Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

JUNKERS Tipy pro topenáře (XII) - Teoretické základy kondenzační techniky

V kondenzační techni­ce je pomocí speciálního vý­mě­níku a příslušných teplotních podmí­nek umožněno ma­xi­málně využít teploty spalin tak, že vod­ní pára v nich obsa­žená pře­dá teplo a změ­ní sku­pen­ství - využi­je se Latentní teplo. Změnou skupenství páry ve spa­linách se uvolní část energie - teore­ticky max. až 11 % tepelné energie navíc, která může být využita k ohřevu otop­­né vody a podstatně zvy­šit účinnost přístroje.

Kondenzační technika zaujímá v moderní tepelné technice vysokou důležitost.

Její jednoznačné přednosti jsou:

  • efektivní využití energie s vysokou účinností
  • efektivní využití energie s vysokou účinností
  • návratnost vložené investice
  • spolehlivé technické zařízení
  • nízké hodnoty škodlivých emisí
  • možnost variabilního vedení spalin

Připomeňme si některé základní teoretické principy a zákonitosti, z nichž kondenzační technika vychází. Důvodem je vybavit Vás jednoznačnými argumenty a nástroji, které Vám pomohou jasně stanovit technické náležitosti pro správnou volbu kondenzační techniky Junkers.

Teoretická rovnice spalování
Při spalování zemního plynu vzniká dle fyzikální rovnice spalování kysličník uhličitý CO2 a voda H2O (obr. 1). Takto vzniklá voda se vyskytuje ve spalinách v podobě páry, která odchází kouřovo­dem. Tepelné spaliny s sebou nesou část schované tepelné energie tzv. Latentní (necitelné) teplo.

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
plyn (metan) vzduch spaliny voda (v páře)

U kon­ven­čních zařízení uteče tato část schované energie (Latentní teplo) nevyužité kou­­řo­vodem do atmosféry. V kondenzační techni­ce je pomocí speciálního vý­mě­níku a příslušných teplot­ních pod­mí­nek umožněno ma­xi­málně vy­užít teploty spalin tak, že vod­ní pára v nich obsa­žená pře­dá teplo a změ­ní sku­pen­ství - využi­je se Latentní teplo. Změnou skupenství páry ve spa­linách se uvolní část ener­gie - teore­ticky max. až 11 % tepelné energie navíc, která může být využita k ohřevu otop­­né vody a podstatně zvy­šit účinnost přístroje.

Změnou stavu skupenství z páry na vodu může být kondenzační teplo páry ve spalinách předáno topné­mu systému. Při navyšování teploty se nazývá bod X bodem varu. V případě kondenzační techniky, kdy je systém ochla­zován, se nazývá tento bod bodem kondenzace.

Princip kondenzační techniky v názorném zobrazení

Vodě o teplotě 100 °C je přiváděna energie ve formě tepla. Vzniká horká vodní pára. Je-li tato vodní pára vedena přes chladnější přenašeč tepla - přes tepelný výměník, předá pára teplo. Při tom z vodní páry opět vzniká voda a navíc je odevzdáno přesně stejné množství energie, které bylo v počáteč­ním stavu vo­dě přivedeno.

Dle věty o zachování ener­gie nedochází k žádné ztrátě energie a proto teoretic­ky platí, že energie přivedená vodě při tvorbě páry, je při kondenzaci zase uvolněna. Tohoto základního principu využívá kondenzační technika. Tepelný vý­mě­ník kondenzač­ního kotle by proto měl mít "zpáteč­ku" z otopného systému chladnější než jsou spaliny. Pak může využívat teplo spalin, vodní pára ve spali­nách zkon­den­zuje a kondenzační kotel může pracovat v ideál­ním nízkoteplotním režimu.


Z obrázku 5 je patrné, že čím nižší teplota vratné vody otopného systému ("zpátečky") tím vyšší jsou úspory a normovaný stupeň využití.

Porovnání výhřevnosti a spalného tepla


Jako základní bod uvedení účinnosti slouží výhřevnost. Výhřevnost je stanovená jako 100 %. Ve spalinách vzniklých při spalování zemního plynu činí uvolňující se energie zkondenzováním vodních par maximálně 11 % (vztaženo k výhřevnosti Hi). U zemního plynu je proto pro spalné teplo (Hs) udávána jako teoretická maximální hodnota 111 %.

Až 109 % účinnost!

Kondenzační zařízení vykazují účinnost přes 100 %. Samozřejmě nejde o žádné "Perpetum mobile", ale je nutno vyjasnit zavedené pojmy. Pro tepelnou hod­no­tu jsou zavedeny dva údaje - výhřevnost (Hi) a spalné teplo (Hs).

Výhřevnost Hi v kWh/m3 (dříve dolní provozní vý­hřev­nost) je množství tepla, které energii obsaženou ve vodní páře spalin nezohledňuje, neboť u klasic­kých konvenčních zařízení odchází toto množství tep­la komínem do ovzduší. Přesně jde o teplo uvol­ně­né při úplném spalování 1 m3 plynu, když při spalo­vá­ní vzni­klá vodní pára odchází nevyužitá přes komín. Spalné teplo Hs v kWh/m3 (dříve horní provozní vý­hřevnost) představuje veškeré množství tepla vznik­lé spálením, tzn. i ve vodní páře vázané tzv. latentní (ne­ci­telné) teplo. Přesně jde o teplo uvolněné při úplném spalování 1 m3 plynu, přičemž vodní pára vzniklá při spa­lování zkondenzuje a je k dispozici v tekutém stavu.

Právě z výhřevnosti (z citelného tepla) se počítá vždy účinnost spalovacích zařízení, a proto se z ní vychází kondenzační techniky. Fyzikálně správně bychom účinnost mohli stanovovat ze spalného tepla jako jakousi účinnost absolutní, ale vychází z výhřevnosti a proto se ze spalného tepla stanovuje tzv. normovaný stupeň využití a ten bývá u kondenzační techniky nad 100 % a často je zaměňován za hodnotu nazvanou účinnost.

Porovnání výhřevnosti a spalného tepla používaných topných médií

Zemí plyn L Zemí plyn H Propan Topný olej
Spalné teplo Hs kWh/m3 10,20 11,06 28,12 10,68
Výhřevnost Hi kWh/m3 9,21 9,97 25,89 10,08
Poměr Hs/Hi 110,7 + 10,7% 110,9 + 10,9% 108,6 + 10,9% 105,9 + 5,9%
Teplota kondenzace °C 57 57 53 47
Množství kondenzátu Kg/m3 Kg/k Wh 1,53
0,173
1,63
0,157
3,37
0,130
0,88
0,087

Hodnota pH kondenzátu z konden­zač­ních kotlů

Rozbor kondenzátu [mg/l] kotlů Cerapur a Cerasmart

Čpavek 1,2 Nikl 0,15
Olovo ≥0,01 Rtuť 0,0001
Kadmium ≥0,001 Sulfát 1
Chrom ≥0,005 Zinek 0,015
Halogenové uhlovodíky ≥0,002 Cín 0,01
Chlorované uhlovodíky 0,015 Vanad 0,001
Měď 0,028 Hodnota pH 4,8

Porovnání teplot systémů

Kondenzační zařízení využívá latentní teplo. Vlivem klesající spotřeby tepla budov a při zvětšujících se otopných plochách i klesajících teplotách systému, má využití kondenzační techniky řadu výhod.

Porovnání teplot systémů:

- deální jsou projekční řešení 40/30 °C (obr. 8) nebo 55/45 °C. V těchto případech leží náběhová teplota a především vratná teplota stále pod tep­lotou ros­ného bodu. Trvale je zaručena plná efek­tiv­nost kon­den­zační techniky. Toto však sa­moz­řej­mě vyžaduje větší otopné plochy (podlahové vytá­pění, velké plo­chy topných těles).

Legenda k obr. 8, 9 a 10:
VL - náběhová voda systému
RL - zpětná vody systému

- Při řešení 75/60 °C (obr. 9) je efektivnost konden­zač­ní techniky částečně omezena. Při nízkých ven­kovních teplotách (teoret. -11,5 °C) překračuje vrat­­ná teplota topného systému rosný bod. Nenastává již kondenzace. Procentuální podíl těchto stude­ných dní je ovšem malý (viz. obr. 11) a proto je vyu­ži­tí kon­den­­zač­ní techniky nepatrně omezeno, přes­to je vhodné i při těchto teplotních spádech kon­denzační techniku využívat.

- U řešení 90/70 °C (obr. 10) se toto omezení proje­vuje mnohem výrazněji. Již při teoretické venkovní tep­lo­tě -2,5 °C nedochází ke kondenzaci. Tento případ však můžeme opomenout, neboť se stále více pou­žívají nízkoteplotní topná zařízení a tyto systémové teploty (90/70 °C) se vyskytují v praxi již jen zřídka.

- Z důvodů šetření energetických zdrojů a snížení zátěže pro životní prostředí byla vydána minister­stvem průmyslu a obchodu vyhláška č. 151, § 5, odstavec 3, sbírky z roku 2001. Ve vyhlášce se definuje maximální náběhová teplota pro topné okruhy 75 °C. Pak se shodujeme s graficky zná­zor­něným řešením na obr. 8. Tím se mě­ní i teo­re­tická venkovní teplota, při níž nenastává konden­zace a oproti teplotám 90/70 °C roste pro­centuální podíl dní, kdy je možné kondenzační techniku plně vyu­žívat a zásadně roste její význam.

Počet topných dní v závislosti na venkovní teplotě (závislé na regionu)
Příprava teplé vody (TV)

Příprava teplé vody (TV)

Bude kondenzační kotel ohřívající teplou vodu pra­co­vat též v kondenzačním režimu ANO, je to možné z větší části technikou Junkers zajistit. Systém ohřevu pomocí nepřímo ohřívaného zásobní­ku TV zaručuje dostatečný přenos tepla a tím dosta­teč­né zchlazení zpětného okruhu do kotle. Proto je možné tento způsob ohřevu doporučit a dosáhne se vysokého normovaného stupně využití kondenzační techniky. U kombinovaného kondenzačního přístroje Junkers díky velkým teplosměn­ným plochám tepelného des­kové­ho výměníku TV se opět "zpátečka" z desko­vé­ho výměníku TV do výměníku kotle vrací dostateč­ně ochla­ze­ná a je možno též počítat s ide­á­l­ním kon­den­zač­ním provozem. Z tohoto pohledu je provozně-ekonomicky obzvlášť přínosná jednotka Cerasmartmodul, u níž díky prin­cipu ohřevu teplé vody ve velkoplošném deskovém výměníku a ukládání TV do tzv. vrstveného zásob­ní­ku, se teplá voda ohřívá téměř výhradně v konden­zač­­ním režimu.

Zajímavý je pohled na závislost nor­movaného stup­ně využití na vytí­žení kotle (obr. 12), tzv. Cha­rak­te­ristika kondenzač­ního kotle, potřebná pro určo­vání doby návratnosti inves­tice do daného zařízení.

Z grafu je patrné, že roste normovaný stupeň využití s klesajícím vytí­žením kotle, tzn. kotel, který poběží na výkon cca 50-60 % svého výkonu dosahuje i u systému s teplotním spádem 75/60 °C koefici­en­tu využití přes 100 %. Tep­lo­ta spalin méně vytížené­ho kotle klesne a začne se projevovat vliv kondenzace a ná­růst účinnosti. Z této závislosti vyplý­vá, že konden­zač­ní kotle se musí na­vrhovovat s větší rezervou výko­nu, než tomu bylo zvykem u klasic­kých konven­č­ních plynových kotlů.

Graf závislosti Entalpie na teplotě spalin a na souči­niteli přebytku vzduchu λ znázorňuje pásma použí­vání tepelné techniky. Můžeme odečíst, že při λ = 1,3 až 1,35 (což je charakteristická hodnota pro kondenzační kotle JUNKERS), se musí respektovat rosný bod spalin při spa­lo­vání zemního plynu (cca 53 °C). Pokud se udrží zpětná otop­ná voda v otopném systému pod touto teplotou výstup­ních spalin, to znamená ideálně pod rosným bodem vodních par obsa­žených ve spalinách, vzroste výrazným způsobem účinnost kon­den­začního zařízení.


Rosný bod spalin v závislosti na přebytku vzduchu λ

Ze závislosti na obrázku 14 lze přesně určit teplotu ros­ného bodu vodních par vzniklých spálením zemního ply­nu daným hořákem s příslušným poměrem vzduchu . Je zřejmé, že u kondenzačního kotle je nutné projekč­ně zajistit k ideálnímu nízkoteplotnímu režimu teplotu "Zpátečky" pod 55 °C.

Z toho, co jsme doposud na grafech ukázali je zřej­mé, že vše související s kondenzací vodních par ve spalinách souvisí s přebytkem vzduchu a s rozdílem teploty spalin a teploty zpětného toku otopné vody. Se sníženou teplotou "zpátečky" je nut­né přepočítat velikost otopných ploch. Zjednoduše­ný pohled na zvětšení otopné plochy ukazuje násle­dující tabulka (nutno předat stejný výkon s nižším teplotním spádem).


Potřebné zvětšení otopné plochy

Střední teplota otopné vody Tepelný výkon topného tělesa dimenzovaného na teplotní spád Potřebné zvětšení otopné plochy při použití kondenzačního spalování
  90/70 °C  
40 °C 24 % 4,0 - násobek
45 °C 32 % 3,0 - násobek
50 °C 40 % 2,5 - násobek
55 °C 49 % 2,0 - násobek
60 °C 50 % 1,7 - násobek
65 °C 69 % 1,5 - násobek
70 °C 79 % 1,3 - násobek
75 °C 89 % 1,1 - násobek
80 °C 100 % 1,0 - násobek

Faktor zvětšení otopných ploch se netýká rozměrů topných těles nýbrž tepelného výkonu: podle DIN 4703 je Qn při 90/70 °C -20 °C (u budoucí EN 422: 75/65 °C -20 °C).

Odtah spalin kondenzačních kotlů

Kondenzační kotle jsou vzhledem k teplotám spalin provozovány jako kotle s nuceným odtahem spalin - turbo kotle. Možnosti jsou různé a najdete je v ceníku odkouření ke kondenzačním kotlům.


PROJEKČNÍ PODKLADY JUNKERS
Teoretické základy kondenzační techniky

Bosch Termotechnika s.r.o. - obchodní divize Junkers Bosch
logo Bosch Termotechnika s.r.o. - obchodní divize Junkers Bosch

Tepelná čerpadla, plynové kondenzační kotle, atmosférické kotle, elektrokotle, plynové průtokové ohřívače, zásobníky TUV, regulace, solární systémy.