Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Komfort kotlů na tuhá/pevná paliva – část I.

Jak dlouho vydrží teplo z jednoho přiložení či nabité akumulační nádoby?

Ing. Jiří Ryšavý, Ing. Jiří Horák, Ph.D., Ing. František Hopan, Ph.D., Ing. Kamil Krpec, Ph.D., Ing. Petr Kubesa, Jiří Kremer

Recenzovaný

Cílem tohoto článku je shrnutí základních parametrů kotlů na tuhá paliva, a prvků k nim zařazených v otopné soustavě, které mohou ovlivňovat chod celého zařízení, pro co možná nejvyšší komfort provozu. Jako přiřazený prvek je myšlena například akumulační nádoba, která zajišťuje prodloužení času vytápění od poslední přikládky paliva do kotle, čímž zvyšuje komfort užívání. Dále se zabývá porovnáním jednotlivých paliv a to jak s ohledem na prašnost paliv, tak s ohledem na činnosti, které je nutné s palivem před spálením provést.

1. Úvod

Mnoho lidí řeší otázku, jakým způsobem zajistit vytápění, popřípadě přípravu teplé vody ve svém domě. Uživatel, který preferuje spalovací zařízení na tuhá/pevná (dále jen tuhá) paliva, má dnes na výběr z mnoha kotlů různých výrobců. Pro orientaci mezi nimi a jejich porovnání slouží parametry, jako např. výkon, účinnost a také pořizovací cena. Další, někdy dosti opomíjený parametr, je komfort užívání. Komfortem je z hlediska vytápění pomocí spalování tuhých paliv hlavně myšlena četnost nutných provozních zásahů za jednotku času. Nejdůležitějším a nejčastějším zásahem do chodu kotle je přikládání dávky paliva (vyprázdnění popelníku bude bráno jako zásah, který je možné provést při přiložení, popřípadě dosypání paliva).

Četnost přiložení úzce souvisí s typem zařízení, velikostí dávky paliva, typem paliva, které je do kotle přikládáno a v neposlední řadě také s kvalitou obsluhy, nebo lépe řečeno s nastavením kotle. Níže budou popsány jednotlivé konstrukční typy kotlů na tuhá paliva s popisem komfortu užívání.

S komfortem užívání spalovacího zařízení souvisí i způsob hospodaření s palivem, tedy náročnost jeho přípravy, náročnost na prostor při skladování a také prašnost při manipulaci s palivem. Cílem tohoto článku je částečná „kvantifikace“ komfortu provozu různých typů kotlů na tuhá paliva.

2. Popis konstrukce a vlastností základních typů kotlů na tuhá paliva

2.1 Prohořívací kotel

Palivo je v tomto typu kotle přikládáno na hořící základní vrstvu. Primární spalovací vzduch přichází k základní vrstvě ze spodu, přes rošt, na kterém základní vrstva leží a následně společně se vzniklými spalinami prochází celou vrstvou paliva. Částečná regulace výkonu probíhá termostatickým regulátorem tahu (ovládání klapky přívodu primárního spalovacího vzduchu). Komínový tah výrazně ovlivňuje spalovací proces. Konstrukce kotlů tohoto typu byla tradičně převážně litinová, přičemž kotle byly navrhovány pro paliva s malým obsahem prchavé hořlaviny, tedy např. koksu. Jedná se o nejstarší a také nejjednodušší konstrukci kotle, což je doprovázeno nižší účinností transformace chemické energie paliva na tepelnou energii a vyšší produkcí emisí znečišťujících látek v porovnání s novějšími typy kotlů. Průběh spalování je u tohoto typu kotle periodický. Kolísání výkonu v průběhu periody způsobuje kolísání teploty otopné vody až o 50 °C (pokud to není regulačně ošetřeno), což může mít negativní vliv na životnost otopné soustavy a prvků, které jsou do ní zapojeny. Pro plynulejší chod kotle je vhodné přikládat menší dávky paliva v pravidelných, krátkých intervalech (např. 30 min), což není uživatelsky přívětivé. Řez prohořívacím kotlem je na Obr. 1.

Obr. 1 Funkční schéma prohořívacího kotle

2.2 Odhořívací kotel

Druhým typem kotle je kotel odhořívací. Jedná se rovněž o zařízení s ruční přikládkou paliva, jehož konstrukce neumožňuje procházení spalin a spalovacího vzduchu celou vrstvou paliva, ale jen její menší částí (palivo leží na roštu). Z paliva, umístěného v násypce, je postupně uvolňována prchavá hořlavina, která odchází do spalovací komory, což napomáhá jejímu kvalitnějšímu vyhoření ve srovnání s výše uvedeným odhořívacím kotlem. Plamen ze spalovací komory směřuje do zadní části kotle. Průběh spalování je u tohoto typu kotle plynulejší, než u kotle prohořívacího díky postupnému sesypávání paliva na rošt, kde dochází k samotnému hoření. Interval přikládání je podobný jako u prohořívacích kotlů. Částečná regulace výkonu probíhá termostatickým regulátorem tahu (ovládání klapky přívodu primárního spalovacího vzduchu). Komínový tah výrazně ovlivňuje spalovací proces. Řez odhořívacím kotlem je na Obr. 2.

Obr. 2 Funkční schéma odhořívacího kotle

2.3 Zplyňovací kotel

Nejmodernější způsob spalování kusového dřeva nabízí zplyňovací (někdy také nazýván jako: pyrolýzní, dřevozplyňující, pyrolytický) kotle (malá část těchto kotlů umožňuje použití uhlí). Na rozdíl od výše uvedených kotlů tento typ kotle převádí problematiku spalování tuhých paliv na problematiku spalování plynu. V zásobníku paliva kotle dochází k uvolňování prchavé hořlaviny (suché dřevo jí obsahuje více než 70 %). Uvolněná prchavá hořlavina prochází skrz trysku do spalovací komory. Spalovací vzduch je většinou přiváděn do trysky, i do zásobníku paliva nuceně pomocí spalinového ventilátoru (poměrné množství vzduchu jdoucí do trysky a do zásobníku paliva lze měnit). Tento konstrukční prvek zmenšuje vliv komínového tahu na kvalitu spalování. Interval přikládání je stejně jako u ostatních kotlů dán objemem zásobníku paliva, mírou jejího naplnění a vlastnostmi paliva (např. výhřevností, spalným teplem, nebo tvarem jednotlivých kusů paliva). Míra přeměny energie paliva na teplo je u tohoto kotle vyšší (rovnoměrnější průběh spalovací periody) než u výše zmiňovaných kotlů, proto při stejné dávce paliva bude vyrobeno větší množství tepla. Řez zplyňovacím kotlem je vyobrazen na Obr. 3.

Obr. 3 Funkční schéma zplyňovacího kotle

2.4 Automatický kotel

Pokud je kotel správně provozován, jedná se o nejkomfortnější a nejekologičtější spalovací zařízení na tuhá paliva. Tyto výhody jsou doprovázeny složitějším technickým řešením a vyšší pořizovací cenou. Jedná se o zařízení, u nichž je zásobník paliva, na rozdíl od výše uvedených typů kotlů, umístěn mimo těleso kotle. Dopravník (šnek, skluz apod.) dodává do hořáku pouze potřebné množství paliva, což má pozitivní dopad na provozní parametry kotle (emise, účinnost, životnost). Výsledný interval doplňování paliva do zásobníku je závislý na jeho objemu, potřebě tepla, typu a výhřevnosti paliva. Standartní zásobníky, které jsou součástí kotle, mají objem, který při běžném provozu vyžaduje přikládání cca v intervalu 1 až 10 dní. Periodu přikládání paliva je možno prodloužit instalací externího zásobníku paliva s dalším podavačem, který umožní prodloužit čas dosypávání paliva až na několik měsíců (používané zejména u kotlů na dřevní pelety, nebo štěpku). Perioda vysypávání popela je závislá hlavně na obsahu popeloviny v palivu. Norma ČSN EN 303-5 stanovuje, že objem popelníku musí zajistit provoz kotle v délce min. 12 h při jmenovitém výkonu bez nutnosti odpopelnění (platí pro všechny typy kotlů). Dřevní pelety obsahují řádově méně popeloviny (do 0,5 %) než uhlí (okolo 10 %), proto interval odpopelnění se prodlužuje (cca jednou za měsíc). Některé automatické kotle nabízejí možnost rozšíření o systém samočinného odpopelňování do externího zásobníku popela (další investiční náklady), což prodlužuje periodu na delší časový interval (měsíc až rok). V ČR je v automatických kotlích spalováno hlavně hnědé uhlí (ořech 2) a pelety (většinou dřevní). Černé uhlí a štěpka jsou pro dané výkony používány omezeně. Řez automatickým kotlem je na Obr. 4.

Obr. 4 Funkční schéma automatického kotle

2.5 Přestavby starých kotlů

Řada výrobců hořáků a kotlů nabízí pro některé typy starších kotlů možnost přestavby na kotel automatický. Děje se tak pomocí univerzálních hořáků, které jsou instalovány buďto do dvířek kotle, nebo pod něj. Po takovéto úpravě se spalovací zařízení může zařadit do vyšší třídy dle ČSN EN 303–5 (pouze po posouzení autorizovanou osobou – zajišťuje výrobce přestavbové sady), což majiteli může umožnit jeho provoz i po roce 2022 a zároveň komfort jeho užívání dosáhne komfortu užívání automatického kotle. Investice do takové přestavby je přibližně třetinová oproti pořízení nového kotle. Nutno podotknout, že takto zrekonstruovaný starý kotel zpravidla nedosáhne parametrů, jako kotel nový, kdy je vyvíjeno kotlové těleso a hořák společně.

3. Komfort vytápění z hlediska velikosti zásobníku paliva – perioda přikládání

Jak již bylo zmiňováno výše, u kotlů s ruční přikládkou paliva jsou intervaly mezi přiložením podobné. Nejvíce ovlivňující faktory jsou objem zásobníku paliva, násypky paliva či spalovací komory a vlastnosti paliva (za předpokladu stejné účinnosti kotle). Jednoduše, čím více hmotnosti paliva je dodáno, tím by měla být perioda mezi přiloženími delší (při udržování stejného výkonu). To však například u prohořívacího kotle není dost dobře možné z důvodů špatných regulačních vlastností, které byly popsány v kapitole 2.1.

Druhým ovlivňujícím faktorem je výhřevnost paliva vynásobena jeho hustotou. Čím je výsledná hodnota vyšší, tím více chemické energie je možné, v podobě paliva, do kotle na jednu dávku naložit. Pokud porovnáme například bukové a smrkové dřevo, které by bylo ve stejném objemu naloženo do kotle, tak je zřejmé, že díky vyšší hustotě bukového dřeva bude množství energie v něm obsažené vyšší než u dřeva smrkového. Jednoduše řečeno by pak délka periody mezi přiložením, při zachování stejného výkonu, měla být delší.

Přiložená dávka paliva obsahuje chemicky vázanou energii v MJ, která je dána součinem výhřevnosti daného paliva v MJ/kg a jeho hmotnosti v kg. Přivedené množství energie za čas představuje příkon kotle

P: příkon [kW]
Q: chemicky vázaná energie paliva dodaná do kotle [MJ]
t: čas [h]

3.1 Modelový příklad množství energie v jedné dávce paliva do kotle

Objem zásobníku paliva modelového zplyňovacího kotle je V_n = 80 dm³. Délka je l = 38 cm, tedy maximální délka polena je l_p = 33 cm. Jmenovitý výkon tohoto kotle je P = 25 kW při účinnosti η = 84 %. Do kotle je přikládáno bukové dřevo (2 roky sušené) o obsahu vody 14 %, a to tak, že celkový objem zásobníku paliva je zaplněn ze 2/3 (jedná se o odhad při zaplnění zásobníku paliva „do plna“, přičemž 1/3 je odhadovaný objem mezer mezi jednotlivými kusy paliva; reálné hodnoty se budou lišit dle tvaru jednotlivých polen a způsobu ukládání). Výhřevnost spalovaného dřeva je Q_i;m = 15 MJ/kg. Vážením a měřením objemu jednoho polena byly stanoveny hodnoty m_p a V_p, na základě kterých bylo vypočteno, že dřevo zadaných parametrů má výhřevnost na jednotku objemu Q_i;V = 9,5 MJ/dm³.

m_p: hmotnost polena [kg]
V_p: objem polena [dm³]
Q_i;V: výhřevnost dřeva vztažená na jednotku objemu [MJ/dm³]
Q_i;m: výhřevnost dřeva vztažená na jednotku hmotnosti [MJ/kg]

V souvislosti s výše uvedenými úvahami lze říci, že se na jedno naložení do kotle vejde cca dvě třetiny objemu zásobníku paliva, což je dle níže uvedeného výpočtu cca Q = 507 MJ chemicky vázané energie v palivu.

V_n: objem zásobníku paliva [dm³]
Q: chemicky vázaná energie v palivu dodaná do kotle jednou dávkou [MJ]

Při takto nastavených modelových podmínkách má jedna dávka paliva hmotnost 33,87 kg.

S takto naloženým zásobníkem by měl kotel být schopen provozu při jmenovitém výkonu po dobu 4 hodin a 42 minut při započítání výše uvedené účinnosti η = 84 %.

t: čas hoření jedné dávky paliva [hod]
η: účinnost [–]

Pokud by se jednalo např. o kotel prohořívací, který by měl přikládací prostor o stejných rozměrech a který by měl účinnost η = 60 %, pak by stejná dávka dřeva při udržení stejného výkonu teoreticky vydržela jen 3 hodiny a 22 minut.

Při reálném spalování kusového dřeva nebo uhlí, v kotli s ruční přikládkou paliva, není možné zaručit konstantní výkon kotle. Výkon je závislý na fázi periody hoření. Nejprve dochází k zahřívání a sušení paliva, dále se uvolňuje prchavá hořlavina, která následně hoří a až po té dojde k hoření odplyněného zbytku paliva (dřevěného uhlí nebo koksu). Tento proces prezentuje graf č. 1.

Více o procesu hoření kusového dřeva vypovídá článek: Proces hoření kusového dřeva dostupný na TZB-info [5].

Graf č. 1 Průběh hoření kusového dřeva [5]

4. Komfort vytápění z hlediska typu paliva – čistota kotelny, transport a uskladnění paliva

Další stránka komfortu je čistota kotelny. Prašnost v kotelně vzniká hlavně při odpopelňování a následně během přikládání paliva – zde vítězí biomasa nad uhlím.

Dřevo je specifické vysokým obsahem vody v surovém palivu, což vyžaduje jeho sušení (čerstvě pořezané dřevo obsahuje cca 50 % vody). Z hlediska potřebných skladovacích prostor je dřevo nejnáročnější díky nejmenší hodnotě výhřevnosti vynásobené hustotou [MJ/m³] a nutnosti skladování po dobu jednoho až dvou let (v závislosti na typu skladovacích prostor a počátečním obsahu vody) tak, aby došlo k poklesu obsahu vody pod 20 % (takto suché dřevo je již považováno za vhodné pro spalování). Sušení biomasy v podobě pelet a briket již není nutné, protože tato paliva jsou „suchá“ (mají 6 až 10 % vody, pokud by byla vlhká, rozpadla by se). Brikety jsou většinou dodávány v balících po 10 nebo 8 kg, manipulace s nimi je jednoduchá a nedochází ke zvýšené prašnosti.

Dřevní pelety jsou dodávány buď jako sypané (volně ložené), nebo pytlované. Jeden pytel pelet váží většinou 15 kg a kromě ochrany vůči zvýšené prašnosti při manipulaci s palivem slouží pytel jako částečná ochrana vůči vlhkosti, jejíž kontakt s peletami palivo znehodnotí.

Hnědé uhlí má cca dvojnásobnou výhřevnost vztaženou na jednotku objemu [MJ/m³] oproti dřevu (špalky o obsahu vody méně než 20 %), tedy potřebuje cca poloviční skladovací prostory na jednu topnou sezónu. Černé uhlí má cca trojnásobnou výhřevnost na jednotku objemu, tedy skladovací prostory při zachování stejného množství energie jsou pro černé uhlí oproti dřevu třetinové. Dřevní pelety jsou, co se týče skladování obdobně náročné na zaskladněný prostor stejně jako hnědé uhlí. Pytlované palivo (pelety, uhlí) je dobře stohovatelné (do výšky).

Stejné poměry jsou i u požadovaných objemů násypky paliva. Do stejně velké násypky paliva plně naložené dřevem se vejde cca dvojnásobné množství chemicky vázané energie v palivu, pokud je naplněna hnědým uhlím a cca trojnásobné množství chemicky vázané energie v palivu, pokud je naplněna černým uhlím (tyto poměry se budou lišit dle reálného tvaru jednotlivých kusů dřeva, granulometrie uhlí, výhřevnosti apod.).

5. Akumulační nádoby

Zásobník tepla, jinak též nazývaný jako akumulační nádoba („baterka“), je zařízení umožňující „uskladnění“ energie na vhodném místě a ve vhodné formě tak, aby byla použitelná v potřebný čas, v požadované kvalitě a kvantitě. Akumulační nádoba umožňuje provozovat kotel na jmenovitý výkon i v době, kdy potřeba výkonu pro vytápění je menší než jmenovitý výkon kotle (minimalizace dehtování kotle, optimalizace spalování, maximalizace účinnosti). Druhým přínosem je, že během čerpání tepla z nabité akumulační nádoby není nutné provozovat kotel (teplo je čerpáno z baterky).

V oblasti domácí akumulace tepla je aplikován především typ akumulace s využitím citelného tepla média. U tohoto principu je využívána měrná tepelná kapacita látek v provozním rozsahu teplot, přičemž je množství akumulované energie přímo úměrné rozdílu těchto teplot (počáteční, konečná) a množství látky. Jako příklad tohoto typu akumulace lze uvést jednoduchý vodní zásobník, který pracuje v takovém rozmezí teplot, aby voda neměnila své skupenství.

Zapojení tohoto zásobníku do sestavy je velmi vhodné u kotlů s ručním přikládáním paliva, které mají při jmenovitém výkonu vyšší účinnost a nižší produkci emisí. Při sníženém výkonu tyto kotle nevyužívají plně svůj potenciál. Použití akumulačních nádob u kotlů s ruční přikládkou paliva je rovněž vhodné pro vykrytí období, kdy je potřeba vytápět dům, avšak kotel již vyhasl a pro konstantní tepelné zatížení otopné soustavy, bez rázových změn teplot otopné vody. Doporučované zapojení zplyňovacích kotlů ATMOS s regulačním prvkem Laddomat 22 je vyobrazeno na Obr. 5.

Smysl zapojení prvku Laddomat 22 je takový, že při zátopu se nejprve nahřeje samotný kotel, a až poté jde ohřátá otopná voda do otopné soustavy (cílem je ochrana kotle před korozí při kondenzaci par ze spalin na stěnách kotle při nižších teplotách). Více informací o problematice nahřívání kotle s prvkem Laddomat 22 nabízí článek [6]. Zásobníky tepla jsou nahřívány až tehdy, jakmile dojde k vytopení obytné části domu.

Obr. 5 Doporučené zapojení zplyňovacího kotle Atmos DC32S [1]

Čas nabíjení a vybíjení zásobníku tepla je zcela individuální a záleží na následujících faktorech:

Výkon kotle, kterým je zásobník nabíjen (z pravidla je proměnlivý a nejedná o celý aktuální výkon kotle, neboť část výkonu slouží k udržování teploty v obytných prostorech. Výkon do zásobníku závisí tedy na tepelné ztrátě budovy a teplotě okolí);
Objem akumulační nádoby;
Počáteční a koncová teplota vody v akumulační nádobě (minimální teplota, kdy je možné z akumulační nádoby vytápět obytné prostory je závislá na typu vytápění, např. minimální teplota otopné vody na vstupu do otopného okruhu u podlahového topení (cca 30 °C) bude jistě nižší, než u radiátorového vytápění (cca 50 °C);
Měrná tepelná kapacita látky, do které je energie akumulována (většina nádrží je naplněna vodou, jen velice malá část funguje na bázi např. propylen-glykolu).

6. Zjednodušený výpočet četnosti přikládání, hmotnosti jedné dávky a vlivu sušení paliva na komfort topení

Nejprve je nutné stanovit potřebný příkon kotle při jmenovitém výkonu:

P_rjm: příkon při jmenovitém výkonu [kW]
P_jm: jmenovitý výkon [kW]
η: účinnost kotle [–]

Dávka paliva pro hodinové udržení jmenovitého výkonu kotle (při zjednodušení, že po dobu celé periody se uvolňuje stejné množství tepla)

t: čas hoření jedné dávky paliva [h]
Q_i: výhřevnost paliva vztažená na jednotku hmotnosti [MJ/kg]

Pro dosažení průměrného tepelného výkonu 15 kW při intervalu přikládání 4 hodiny a účinnosti kotle 70 % je potřeba přikládat cca 38,6 kg mokrého dřeva (50 % vody), zatímco suchého dřeva (20 % vody) je potřeba přiložit pouze 21,6 kg. Tyto výsledky potvrzují, že zvýšení komfortu při přikládání také souvisí s obsahem vody ve dřevě.

Uživatel spalující suché dřevo fyzicky zvedá při každém naložení kotle cca o 44 % menší hmotnost paliva. Tento fakt prezentuje graf č. 2, kdy modrá křivka charakterizuje hmotnosti mokrého dřeva přikládaného do kotle a červená křivka hmotnosti suchého dřeva přikládaného do kotle. Vliv sušení na hmotnost dřeva prezentuje Obr. 6. Při topení kvalitním černým uhlím se ekvivalentní dávka přiložení pohybuje okolo 11 kg, avšak prašnost v kotelně z tohoto typu topení je vyšší než při topení biomasou (dřevo, pelety).

Obr. 6 Vliv sušení dřeva na jeho hmotnost [7]

Graf č. 2 Spotřeba dřeva v závislosti na obsahu vody ve dřevě a účinnosti spalovacího zařízení

Poděkování

Tato práce byla podpořena v rámci projektu MŠMT „Inovace pro efektivitu a životní prostředí – Growth“ (LO1403).

Dokončení článku viz:
Komfort kotlů na tuhá/pevná paliva – jak dlouho vydrží teplo z jednoho přiložení či nabité akumulační nádoby? – část II.

English Synopsis

Comfort of solid fuel boilers – Part I.

The aim of this article is the summary of basic solid fuel boiler parameters, and elements included in heating system, which can influence operation of whole device, for maximum user comfort. As an associated element is menat e.g. for example accumulator tank, which ensures the extension of the heating time from the last fuel feed to boiler, thus increasing the convenience of use. It also deals with the comparison of individual solid fuel from the point of view of comfort of use, both with respect to the dustiness of the fuels, and with respect to the preparation of the fuels before their burning.