Kondenzační kotle

Nastává éra kondenzační techniky

Při výrobě tepla spalováním zemního plynu v kotlích dochází ke značným ztrátám tepla, které jsou dány typem použitých kotlů, hydraulickým zapojením kotlů, způsobem řízení tepelného výkonu kotelny a použitými tepelnými izolacemi. Můžeme říci, že projektant již při řešením kotelny zásadně ovlivňuje hospodárnost budoucího provozu kotelny a to po dlouhou dobu její morální životnosti (cca 15 let).

Pomocí kondenzačních kotlů můžeme snížit ztráty tepla při jeho výrobě. I když kondenzační kotle nejsou na našem trhu žádnou novinkou, jejich používání je zatím omezené. Překážkou není jen vyšší cena těchto kotlů, ale i jistá nedůvěra nás projektantů k nejnovější technice. Důvodem mohou být i velice strohé projektové podklady ke kondenzačním kotlům, ve kterých chybí údaje potřebné pro přesnější stanovení ročních provozních účinností kotlů a tím i úspor zemního plynu pro vytápění a pro ohřev vody. Bez propočtu energetických a následně nákladových úspor se nesmí investorům předložit ještě před zpracováním projektu kotelny rozvaha zdůvodňující návratnost vložené investice.

Domnívám se, že při cílené odborné osvětě může být nedůvěra projektantů ke kondenzačním kotlům postupně odstraňována. Tento příspěvek, ve kterém odpovídám na důležité otázky kolem kondenzace, považujte za jeden z kroků potřebných pro skutečné zahájení éry kondenzační techniky.

Při spalování zemního plynu v domovních kotelnách o výkonu 100 až 500 kW se roční provozní účinnost kotelen vyvíjí na první pohled příznivě (tab. 1). A to podle hodnot roční relativní účinnosti, která je vztažena k výhřevnosti zemního plynu. Větší vypovídací schopnost o využití energie plynu má ale roční absolutní účinnost, vztažená ke spalnému teplu zemního plynu, podle které využití energie plynu není slavné.

Tab. 1 Roční provozní účinnosti plynových kotelen

V domovních kotelnách realizovaných v r. 1985 byly osazeny převážně plynové teplovodní ocelové kotle s atmosférickým hořákem. Kotle s ohledem na nepodkročení teploty zpětné vody pod teplotu rosného bodu spalin byly udržovány na nejvyšších teplotách vody a dodávaly teplo na vytápění přes čtyřcestné směšovače. Nízkou účinností kotlů a nevhodným řízením výkonu kotelen byla dána jejich nízká provozní účinností.

V domovních kotelnách realizovaných v r. 1995 jsou převážně plynové teplovodní nízkoteplotní litinové kotle s atmosférickým hořákem. Kotle mohou dodávat teplo na vytápění přímo podle topných křivek. Vyšší účinností kotlů (až 93 %) a lepším řízením výkonu kotelen je dána jejich přijatelná roční provozní účinnost.

Pokud budou od r. 2000 v domovních kotelnách kondenzační kotle, lze vyrábět teplo s vysokou roční provozní účinností. Její hodnota je nepřímo závislá na skutečných teplotách oběhové vody vytápěcí soustavy. U soustav s nižšími topnými křivkami bude vyšší a naopak.

Pokud ochlazujeme spaliny zemního plynu získané při ideálním spalování, t.j. bez přebytku vzduchu, pod teplotu rosného bodu (57°C), začne ve spalinách kondenzovat vodní pára. Hmotnostní podíl vodní páry ve spalinách zemního plynu je téměř 12 %. Teplo, které lze získat z úplné kondenzace činí 11 % z tepla spalného.

Výše přebytku vzduchu se udává součinitelem přebytku vzduchu l [-]. Spaliny bez přebytku vzduchu mají součinitel l = 1. Když je hodnota l vysoká, zhoršuje se účinnost spalování (obr. 1). Tento jev se projevuje v oblasti nad teplotou rosného slabě (nízkoteplotní kotle), ale v oblasti kondenzace spalin silně. Protože s rostoucí hodnotou l klesá teplota rosného bodu spalin je nutné, aby byl u kondenzačních kotlů udržován přebytek vzduchu na nejnižší a pokud možno na stálé úrovni. Teplota rosného bodu spalin při l = 2 je 45°C, při l = 3 je 38°C.

Kondenzační kotle jsou většinou koncipovány jako protiproudý výměník tepla, který dokáže teplotu výstupních spalin ochladit až na 5 až 10 K nad teplotu vody vstupující do kotle (zpětné vody).Teplota spalin je tak provázána s teplotou zpětné vody. Jediná znatelná ztráta tepla při spalování zemního plynu v kondenzačním kotli je ztráta komínová. Ta je dána množstvím a entalpií spalin. Entalpie je závislá na teplotě spalin a na hodnotě l.

Při objasňování podmínek pro zajištění kondenzace spalin u kondenzačních kotlů byla odvozena poměrně jednoduchá pomůcka, ze které také vyplývá, jak je využívána energie zemního plynu při spalování v kotlích. Protože ke kondenzaci spalin dochází pouze při jejich ochlazení pod teplotu rosného bodu, zaměřil jsem se na zkoumání vlivu přebytku vzduchu právě na teplotu rosného bodu spalin.

Jelikož zemní plyn dodávaný sítí Transgas obsahuje 98,4 % metanu CH4, můžeme považovat spalování plynu za totožné se spalováním metanu. Ze stechiometrických vztahů pro spalování metanu, ze vztahů pro entalpii jeho spalin v závislosti na teplotě a na součiniteli přebytku vzduchu a ze závislosti parciálního tlaku vodní páry na teplotě je sestrojen entalpický diagram spalin metanu (obr. 1). Vztahy jsou obdobné vztahům pro vlhký vzduch.

V uvedeném diagramu můžeme odečíst entalpii výstupních spalin h2, využitou entalpii vstupních spalin h1, relativní účinnost spalování hr a absolutní účinnost spalování ha v závislosti na teplotě výstupních spalin t a na součiniteli přebytku vzduchu l. První účinnost je vztažená k výhřevnosti metanu, druhá ke spalnému teplu metanu. Druhou účinnost můžeme považovat za míru využití energie zemního plynu při jeho spálení.

Obě entalpie spalin (využitá vstupní a výstupní) mají při teplotách spalin nad teplotou rosného bodu

v diagramu přímkový průběh. Při snižování teploty spalin pod teplotu rosného bodu představuje průběh entalpií klesající křivka. Teplota rosného bodu je dána průsečíkem přímky a uvedené křivky.

Konstrukci pouze jednoho diagramu, který zcela popisuje entalpii spalin metanu při různých součinitelích přebytku vzduchu l, bylo možno provést za podmínky, že je entalpie vztahována na 1 kg suchých teoretických spalin. Je to jednotkové množství spalin vzniklé při dokonalém spálení metanu (bez přebytku vzduchu) zmenšené o množství vodní páry, která vznikla spalováním metanu.

Kondenzační kotle pro domovní kotelny jsou vybaveny nejčistěji přetlakovým hořákem. Pokud jsou vybaveny hořáky atmosférickými s předsměšováním směsi, mají ještě odtahové ventilátory. Kondenzační kotle lze rozlišovat podle toho, jak je řízen tepelný výkon a jak je řízeno spalování. Řízení výkonu hořáku se provádí buď spojitě, případně dvoustupňová či jednostupňově. Řízení přebytku vzduchu, resp. směšovacího poměru vzduch-plyn, se provádí buď přímo l sondou, nepřímo z průtoku plynu, případně se neprovádí.

1a - kotle se spojitě řízeným výkonem a s přímým řízením směšovacího poměru l sondou,

1b - kotle se spojitě řízeným výkonem a s nepřímým řízením směšovacího poměru,

1c - kotle s dvoustupňovým výkonem a s nepřímým řízením směšovacího poměru,

2a - kotle se spojitě řízeným výkonem bez řízení směšovacího poměru.

Kondenzační kotle 1a až 2a je také možno postupně popsat zkratkami QS - LP, QS - LN, QD - LN, QS - LB. Ve zkratkách představuje Q - výkon, S - spojitý, D - dvoustupňový, LP - přímé řízení směšovacího poměru l sondou, LN - nepřímé řízení směšovacího poměru, LB - bez řízení směšovacího poměru.

Na provedení kondenzačního kotle 2a, si předveďme jeho chování během vytápěcího období. Při vytápění se řídí tepelný výkon v rozsahu 25 až 100 %. Výkon kotle se ze 100 % se snižuje na nižší hodnoty snižováním průtoku plynu do hořáku. Protože se průtok vzduchu nemění, narůstá hodnota l. Např. při provozu na výkonu 33 % je vysoký přebytek vzduchu s hodnotou l = 3. Podle opalinového diagramu (obr. 1) se přesvědčíme, že kondenzaci spalin je možné vyvolat vstupní vodou o teplotě nižší než 30 až 33°C. Teplota rosného budu je totiž 38°C. Takto nízké teploty vody vykazuje pouze podlahová vytápěcí soustava.

Za ideální kondenzační kotel lze považovat kotel provedení 1a pokud má spojitě řízený výkon alespoň v rozmezí 20 až 100 % a pokud vykazuje účinnosti předepsané evropskými normami. Takový typ kotle je však poměrně drahý. Proto jsou z cenových důvodů vyráběny také kondenzační kotle jednodušších provedení (1b až 2a).

Kondenzační kotel určitého provedení by měl být napojen na určitou teplovodní vytápěcí soustavu danou nejvyšší provozní teplotu zpětné topné křivky tehdy, když se na základě zpracované technicko ekonomické rozvahy prokáže přijatelná doba návratnosti investice a to z hlediska investora. Součástí rozvahy musí být výpočet předběžné roční provozní účinnosti, který respektuje chování sestavy kotel-soustava během vytápěcího období. Metodika tohoto výpočtu se právě připravuje.

Aby bylo nalezeno vhodné řešení mělo by se posoudit více variant provedení sestavy kotel-soustava. Platí to zejména v případech před projektováním nových vytápěcích soustav, kdy se rozhoduje o jejich optimálních parametrech. Pořizovací náklady na kotelnu s kondenzační technikou je možno snížit osazením pouze jednoho kotle. Pro takové uspořádání kotelny musí být zajištěn servis do 12 h po nahlášení poruchy kotle.

Z výsledků orientačních výpočtů roční provozní účinnosti vyplývá, že i při spojení kondenzačního kotle s vytápěcí soustavou 90/70°C, která má vyšší zpětnou topnou křivku, lze dosáhnout přijatelnou relativní provozní účinnost kolem 100 %. Ke kondenzaci spalin sice dochází pouze při vnějších teplotách nad 3°C, ale i při suchém provozu jsou nízké komínové ztráty. Jsou dány nízkou teplotou výstupních spalin vlivem velké teplosměnné plochy kotle.