Hospodárnost provozu zdrojů tepla

Datum: 25.4.2005  |  Autor: Ing. Antonín Chyba  |  Organizace: Centrum stavebního inženýrství a.s., Zkušební laboratoř TZB  |  Zdroj: Český instalatér 1/2005

Ze studie zpracované s podporou DBU vyplývá, že pomocí měřidel spotřeby tepla lze odvodit všechny důležité provozní ukazatele týkající se zdrojů tepla spalujících fosilní paliva.

Řešení úkolu "Soustavy s kondenzačními zdroji tepla" mělo přinést zejména odpovědi na otázky, zda tyto zdroje v provozu opravdu dosahují normativní účinnosti 109 % často uváděné výrobci (vztažené k výhřevnosti Hu) a zda je možné použít průměrnou roční provozní účinnost zdroje tepla jako jediný ukazatel, týkající se otopné soustavy, při hodnocení energetické hospodárnosti budovy. K tomuto účelu bylo vybaveno 60 otopných soustav s kondenzačními zdroji tepla a 7 soustav s nízkoteplotními zdroji měřidly tepla tak, aby bylo možné měřit jak příkon energie přiváděné v palivu (plynu), tak výkon zdroje - tj. množství odváděné energie.
Technické vybavení měřidly odpovídalo omezením (TGA Fachplaner 9-2004), vyplývajícím z "E-A-V: Rozbor spotřeby energie" (obr. 1). Těžiště první části řešení spočívalo ve zjišťování ukazatelů, charakterizujících vytápěné prostory a vyhodnocení tepelných ztrát rozvodného potrubí v nevytápěných prostorech budovy. Z dalšího textu tohoto příspěvku vyplývá, že s využitím stejných měřidel lze odvodit i všechny důležité ukazatele pro zdroje tepla spalující fosilní paliva.


Obr. 1 - Ukazatelé pro hodnocení soustav a zdrojů tepla je možné
získat s poměrně nízkými náklady

Na základě výsledků výzkumu jsou odvozeny požadavky, týkající se hospodárného provozu kondenzačních zdrojů tepla, které by měly být zohledněny v energetickém průkazu budovy při změně směrnice EU "Celková energetická účinnost budov" [12]. Z rozboru výsledků za provozních podmínek totiž vyplývá poměrně výrazná závislost skutečné energetické hospodárnosti budovy na vlastnostech otopné soustavy. Souvislosti, uváděné na příkladu kondenzačního zdroje tepla, je v podstatě možné použít i pro jiné zdroje tepla.

Důležité výsledky provozních měření
Jedním z nejdůležitějších výsledků je zjištění přímé závislosti mezi průměrnou roční energetickou účinností, spotřebou tepla a průměrným tepelným výkonem kotle. Největší odchylky vycházejí mezi skutečnou účinností zdroje a účinností, zjištěnou za normativních podmínek ve zkušební laboratoři. Zatímco tato "normativní" účinnost se vztahuje ke střednímu zatížení kotle 38,8 %, vychází skutečné průměrné zatížení všech projektovaných kondenzačních kotlů asi 9 %. Hlavní příčiny těchto velkých odchylek lze hledat:

  • v odvození podmínek zkoušky normativní účinnosti ze závislosti tepelných ztrát na průběhu teploty venkovního vzduchu, s minimálním ohledem na provozní přestávky a tepelné zisky,
  • v předpokládané rovnosti mezi tepelnými ztrátami budovy a jmenovitým výkonem kotle (v souladu s příslušnou technickou normou), i když u rodinných domků bývá jmenovitý výkon kotle volen projektantem současně s ohledem na příkon, potřebný pro přípravu teplé (užitkové) vody.

Bylo zjištěno, že zdroje tepla ve zkoumaných objektech byly v poměru k tepelným ztrátám budov přibližně 2x až 4x předimenzovány. Účinnost otopných soustav při snižování tepelného výkonu zdrojů tepla klesá, avšak absolutní tepelné ztráty kotlů se přitom snižují. Z tohoto důvodu není účinnost jako jediné kritérium vhodné pro posuzování zdrojů tepla.

Z výzkumu dále vyplývá, že i stejné zdroje tepla vykazují v různých soustavách při přibližně stejném odběru tepla odlišné hodnoty průměrné roční účinnosti. Účinnost otopné soustavy tedy závisí na kvalitě zdroje tepla pouze částečně. Minimálně stejný vliv má nastavení regulátoru při uvádění do provozu, hydraulické připojení zdroje tepla k soustavě a také provozní režim. Různé teploty ve vytápěných místnostech, odlišné větrání, vytápění místně i časově odlišným způsobem omezované, se na zatížení zdroje tepla projevují.

Tabulka 1 obsahuje nejdůležitější výsledky. Hodnoty průměrných ročních účinností byly vyhodnoceny z výsledků celoročních měření. Podrobnější vysvětlivky k nim jsou uvedeny v [1]. Tepelné ztráty kotlů u nových rodinných domků vztažené k HO (ke spalnému teplu plynu), při stejné kvalitě použitých kondenzačních kotlů, kolísají přibližně mezi (5 až 35) kWh/(m2 . rok), v závislosti na podmínkách vyskytujících se v soustavě, tedy:

  • skutečným odběrem tepla
  • plochou budovy
  • umístěním kotle
  • způsobem hydraulického připojení kotle - se zabudovaným oběhovým čerpadlem nebo bez něho a s použitím přepouštěcího ventilu nebo bez něho
  • nastavením regulátoru teploty u kotle
  • druhem otopné soustavy (otopná tělesa nebo velkoplošné vytápění)
  • dalšími vlastnostmi otopné soustavy.

  Kondenzační
kotel
Nízkoteplotní
kotel
Počet otopných soustav 60 7
Roční průměrná účinnost v % - (Hu) 96,4 83,4
Roční průměrná účinnost v % - (Ho) 86,6 75,3
Měrné ztráty kotle (Ho) v kWh / (m2 . rok) 15,9 37,8
Měrná spotřeba el. energie v kWh / (m2 . rok) 2,91 1,64
Tab. 1 - Hodnoty roční průměrné účinnosti, tepelných ztrát kotle a spotřeby
pomocné energie, zjištěné měřením; [1]

V tab. 1 jsou výsledky provozních měření, která se uskutečnila v rámci řešení úkolu "Otopné soustavy s kondenzačními zdroji tepla", vztaženy převážně ke spalnému teplu (HO), ačkoliv v oborové literatuře je účinnost bohužel dodnes ještě vztahována převážně k výhřevnosti paliva Hu (po "evropsku" Hi). Zejména u kondenzačních zdrojů tepla potom dochází k nesmyslnému nadhodnocení účinnosti a mimo obor se tak dostávají sotva něco říkající čísla, větší než 100 %. V normalizaci však jsou již i v mezinárodním měřítku patrné první kroky, vedoucí k používání spalného tepla jako vztažné hodnoty. V souladu s tím je proto účinnost v dalším textu vztahována také ke spalnému teplu Ho (po "evropsku" Hs ).

Ústup od účinnosti: Nový způsob uvádění ztrátových ukazatelů
Od zavedení nízkoteplotních zdrojů tepla v 70. letech byly v četných oborových publikacích činěny pokusy nazývat účinnost u kotlů na plyn nebo na olej jako jakýsi stupeň využití energie a vyhodnocovat ji jako poměr využitého tepla k teplu, přivedenému v palivu:

η = QNutz / (VB . Hu)[rovnice 1]

η: je účinnost - stupeň využití energie
QNutz: tepelný výkon kotle (využité teplo)
VB: přiváděné množství paliva
Hu: výhřevnost paliva

Mezi stupněm využití energie a účinností je třeba rozlišovat. Účinnost vyjadřuje hospodárnost provozu za plynulého provozu, tj. za provozu hořáku, kdy dochází pouze k tepelným ztrátám na vnějším povrchu kotle (ztráty přestupem tepla) a ve spalinách - v závislosti na teplotě spalin a přebytku vzduchu.
Ve skutečném provozu v delším časovém úseku, například po dobu jednoho roku, je třeba do průměrné roční účinnosti zahrnout ještě ztráty vzniklé při vyřazení kotle z provozu a ztráty v tzv. pohotovostním provozu. Ztráty jsou tvořeny: ztrátami vnějších ploch kotle, vychládáním povrchu ohniště prouděním vzduchu (tahem komína) při vyřazení hořáku z provozu, ztrátami "propláchnutím" ohniště (vstřikem paliva) při startu hořáku před zapálením směsi a ztrátami při náběhu kotle do rovnovážného provozního stavu.


Obr. 2 - a) Účinnost, b) Ukazatel spotřeby, c) Absolutní hodnoty tepelných ztrát
Qg,Umwandlung = tepelné ztráty povrchem a spalinami,
Qg,Nutz = využitelné teplo, Qg,Sowieso = pohotovostní ztráty

Je však možný ještě jiný způsob vyjádření ztrát. Kromě účinnosti η existuje ještě tzv. ukazatel spotřeby energie e. Oba jsou graficky znázorněny na obr. 2, v závislosti na tepelném zatížení kotle. Protože jsou oba ukazatelé poměrnými hodnotami, nedávají informace o absolutní velikosti ztrát. V oblasti malého zatížení kotle vykazují obě funkční závislosti silně zakřivený průběh.
Alternativně lze použít také dva absolutní ukazatele (obr. 2c). Nejdůležitějšími z nich jsou ztráty únikem tepla ve spalinách a přestupem tepla z povrchu (povrchové) a ztráty, vznikající při vychládání vnitřních částí kotle. Souhrnně je můžeme všechny vyjádřit jako ztráty provozní (spalinami, vnějším povrchem) a ztráty pohotovostní (vychládáním, přestupem tepla).
Pohotovostní ztráty, které jsou na zatížení kotle poměrně nezávislé (vznikají "tak jako tak" = sowieso - pozn. překl.), lze udávat jako ukazatel Qg,Sowieso. Zjednodušeně budeme uvažovat, že jsou přibližně stejné - nezávislé na provozu kotle (hořák může být v provozu i mimo provoz).
Druhý ukazatel - Qg,Umwandlung (Umwandlung = přeměna, pozn. překl) vyjadřuje ztráty, k nimž dochází při přeměně energie na využité teplo (Qg,Nutz - pozn. překl.) a provozní ztráty, tj. odpovídá středním provozním ztrátám (spalinami, vnějším povrchem). Závislost mezi těmito veličinami je prakticky přímková a je určena dvěma hodnotami (body), zjištěnými měřením.
Z absolutních hodnot ztrát zdroje tepla lze odvodit normativní ztrátové ukazatele. Na praktickém použití je zde třeba vysvětlit postup zjišťování normativní spotřeby energie, publikovaný autory Deutscher/Rouvel [11]. V současné době je mu dávána přednost při zpracování normy (DIN 18 559) pro stanovení celkové energetické bilance budov podle směrnice EU 2006.
Energii, přiváděnou do kotelny, je možné obvykle rozdělit na tři části (obr. 3):

  • využitelnou energii, kterou je nutno dopravit k zásobovaným spotřebičům
  • ztráty nezávislé na provozní zátěži zdroje (pohotovostní ztráty)
  • ztráty závislé na provozní zátěži zdroje (ztráty spalinami a vnějším povrchem)
Mezi ztrátami závislými na zátěži a využitelnou energií existuje přibližně lineární závislost. Obdobným způsobem lze vyjádřit také závislost mezi využitelnou energií a energií, přiváděnou do kotelny ke spalování. Jestliže dochází u kondenzačních kotlů ke zvětšené kondenzaci vlhkosti ze spalin, vyskytují se odchylky od lineární závislosti.


Obr. 3 - Využití energie přiváděné do kotle

Obr. 4 - Zjištěné hodnoty ukazatelů

Odvození normativní spotřeby energie
Závislost mezi spotřebou a využitím energie u zdroje tepla je možné zjistit normativním způsobem, vztahujeme-li jak energii přiváděnou do kotle ke spalování QFeuerung, tak i energii využitelnou QNutz k energii odevzdávané při největším - jmenovitém výkonu (násobek jmenovitého výkonu a celkové doby provozu).

wauf = QFeuerung / (QK . tB )[rovnice 2]

ß= QNutz / (QK . tB )[rovnice 3]

wauf: normativní spotřeba energie
QFeuerung: teplo přivedené do kotle (ke spalování)
ß: poměrné využití energie (zátěž kotle)
QNutz: využitelná energie z kotle
QK: jmenovitý tepelný výkon kotle
tB: doba provozu

Vznikly tak dva nové termíny: normativní spotřeba energie wauf a poměrný tepelný výkon ß kotle. Mezi nimi je lineární funkční závislost:

wauf(ß) = wauf,0 + a . ß[rovnice 4]

wauf(ß): normativní spotřeba energie při určité zátěži kotle
wauf,0: normativní spotřeba energie při nulové zátěži kotle
a: převodní součinitel
ß: poměrný výkon (poměrné využití energie, zátěž kotle)

Na obr. 4 představuje úsek wauf,0 podíl mezi pohotovostními ztrátami a účinností kotle (viz též rovnice 1 - pozn. překl.). Pro pohotovostní ztráty pak platí:

qB = ηK . wauf,0[rovnice 5]

qB: poměrné pohotovostní ztráty
wauf,0: normativní spotřeba energie při nulové zátěži kotle
ηK: účinnost kotle

Průměrná účinnost kotle (provozní, upravená účinnost) se tedy vypočítá jako podíl Δß (zátěže kotle) a Δwauf (normativní spotřeby energie). Například pro ß = 100 % platí:

[rovnice 6]

wauf (ß = 1):  normativní spotřeba energie při plné zátěži

Tímto postupem byly všechny naměřené hodnoty využitelného tepla (výkonu), nezávisle na době měření, v rámci řešeného úkolu přepočítány na "normativní výkon" a všechny naměřené příkony na "normativní spotřebu energie wauf". Vyhodnocování se uskutečnilo jednou za měsíc a energie přiváděná do kotle byla počítána ze spalného tepla paliva. Nejvyšší možné využitelné teplo se získá jako násobek jmenovitého výkonu kotle a provozní doby (doby měření). Z přímkových závislostí normativní spotřeby energie byly pak pro každou otopnou soustavu, podrobenou výzkumu v rámci úkolu, odvozeny průměrné hodnoty pohotovostních ztrát a průměrné hodnoty účinnosti kotle.

Průměrné hodnoty ze všech soustav podrobených výzkumu
Jestliže se souhrnně vyhodnotí výsledky měření ze všech soustav s kondenzačními kotli - bez ohledu na jejich specifické vlastnosti - dostaneme diagram na obr. 5. Z regresní křivky zde při ß = 0 vycházejí pro všechny měřené soustavy průměrné poměrné pohotovostní ztráty qB = 0,47 %. Průměrná účinnost kotle vychází 90 %.
Kromě obou hodnot v krajních bodech zde můžeme dodatečně vyhodnotit také průměrnou normativní spotřebu energie (v libovolném bodě - pozn. překl.) tak, že do společné regresní rovnice dosadíme průměrný poměrný výkon zdrojů ß ze všech otopných soustav, zahrnutých do výzkumu. Při ß = 0,09 vychází normativní spotřeba wauf = 0,105.
Vysvětlení těchto hodnot je následující:

  • Průměrný poměrný výkon kotle je 9 % z instalovaného výkonu (ß = 0,09), u kotle s typickým výkonem 20 kW je to tedy průměrně 1,8 kW.
  • Potřebný příkon vychází 10,5 % z instalovaného výkonu kotle (wauf = 0,105). U kotle s výkonem 20 kW je to tedy průměrně 2,1 kW.

Porovnání s jinými známými ukazateli pro hodnocení soustav
Hodnocení pomocí normativní spotřeby energie je v souladu s teorií, využívající prúměrnou roční účinnost podle Dittricha, jestliže se omezíme na určení průměrné roční spotřeby při použití dvou ukazatelů podle Dittricha: průměrné účinnosti kotle ηK a průměrných pohotovostních ztrát qB. Obě veličiny jsou základem pro sestavení rovnice přímky, vyjadřující vztah pro výpočet normativní spotřeby:

[rovnice 7]

ηa(ß):    účinnost kotle při daném poměrném výkonu


Obr. 5 - Závislost poměrné spotřeby energie v závislosti na poměrné normativní zátěži
kotle, odvozená souhrnně z výsledků všech sledovaných soustav s kondenzačními kotli

Pro průměrný poměrný tepelný výkon všech soustav ß = 9 % a s převodním součinitelem a = 1,055 z obr. 5 tak dostaneme průměrnou roční účinnost 85,9 %:


Obr. 6 - Průběh průměrné roční účinnosti (vztažené k Ho), vyhodnocený ze všech
sledovaných soustav s kondenzačními kotli [1]


Obr. 7 - Vliv odlišností u soustavy na hospodárnost provozu; (dle [1])

Tato hodnota, i když byla odvozena z regresní křivky, velmi dobře souhlasí s průměrnou roční účinností, vypočítanou jako podíl součtu všech hodnot využitelné energie k součtu všech hodnot energie přivedené do kotlů, zjištěných nezávisle měřením (86,6 %). Pro všechny sledované soustavy s kondenzačními kotli tak dostaneme závislost průměrné roční účinnosti na poměrném tepelném výkonu podle obr. 6, s oběma již zmíněnými okrajovými body - tj. s poměrnými pohotovostními ztrátami 0,47 % a s průměrnou účinností 90 %.
Jak je patrné z průběhu závislosti, pod poměrným výkonem (zátěží) kotle (30-40) % již účinnost klesá. Ke zvlášť strmému poklesu dochází pod zátěží (5-10) %. Týká se to především letních měsíců, kdy je kotel využíván pouze pro ohřívání užitkové vody. Nehledě na nízkou účinnost jsou přitom ale absolutní tepelné ztráty v kWh v létě mnohem nižší, než při vysoké zátěži kotle v zimě. Je z toho zřejmé, že při používání menších spotřebičů není účinnost kotle vhodným ukazatelem pro jeho hodnocení. V tab. 2 jsou obsaženy ukazatelé, vycházející z vyhodnocení normativní spotřeby energie.

  Ukazatel
Počet otopných soustav 60
Průměrný poměrný tepelný výkon kotle ß (%) 9
Roční průměrná účinnost kotle ηK v % (Ho) 90,0
Průměrná pohotovostní ztráta v % (Ho) 0,47
Provozní pohotovostní ztráta (kW) 0,1
Průměrná roční účinnost v % (Ho), vypočítaná
z normativní spotřeby energie
85,9
Tab. 2 - Ukazatelé normativní spotřeby energie u kondenzačních kotlů; [1]

Vyhodnocení s ohledem na zvláštnosti jednotlivých soustav
Vyhodnocení na základě normativní spotřeby energie bylo použito také k tomu, aby se zjistil vliv některých zvláštností jednotlivých soustav na účinnost kotle. Byly proto sestaveny skupiny soustav s vybranými odlišnými vlastnostmi. Rozdělení a počet soustav ve skupinách je patrný z obr. 7. Pro každou porovnávanou skupinu byly výsledky vyhodnoceny metodou normativní spotřeby energie s odvozením všech ukazatelů, týkajících se hospodárnosti provozu. Na obr. 7 jsou pro každou porovnávanou skupinu s odlišnými vlastnostmi zvlášť znázorněny hodnoty účinnosti kotle (pro zátěž kotle 100 %) a hodnoty průměrné roční účinnosti (pro průměrnou zátěž kotle ß). Největší rozdíly vycházejí u soustav vlivem umístění kotle (uvnitř - a mimo vytápěné prostory) a vlivem přepouštěcího ventilu (soustavy s přepouštěcím ventilem a bez něho).

Porovnání s ukazateli spotřeby podle DIN V 4701-10
Jedním z cílů úkolu "Soustavy s kondenzačními zdroji tepla" bylo porovnání tepelných ztrát zdrojů tepla s údaji o spotřebě energie. V dalším textu budou proto porovnány dosažené výsledky s hodnotami spotřeby, vypočítanými podle DIN V 4701-10 a s normativní (průměrnou) účinností, vypočítanou podle DIN 4702-8. Pro výpočet primární spotřeby tepla jsou v DIN V 4701-10 podle zákona o úsporách energie počítány zvlášť ztráty zdroje tepla při přípravě teplé užitkové vody a při vytápění, s využitím tzv "součinitele spotřeby". Součinitel spotřeby zdroje tepla udává poměr mezi energií ve zdroji spotřebovanou k energii využitelné. Tepelná energie je v normě vztažena k výhřevnosti paliva Hu.

[rovnice 8]

eg (Hu): ukazatel spotřeby tepla kotle, vztažený k Hu
QB (Hu): teplo přivedené v palivu, vztaženo k Hu
Qg (Hu): ztráty kotle, vztažené k Hu
QNutz: využitelné teplo na výstupu z kotle

Aby byly údaje porovnatelné, musely být hodnoty ukazatelů spotřeby tepla vypočítané podle DIN V 4701-10 přepočítány na ztráty, vztažené ke spalnému teplu. Výpočet ztrát kotlů byl proveden pomocí výpočetního programu, vypracovaného na oborové vysoké škole v Brauschweig/Wolfenbüttel na základě předpisů EnEV [7], pro následující okrajové podmínky:

  • spotřeba tepla: 65 kWh / (m2 . rok)
  • užitná plocha: 159 m2 (odpovídá průměrné velikosti plochy sledovaných budov)
  • otopné plochy navržené pro teploty vody 55/45 °C, umístěné u obvodových konstrukcí pod okny, s termostatickými ventily s pásmem proporcionality 1 K
  • rozvodné potrubí je umístěno převážně ve vytápěných prostorech, stoupačky jsou umístěné uvnitř místností
  • oběhové čerpadlo s regulovatelnými otáčkami
  • centrální příprava teplé užitkové vody v zásobníku vytápěném nepřímo, bez cirkulace (umístění zásobníku i rozvodného potrubí převážně ve vytápěném prostoru)
  • umístění kondenzačního kotle ve vytápěném prostoru, zlepšené hodnoty BDH-ukazatelů podle nového vydání DIN V 4701-10, srpen 2003).

Z tohoto výpočtu vycházejí ztráty kotle, vztažené na jednu otopnou soustavu s kondenzačním zdrojem tepla při velmi dobrých okrajových podmínkách qg (Ho) = 9,3 kWh / (m2 . rok). Pro porovnání byl proveden také výpočet s částečně nepříznivějšími okrajovými podmínkami, s normativními ukazateli podle přílohy C DIN V 4701-10:

  • otopné plochy jsou navržené pro teploty vody 70/55 °C, umístěné u obvodových konstrukcí pod okny, s termostatickými ventily s pásmem proporcionality 2 K
  • umístění kondenzačního kotle: ve vytápěném prostoru, normativní hodnoty ukazatelů podle přílohy C
  • ostatní okrajové podmínky jsou stejné jako v předchozím případě.
V tomto případě vycházejí ztráty kotle qg (Ho) = 15,2 kWh /(m2 . rok). Pro stejné (nepříznivější) okrajové podmínky byl obdobně proveden ještě výpočet pro nízkoteplotní kotel.
Vypočítané údaje o spotřebě tepla jsou v tab. 3 porovnány se skutečnými hodnotami, zjištěnými měřením. Ztráty zdroje vypočítané s použitím vylepšených BDH-ukazatelů podle DIN V 4701-10 jsou 9,3 kWh / (m2 . rok), zatímco skutečné ztráty zjištěné měřením vycházejí 15,9 kWh / (m2 . rok).
Lze říci, že rozdíl mezi spotřebou tepla vypočítanou podle DIN V 4701-10 a výsledky měření vychází přijatelný pouze v případě, kdy jsou otopné plochy navrženy pro teploty vody 70/55 °C, s nepříznivějším pásmem proporcionality termostatických ventilů 2 K a normativními ukazateli kotle podle přílohy C. Velikost tepelných ztrát kotle, zjištěná teoreticky výpočtem podle DIN V 4701-10, zde přibližně odpovídá výsledkům měření za provozu.

  Užitná
plocha
Ztráta kotle vztažená k Ho
Výsledek
měření
DIN V 4701-10
Příloha C
70/55 °C
Ukazatelé
výrobku
podle BDH
55/45 °C
Jednotka m2 kWh/(m2a) kWh/(m2a) kWh/(m2a)
Kondenzační kotel 159 15,9 15,2 9,3
Nízkoteplotní kotel 149 37,8 19,9 -
Tab. 3 - Ztráty zdroje tepla zjištěné měřením a hodnoty energetické
náročnosti, vypočítané podle DIN V 4701-10; [1]

Při výpočtu s vylepšenými BDH-ukazateli vychází odchylka asi 6 kWh/(m2 . rok). Odchylka je úměrná významu, který je přikládán některým vlastnostem rodinného domku - například výhodám vyplývajícím z úspěšné zkoušky těsnosti konstrukcí domku na základě Zákona o úsporách energie. Tak například zkouška celkové průvzdušnosti objektu (Blower Door test) požaduje zajištění jakosti, která z hospodářského hlediska opravňuje investice do rodinného domku ve výši (300 - 500) Euro. Pro otopnou soustavu však žádná srovnatelná opatření, týkající se zajištění jakosti, požadována nejsou.
Odchylky zjištěné mezi výpočtem a výsledky měření účinnosti u nízkoteplotních kotlů vycházejí ještě nepříznivěji, ačkoliv byly k výpočtu podle DIN V 4701-10 požity pouze normativní hodnoty, nikoliv údaje výrobců.

Normativní účinnost podle DIN 4702-8
V jednom ze starších vydání (z r. 1995) běžné příručky pro vytápění a klimatizaci lze najít následující text:
"Pro vzájemné porovnání energetických ukazatelů otopných soustav různého konstrukčního řešení není na základě výsledků měření prakticky možné zjistit průměrnou roční účinnost, a to s ohledem na dlouhý časový interval zkoušky. Aby však mohlo být dosaženo rozumného řešení - tj. zkráceným způsobem - je zde pro porovnání používán nový ukazatel - definovaný v DIN 4702-8 jako tzv. normativní účinnost. Snahou je co nejvíce zkrátit dobu měření. Znamená to vycházet při tom ze zjednodušených předpokladů.
Normativní účinnost má být vztahována pouze k funkci samotného zdroje tepla. Nemůže tedy zohledňovat některé další zvláštní vlivy, jako jsou například konstrukce budovy, místní zvláštnosti provozu vytápění, správnost dimenzování kotle, jakost kotle, které - jak je známo - průměrnou roční účinnost dodatečně ovlivňují. Normativní účinnost se proto s průměrnou roční účinností jen tak beze všeho porovnávat nedá. U téhož zdroje tepla je totiž normativní účinnost obvykle až o 1 % vyšší než průměrná roční účinnost"
[2].
Uvedený text tedy podsouvá ještě dnes projektantům, řemeslníkům a uživatelům, že se skutečná průměrná roční účinnost zdroje tepla liší od normativní účinnosti pouze nepatrně (nejvýše o 1 %). Výsledky výzkumu, který se uskutečnil v rámci úkolu "Soustavy s kondenzačními zdroji tepla", však dokládají rozdíl mezi těmito oběma veličinami v rozmezí (10-13) procent.

Pokyny pro optimalizaci a zajištění jakosti otopných soustav
V dalším textu budou uvedena první pravidla pro budoucí řešení, projektování a provoz otopných soustav s kondenzačními zdroji tepla, odvozená na základě výsledků výzkumu. Se zvětšováním tepelné izolace u nových i rekonstruovaných budov se mění požadavky na nejmenší a největší tepelný výkon kotle - jednak pro účely vytápění (u rodinného domku 1 až 6 kW), jednak pro přípravu teplé užitkové vody (nejméně 10 až 12 kW při použití zásobníku, 18 až 24 kW u průtokového způsobu ohřívání). V současné době jsou na trhu nabízeny převážně kombinované zdroje tepla:

  • průtokové zdroje tepla pro vytápění a ohřívání užitkové vody, většinou s vlastním čerpadlem a přepínacím ventilem
  • kombinované zdroje tepla pro vytápění a ohřívání užitkové vody se zvláštním zásobníkem.

Aby mohl zdroj tepla jednoho konstrukčního řešení plnit obě funkce, vykazují všechny dnes nabízené kondenzační zdroje extrémně nízký vodní obsah. Jen tak může totiž být průtokové ohřívání vody dostatečně rychlé a pohodlné. Nízký vodní obsah však také způsobuje:

  • vysoký hydraulický odpor a tedy vysoké tlakové ztráty
  • potřebu zajistit minimální průtok vody kotlem
  • potřebu mít vlastní zabudované čerpadlo, které bývá - vzhledem k připojení otopné soustavy - obvykle příliš velké
  • potřebu osazení vlastních přepouštěcích ventilů nebo dokonce "hydraulických výhybek", které však vedou ke zvýšení teploty zpětné vody a tak snižují možnosti využívání spalného tepla.

Doporučení pro výrobce

  1. Protože je dnes převážně používán zásobníkový způsob ohřívání užitkové vody, u něhož lze tolerovat určité zpoždění v dodávce tepla pro ohřev, měl by být kondenzační kotel konstruován pokud možno s největším vodním obsahem - aby byl jeho hydraulický odpor zanedbatelný a nemusel mít vlastní oběhové čerpadlo. Není-li to možné, mělo by být čerpadlo co nejmenší, s nastavitelnou dopravní výškou.
  2. Mělo by to umožnit použití nejmenšího dostupného čerpadla - o příkonu přibližně 10 W až 25 W, místo běžně osazovaných čerpadel 60 W až 150 W. Spotřeba primární energie by tak mohla být v nových rodinných domcích snížena o 8 % až 15 %; ztráty by mohly klesout o dalších (6 až 25) kWh primární energie na (m2 . rok). Zdroje tepla s malým hydraulickým odporem jsou na trhu nabízeny již mnoho let, jsou však znovu z výrobního programu vyřazovány.
  3. Současně je třeba požadovat co největší plynulý regulační rozsah výkonu hořáku, aby splňoval různé požadavky při volbě zdroje tepla a umožňoval i částečné zatížení. Zabudované čerpadlo by mělo být nastavitelné, případně by měl být kotel dodáván bez něho, aby mohla být volba čerpadla přizpůsobena (projektantem - pozn. překl.) požadavkům otopné soustavy.
  4. U kotlů s nuceným oběhem vody má největší vliv na využívání kondenzačního tepla střední teplota vody v kotli, podstatně ovlivňovaná nastavením regulátoru teploty ve výrobním podniku. Praxe ukázala, že montážní firmy toto nastavení u běžných otopných soustav "z bezpečnostních důvodů" přibližně v 90 % případů nemění. Má to za následek vysoké teploty na výstupu, ale především - jsou-li osazeny přepouštěcí ventily - i vysoké teploty zpětné vody a střední teploty vody v kotli - které působí proti optimálnímu využívání kondenzačního tepla.
Výrobcům se u dodávaných kotlů doporučuje změnit nastavení regulátoru teploty vody. Navrhuje se nastavit výpočtovou teplotu vody na výstupu v rozmezí (50 až 55) °C (tj. průměrně o 20 K až 25 K nižší než bývá v současné době běžně nastavena při výrobě) a současně rovnoběžně posunout otopnou křivku o 2 K až 4 K, vztaženo k teplotě vzduchu v místnosti. Zaručilo by se tím, že i při teplotě venkovního vzduchu 8 °C až 10 °C by byla vstupní teplota vody do otopných těles "citelná". Při dnes běžném předimenzování otopných těles by se tak z velké části vyloučily stížnosti uživatelů.
Navrhuje se:
  • strmost otopné křivky: A = 1,0
  • rovnoběžné posunutí otopné křivky B = 2 K až 4 K, vztaženo k teplotě vzduchu v místnosti.

Doporučení pro projektanty

  1. Je nutné rozlišovat mezi projekty týkajícími se modernizace a projekty nových otopných soustav. Zásadně by se však měly v co největším měřítku navrhovat jednoduché otopné soustavy, měla by se dávat přednost kotlům s dostatečným vodním obsahem a tedy i malým hydraulickým odporem a kotle by se měly umísťovat ve vytápěném prostoru budovy.
  2. U rekonstrukcí je nutné převzít rozvodné potrubí i otopné plochy v současném stavu. Zde je pro autory jednoduše dostupná pomoc, mj. formou softwarové podpory (v SRN: vzniklé například v rámci řešení úkolu Optimus [10] ve spolupráci s proKlima Hannover).
  3. U nových soustav by mělo být vytápění místností řešeno jednoduše, buď pouze otopnými tělesy, nebo pouze podlahovým vytápěním. Doporučení pro dimenzování jednotlivých prvků jsou v [9]. Přednost je třeba dávat komplexnímu řešení soustavy nabízené jedním výrobcem, zvláště při kombinaci s využíváním solární energie, a jednoduchému schématu centrální automatické regulace.
  4. U kotle s dostatečným vodním obsahem a bez požadavku na dodržení minimálního průtoku vody se doporučuje volit ochlazení vody v soustavě 15 K až 25 K (teplota vody přiváděné do soustavy: 60 °C až 70 °C, teplota zpětné vody 40 °C až 55 °C). U kotle s malým vodním obsahem většinou nelze volit ochlazení větší než 10 K až 15 K (teplota vody přiváděné do soustavy: 50 °C až 60 °C, teplota zpětné vody 40 °C až 55 °C). Čím je ochlazení vody větší, tím je lepší jakost regulace v jednotlivých místnostech se správně dimenzovanými termostatickými ventily (malé hodnoty kvs).
  5. Je třeba věnovat pozornost volbě kotle a volit jej pokud možno s velkým modulačním rozsahem zabudovaného hořáku (tj. možností plynulé, automaticky regulovatelné změny výkonu ve velkém rozmezí - s co nejnižším základním výkonem (4 kW až 5 kW). Nastavení hořáku - tj. výkonu kotle pro vytápění a pro zásobníkový ohřev vody by mělo být oddělené.
  6. Projekt by měl obsahovat: velikost tepelných ztrát, výpočet potrubní sítě, volbu, dimenzování a rozmístění otopných ploch, údaje pro nastavení otopné křivky na regulátoru kotle, údaje pro nastavení dopravní výšky čerpadla a pro hydraulické vyvážení soustavy (hydraulické přednastavení termostatických ventilů).
  7. U malých budov je třeba při volbě kotle zvláště dbát na to, aby měl malé pohotovostní ztráty a malý rl. příkon oběhového čerpadla. Kotel zde bývá v pohotovostním provozu prakticky po celé, nebo téměř celé otopné období.
  8. Zásadně se doporučuje osadit za kotlem měřidlo tepla jako provozní kontrolní prvek. Za úvahu stojí dodávat měřidlo tepla jako volitelnou součást vybavení kotle, pro možnost sledování spotřeby tepla u budovy - a ve spojení s měřidlem příkonu paliva do hořáku i pro možnost zjištění tepelných ztrát kotle.

Doporučení pro montáž
Montážní podniky mají povinnost dodržet údaje obsažené v projektu a vydat o tom potvrzení. Zvláště musí věnovat pozornost správnému nastavení otopné křivky na regulátoru, seřízení oběhového čerpadla a hydraulickému vyvážení soustavy tak, aby byla zaručena nízká teplota zpětné vody a nízká spotřeba energie u čerpadla.

Doporučení pro předávání, uvádění do provozu a pro používání soustavy
Společně s montážním podnikem musí být i uživatel seznámen s funkcí všech podstatných prvků a s obsluhou zařízení a musí mu být předána veškerá písemná dokumentace. Týká se to zejména nastavení regulátoru (provozní přestávky, mezní teploty otopné vody, letní provoz), jakož i termostatických ventilů.
Zásadně se doporučuje pravidelně (1 měsíčně) měřit veličiny týkající se spotřeby tepla a umožnit tak kontrolu spotřeby tepla. Je třeba důrazně upozornit na typické příčiny plýtvání - tj. na příliš vysoké teploty vzduchu a trvale vyklopená okna (zvláště v přechodovém období). Další pokyny jsou v [6].

Zpětná vazba na výrobce zařízení
Výsledky řešení úkolu "Soustavy s kondenzačními kotli", jakož i podpůrné podmínky pro využívání kondenzačních kotlů od společnosti proKlima Hannover daly popud k první vzájemné výměně informací s výrobci [obr. 8]. Kromě informací o výsledcích výzkumu byla s 15 zástupci z 8 výrobních podniků projednána i přání týkající se konstrukce kotle, vyplývající z výsledků řešení. Setkání přineslo následující důležité výsledky:

  • Jestliže to vyplyne z požadavků trhu, mohli by výrobci nabízet kotle s dostatečně velkým vodním obsahem, případně s malým hydraulickým odporem. Technické předpoklady k tomu jsou vytvořeny. V současné době jsou ovšem požadovány prakticky výhradně kotle určené pro vytápění i přípravu teplé vody (kombi-agregáty), s požadavky na minimální prostor.
  • Z diskuse vyplynul návrh výrobců, že čerpadlům zabudovaným do konstrukce kotle by měla být dána přednost před čerpadly umístěnými mimo vzhledem k tomu, že po těchto kompaktních kotlech roste poptávka na trhu a taková konstrukce umožňuje optimální vazbu čerpadla na regulaci kotle. Dopravní výška zabudovaného čerpadla a podle okolností i osazený regulátor tlakového rozdílu by měly být nastavitelné nejméně ve třech stupních: 0,5 / 1,0 / 1,5 m v.s. (5 / 10 / 15 kPa).
  • Modulace (výkonu hořáku) v rozmezí od 1:6 až 1:10 je kompromisním řešením pro kotle s nejvyšším výkonem 18 kW.
  • Všechny přítomné strany se shodly v názoru, že pozornost uživatelů, projektantů i montážních podniků by se měla znovu a větší měrou soustředit u zdrojů tepla na spotřebu energie, aby se jejich vyspělejší konstrukce s vyšší účinností (v současné době podle okolností i dražší) mohla na trhu vůbec uplatnit.

Výhledově: Návrhy na změnu směrnice EU o budovách
Z výsledků výzkumu zřetelně vyplývá, že průměrná roční účinnost kondenzačních kotlů v provozu za okrajových podmínek, běžných u otopných soustav, nemůže dosáhnout normativní hodnoty. Typická otopná soustava v objektu podrobeném výzkumu vykazuje pohotovostní ztrátu 0,5 % nebo přibližně 100 W. Průměrná roční účinnost je 90 % (vztaženo k Ho). Vzhledem k tomu, že poměrný tepelný výkon soustavy vychází průměrně pouze 9 %, vychází průměrná normativní účinnost jen asi 86 % (Ho).
V budoucnu by měla být pro hodnocení hospodárnosti používána skutečná normativní spotřeba, v poměru k průměrnému výkonu kotle. Odvozené hodnoty ukazatelů (průměrná účinnost kotle, průměrná poměrná pohotovostní ztráta), jakož i ztráty vztažené na užitnou plochu, by mohly být alternativně použity také pro účely porovnání s hodnotami obsaženými v předpisech i pro sledování hospodárnosti provozu, místo účinnosti a údajů o spotřebě tepla.
Při vší kritice otopných soustav s kondenzačními zdroji tepla podrobených výzkumu je třeba se zde ještě jednou zmínit i o tom, že u nízkoteplotních soustav, měřených pro porovnání, byly zjištěny ztráty ještě výrazně vyšší; ani u nich nebyly dosaženy hodnoty normativní průměrné účinnosti.
Z výzkumu soustav s kondenzačními zdroji tepla a ze závěrů, týkajících se energetického rozboru spotřeby tepla, vyplývá, že nestačí sledovat a vyhodnocovat jen vlastnosti samotných zdrojů tepla nebo jiných prvků otopné soustavy. Pouze optimalizace vzájemných vztahů mezi otopnou soustavou, tepelnou izolací budovy a způsobem provozováni soustavy může vést k lepšímu využívání energie a bezvadné funkci soustavy.
Vyhodnocení celku "budova" lze v současnosti provádět s využitím údajů o spotřebě tepla. Rozbor výsledků měření dosažených poměrně jednoduchými prostředky i provedené výpočty nám poskytují řadu ukazatelů pro hodnocení budovy při vytápění i dodávce tepla mimo vytápění.
Nabízí se nám tak možnost realistického hodnocení energetických vlastností budovy nepříliš nákladným způsobem, když má být vydán "pouhý" energetický pasport. Porovnáním energetické spotřeby s náročností budovy bude též odstraněno nebezpečí, že by nám samotný výpočet podle norem a směrnic nadělil příliš optimistické úspory, a to zvláště při modernizaci.

Literatura
[1] Úkol BDU (die Deutsche Bundesstiftung Umwelt), zaměřený na výzkum provozních vlastností kondenzačních kotlů, řešený vysokou odbornou školou v Braunschweig/Wolfenbüttelu: "Provoz kondenzačních kotlů v praxi". Závěrečná zpráva je na internetových stránkách enev.tww.de.
[2] Buderus Heiztechnik GmbH: Topenářská příručka (Handbuch der Heizungstechnik). Berlin: Beuth 1995 a 2002.
[3] DIN Dieter Wolf a Kati Jagnow: E-A-V: Energetická analýza ze spotřeby (Energetische Analyse aus dem Verbrauch). Stuttgart: Gentner, TGA Fachplaner 9-2004.
[4] DIN 4702-8 Kotle pro vytápění; Zjišťování normativní účinnosti a normativního ukazatele emisí (Heizkessel; Ermittlung des Norm-Nutzungsgrades und des Norm-Emissionsfaktor) Berlin, Beuth 1990.
[5] DIN V 47-10 Energetické hodnocení otopných a větracích soustav - Část 10: Vytápění, ohřívání vody, větrání (Energetische Bewertung heizund raumlufttechnischer Anlagen - Teil 10: Heizung, Trinkwarmwasser, Lüftung). Berlin: Beuth 2001 a srpen 2003.
[6] Kati Jagnow, Christian Halper, Tobias Timm, Marco Sobirey: Optimalizace již provozovaných soustav. Části 1 až 5 (Optimierung von Heizungsanlagen im Bestand. Teile 1 bis 5). Stuttgart, Gentner, TGA Fachplaner 05-, 08- a 11-2003, 01- a 03-2004.
[7] Kati Jagnow: Výpočetní program EP ke směrnicím EnEV (EPRechenprogramm zur EnEV). Internet enev.tww.de.
[8] Kati Jagnow: Postup energetického a ekonomického hodnocení zásahů při zajišťování jakosti zařízení otopných soustav (Verfahren zur energetischen und wirtschaftlichen Bewertung von Qualitätssicherungsmassnahmen in der Heizungsanlagentechnik). Dortmund, Stavební fakulta Univerzity, dizertační práce 2004.
[9] Zemské hlavní město Hannover: Výstavba na Kronsbergu - zásady vytápění (Bauen Am Kronsberg - Heiztechnisches Konzept). Hannover: Úřad pro ochranu prostředí (Amt für Umweltschutz), 1998.
[10] Optimus: úkol podporovaný DBU, zaměřený na optimalizaci otopných soustav, společný pro montážní podniky, učňovské školy, školy pro vzdělávání učitelů učňovských škol s účastí vědeckých pracovníků (Optimierung von Heizungsanlagen zusammen mit dem ausführenden Handwerk, Berufsbildenden Schulen, Berufschullehrerausbildung und wissentschaftlicher Begleitung). Na úkolu se mj. podílí oborová vysoká škola v Braunschweig/Wolfenbüttelu. Internet: www.optimus-online.de.
[11] Peter Deutsher, Lothar Rouvel: Energetické hodnocení technických zařízení budov, 2 části (Energetische Bewertung haustechnischer Anlagen). Düsseldorf: VDI, HLH-07- a 08-2003. [12] Směrnice 2002/91/EU o celkové energetické hospodárnosti budov (Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden = Gebäuderichtlinie), z 16. prosince 2002.

Překlad z Fachplaner 10-2004: "Effizienz von Wärmeerzeugern"

 

Hodnotit:  

Datum: 25.4.2005
Autor: Ing. Antonín Chyba   všechny články autora
Organizace: Centrum stavebního inženýrství a.s., Zkušební laboratoř TZB



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


Témata 2018

 
 

Aktuální články na ESTAV.czNáchod chce koupit za 46 milionů pozemky po bývalé textilní továrně v srdci městaLidovci chtějí jednat s MMR o rozvoji obecních nájemních bytůNejslavnější nedostavěné stavby světaDPP a Penta založí podnik na výkup pozemků pro stavbu metra D