Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Zjišťování tepelné účinnosti plynových kotlů a kotelen - III. díl

Část 3 - Zjišťování tepelné účinnosti plynových kotelen

Cílem prvních tří dílů seriálu bylo poskytnout zjednodušený návod, jak správně vyjadřovat účinnost kotlů a kotelen, a to i v případě, že jsou osazeny kondenzačními kotli. Je třeba zdůraznit, že účinnost kotle i kotelny není parametr fixní nýbrž proměnný závislý na celé řadě konkrétních podmínek.

Energetická bilance kotelny v teplotně ustáleném provozu

Tato bilance (obr. 1) je obdobná jako energetická bilance kotle. Liší se ale v těchto bodech:

  • namístě tepelného příkonu do kotle obsaženém ve spalovacím vzduchu je tepelný příkon kotelny obsažený v přiváděném vzduchu, který tvoří spalovací vzduch pro kotel o hmotnostním průtoku mas a větrací vzduch přisávaný komínem mimo kotel přes přerušovač tahu o hmotnostním průtoku mav,
  • namístě tepelné ztráty kotle sdílením tepla z jeho povrchu do kotelny je tepelná ztráta kotelny prostupem tepla jejím pláštěm do okolí.

Obr. 1 - Schema kotelny pro tepelnou bilanci

Do kotelny vstupují příkony (kW):

Q1 - tepelný příkon kotelny v dodávaném plynu,
Qap - tepelný příkon kotelny v přiváděném vzduchu.

Z kotelny vystupují výkony (kW):

Q2 - užitečný tepelný výkon kotelny odváděný oběhovou vodu na výstupu z kotelny,
Qs - tepelná ztráta kotelny odcházejícími spalinami,
Qk - tepelná ztráta kotelny prostupem tepla jejím pláštěm do okolí.

V kotelně se sdílejí ještě tepla, popsaná těmito výkony (kW):

Qz - tepelná ztráta přestupem tepla z teplého povrchu zařízení kotelny do jejího prostoru,
Qav - tepelná ztráta větráním v kotelně.

Jednotlivé složky výkonů lze stanovit z následujících vztahů:

kde
mc - hmotnostní průtok plynu (kg.h-1)
Vc - objemový průtok plynu při jeho skutečné teplotě a tlaku (m3.h-1)
bc - spalné teplo zemního plynu = 15,36 při referenční teplotě 25 °C (kWh.kg-1)
ρc0 - hustota zemního plynu při teplotě 0 °C a tlaku 101,3 kPa = 0,72 (kg.m-3)
pc - skutečný tlak plynu (kPa)
pco - standardní tlak plynu = 101,3 (kPa)
Tc - skutečná teplota plynu (K)
Tc0 - teplota plynu při teplotě 0 °C = 273 (K)
map - hmotnostní průtok přiváděného vzduchu (kg.h-1)
mav - hmotnostní průtok větracího vzduchu (kg.h-1)
ms - hmotnostní průtok spalin (kg.h-1)
mv - hmotnostní průtok oběhové vody (kg.h-1)
ha - entalpie spalovacího vzduchu při teplotě te (Wh.kg-1)
hs - entalpie spalin při jejich skutečné teplotě (Wh.kg-1)
c - měrná tepelná kapacita vody = 1,163 (Wh.kg-1.K-1)
ca - měrná tepelná kapacita vzduchu = 0,28 (Wh.kg-1.K-1)
Uk - součinitel prostupu tepla pláštěm kotelny do okolí (W.m-2.K-1)
αz - součinitel přestupu tepla z teplého povrchu zařízení kotelny do jejího prostoru = 12 (W.m-2.K-1)
Sk - plocha pláště kotelny (m2)
Sz - plocha teplého povrchu zařízení kotelny (m2)
t1 - teplota vody vystupující z kotelny (přívod) (°C)
t2 - teplota vody vstupující do kotelny (zpátečka) (°C)
tz - průměrná teplota teplého povrchu zařízení kotelny (°C)
ti - vnitřní teplota kotelny (°C)
te - venkovní teplota (°C).

Uváděné entalpie h jsou vztahovány k teplotě 0 °C.

Tepelná ztráta kotelny odcházejícími spalinami Qs se určuje pro skutečný přebytek vzduchu ve spalinách za přerušovačem tahu, který bývá zvýšen o vzduch přisávaný komínem mimo kotel přes přerušovač tahu.

Protože z tepelné bilance kotelny platí, že

lze potom absolutní tepelnou účinnost kotelny (-) vyjádřit vztahem

Tepelný příkon kotelny v dodávaném plynu Q1 se zjistí výpočtem ze vztahu (1) pomocí změřeného objemového průtoku plynu Vp (m3.h-1) plynoměrem při skutečné teplotě a tlaku plynu. Užitečný tepelný výkon kotelny odváděný oběhovou vodu na výstupu z kotelny Q2 se změří přímo měřičem tepla v teplovodním potrubí na výstupu z kotelny. Tepelný příkon kotelny v přiváděném vzduchu Qap je nutno stanovit výpočtem ze vztahu (2), přičemž hmotnostní průtok vzduchu se stanoví z naměřené rychlosti a teploty přívodního vzduchu, z hustoty přívodního vzduchu a z průřezu přívodního otvoru.

Množství vzduchu přivedené do kotelny (kg.h-1) je také možno určit nepřímo z koncentrace kyslíku ve spalinách v komíně za přerušovačem tahu ze vztahu

kde
λ - součinitel přebytku spalovacího vzduchu = 21 / (21 - fO2) (-)
fO2 - naměřená objemová koncentrace kyslíku O2 ve spalinách (%)
u - poměrné teoretické množství spalovacího vzduchu vzhledem k plynu = 17,03 (kg.kg-1).

Pokud kotel v kotelně neběží stále o příkonu Q1, ale vypíná, musíme při výpočtu účinnosti kotelny pracovat s tzv. redukovanými výkony, ve kterých je zohledněna doba běhu kotle τb (h) a doba klidu kotle τo (h). V klidovém stavu kotle budou tepelné ztráty kotelny dány veličinou Qk a veličinou Qs, která však bude vyjadřovat ztrátu tepla ve větracím vzduchu, který bude do kotelny vstupovat s teplotou te a kotelnu bude opouštět s teplotou ti nebo vyšší podle toho, zda se ohřeje teplem akumulovaným v odstaveném kotli a v komíně.

Vztah (9) potom přejde do tvaru pro redukovanou účinnost (-)

kde
ω - poměr doby běhu kotle k době periody běhu = τb / (τbo) (-).

Při klidu kotle dosahují veličiny Q1, Q2, a Qs nulových hodnot, veličina Qap = Qav. Toto platí pro případ, že kotel má spalinovou klapku. Pokud kotel nemá klapku, větrací vzduch prochází částečně i kotlem, ochlazuje jej a tím zvětšuje ztrátu do okolí.

Cílem prvních tří dílů seriálu bylo poskytnout zjednodušený návod, jak správně vyjadřovat účinnost kotlů a kotelen, a to i v případě, že jsou osazeny kondenzačními kotli. Proto bylo pro vyjádření příkonu použito spalné teplo plynu a odpovídajícím způsobem bylo upraveno vyjádření entalpie spalin. Tím se podařilo eliminovat termodynamicky nesmyslné hodnoty účinnosti větší než 100 %, které u kondenzačních kotlů vycházejí při aplikaci standardní metodiky, která používá pro vyjádření účinnosti kotle výhřevnost plynu. Uvedená metodika pak ve výsledku dává hodnoty účinnosti o několik procent nižší.

Je třeba zdůraznit, že účinnost kotle i kotelny není parametr fixní nýbrž proměnný závislý na celé řadě konkrétních podmínek. Účinnost bude ovlivňovat např. výkon kotle, kvalita paliva, konkrétní přebytek spalovacího vzduchu, teplota zpětné a výstupní vody, teplota nasávaného vzduchu, čistota výhřevných ploch kotle ap. Proto je třeba ke každé z hodnot určených účinností připojit informaci o podmínkách, pro které platí. Pokud se účinnost používá v ročních bilancích, např. spotřeby paliva nebo produkce emisí, je třeba použít průměrnou roční účinnost, do níž se promítají nestacionární provozní režimy jako je výkonová regulace, najíždění a odstavování kotle ap. Průměrná roční účinnost pak obvykle vychází o 1 až 5 % horší než je účinnost určená při optimalizovaném ustáleném jmenovitém režimu.