoké účinnosti kotlů a plynulé modulace v extrémním rozsahu kaskádová kotelna umístěná přímo ve vytápěném objektu reaguje přesně a pružně dle požadavků vytápěného objektu, navíc dokáže výkon na základě okamžité potřeby plynule modulovat od minimálního výkonu jednoho kotle až do součtu maximálních výkonů všech kotlů v kaskádě - např. až šestnácti.

VII. Hlavní trendy dalšího vývoje plynových topidel

Stávající i očekávané důrazy

ZVYŠOVÁNÍ ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI ZDROJŮ A SPOTŘEBIČŮ TEPLA
Použité příklady nových technických řešení:
- nové materiály a technologie výroby výměníků spaliny -voda příp. voda-voda, dále plynových hořáků, účinnější teplosměnné plochy, mikrolamely...
- inteligentní regulační plynové ventily, úsporná čerpadla, akční prvky ovládané krokovými motory, výkonnějšími procesory aj.)
- dokonalejší kotlové automatiky - SMD technologie, výkonnější mikroprocesory
- špičková regulace, inteligentní regulátory - ekvitermní regulace, modulace výkonu ve velkém rozsahu,
- přesné snímače veličin, čidla, komunikace OpenTherm regulátoru a řídicí automatiky
- kyslíkové lambda sondy v odvodu spalin s návazností na tlak plynu a množství vzduchu
- spojování kotlů, zařízení do inteligentních kaskád (regulace už nejen kotlů, ale celých kotelen)
ROSTOUCÍ DŮRAZ NA EKOLOGII (emise, imise, ovlivňování ŽP)
UŽIVATELSKÝ KOMFORT
DESIGN, CENA
SPOJOVÁNÍ PLYN. KOTLŮ S DALŠÍMI ZDROJI ENERGIE OZE (obnovitelné zdroje energie)
- energie slunce, větru, země, vzduchu, vody, biomasy ...tzn. tepelná čerpadla, sluneční kolektory, větrné elektrárny apod.
SPOLEHLIVOST ZAŘÍZENÍ, DOKONALÝ SERVIS
- Nové sofistikované technologie výroby a montáže
- Automatizované postupy výstupní kontroly zkoušek
- Vysoká úroveň vyškolených servisních pracovníků.

Autor: Ing. Zachariáš - technický ředitel - Thermona

Veletrhy Brno, a.s.

Největší realizátor veletrhů a výstav v České republice s více než třicetiletými zkušenostmi v oboru. Hlavními obory činnosti je poskytování obchodních (výstavářských) služeb pro podniky a pronájem vlastních nemovitostí (výstavních ploch a pavilonů). ...