Vysoká škola báňská-technická univerzita Ostrava VÝZKUMNÉ ENERGETICKÉ CENTRUM

Transkript

1 Vysoká škola báňská-technická univerzita Ostrava VÝZKUMNÉ ENERGETICKÉ CENTRUM

2 Vysoká škola báňská-technická univerzita Ostrava VÝZKUMNÉ ENERGETICKÉ CENTRUM SPOLEČNÝ PROJEKT OVĚŘENÍ PROVOZNÍCH PARAMETRŮ INDIVIDUÁLNĚ STAVĚNÝCH KAMEN NAVRŽENÝCH DLE ČSN EN Projekt je jedinečný tím, že individuálně navržená kamna dle evropské normy byla poprvé měřena v přesných podmínkách kalorimetrické komory. V těchto podmínkách byla doložena správnost vypočítaných hodnot, a byly tak podpořeny argumenty pro uplatnění výpočtu v kamnářské praxi. Dále byly získány argumenty pro prosazování individuálně navržených a dimenzovaných kamen jako ekologického topidla splňujícího požadované limity. Parametry kamen byly ověřeny vědeckými postupy a na půdě autorizované osoby v České republice. Přednáška si klade za cíl seznámit posluchače s průběhem měření a celkovými výsledky měření parametrů. Další přednášky budou zaměřeny na jednotlivé parametry a aplikovatelnost poznatků.

3 Byly měřeny tyto parametry: a) Křivka výkonu v čase. b) Účinnost zařízení vypočtená na základě přímé a nepřímé metody. c) Průběh povrchových teplot kamen na vybraných místech. d) Průběh teplot uvnitř kamen, včetně tahů. e) Průběh tlaků uvnitř tahů. f) Průběh plynných složek spalin: CO, CO 2, O 2, NO x, TOC MĚŘENÍ SE USKUTEČNILO V KALORIMETRICKÉ KOMOŘE s důrazem na ověření účinnosti, výkonu a teplot v jednotlivých částech kamen.

4 Schéma kalorimetrické komory

5 Kalorimetrická komora a kamna připravené k měření

6

7 Funkční schéma kamen s hlavními parametry Délka tahu 6,24 m

8 Schéma umístění termočlánků pro měření povrchových teplot čidla T.

9 Schéma umístění termočlánků pro měření teplot uvnitř kamnového jádra a uvnitř hypokaustního prostoru čidla K.

10 Termočlánky pro měření teplot uvnitř kamen.

11 Palivo Na palivo bylo použito dřevěných briket a kusového bukového dřeva.

12 Palivo Na palivo bylo použito dřevěných briket a kusového bukového dřeva.

13 VLASTNÍ MĚŘENÍ Měření proběhlo ve dvou sériích. 1. Měření kamen s prosklenými dvířky, DVOJSKLO. Celkem 8 měřících cyklů. 2. Měření kamen s izolovanými dvířky. Celkem 6 měřících cyklů. Zátopy probíhaly ve dvanáctihodinových intervalech.

14 TEPELNÝ VÝKON MAX. 1,82 kw/5 58 MIN. 1,49 kw/12 00 Měření 1-1 Charakteristika: Průměrný dosažený výkon 1,5 kw = 50% vypočteného. Maximální výkon 1,82 kw byl dosažen za 5 58 od zátopu. Po 12 hodinách byl měřen výkon 1,49 kw.

15 MAX. 3,28 kw/1 32 TEPELNÝ VÝKON MIN. 2,08 kw/12 00 Měření 1-2 Charakteristika: Průměrný dosažený výkon 2,72 kw = 90,7% vypočteného. Maximální výkon 3,28 kw byl dosažen za 1 32 od zátopu. Po 12 hodinách byl měřen výkon 2,08 kw. U druhého zátopu se již projevila výkonová špička způsobená přechodem výkonu přes prosklená dvířka.

16 MAX. 3,78 kw/1 10 TEPELNÝ VÝKON MIN. 2,22 kw/12 00 Měření 1-3 Charakteristika: Průměrný dosažený výkon 2,99 kw = 99,9% vypočteného. Maximální výkon 3,78 kw byl dosažen za 1 10 od zátopu. Po 12 hodinách byl měřen výkon 2,22 kw. I u třetího zátopu se již projevila výkonová špička způsobená přechodem výkonu přes prosklená dvířka. Při třetím zátopu bylo prakticky již dosaženo vypočítaného průměrného výkonu.

17 TEPELNÝ VÝKON 1,5 2,72 2,99 2,94 3,09 3,30 3,43 2,83 Vypočítaný průměrný výkon 3,0 kw Při měření 1-8 byla ponechána klapka EPV na 100%.Neuzavřena. NÁBĚH KAMEN Měření 1-1 až 1-8 GRAF Č. 1

18 TEPELNÝ VÝKON Izolace prosklení kamnových dvířek byla provedena za účelem zjištění výkonové reakce přes dvířka do prostoru.

19 TEPELNÝ VÝKON Měření 2-1 až 2-6 SKLO DVÍŘEK IZOLOVÁNO GRAF Č.64

20 Porovnání křivek tepelného výkonu z měření série 1 a série 2 Izolovaná dvířka Prosklená dvířka Rychlý pokles výkonu způsobený úmyslným neuzavřením klapky EPV.

21 Porovnání křivek tepelného výkonu z měření série 1 a série 2 Porovnání průběhu chladnutí kamen s vlivem otevření/uzavření klapky EPV po skončení procesu spalování. Při uzavření klapky kamna vychladla od okamžiku zátopu za 3 dny a 5 hodin. Při otevřené klapce kamna vychladla od okamžiku zátopu za 1 den a 16 hodin.

22 TEPELNÝ VÝKON Diskuse k naměřenému výkonu kamen Měření v kalorimetrické komoře dobře dokázalo, že vypočtený výkon 3,0kW se shoduje s naměřenými průměrnými hodnotami. Prokázal se efekt pomalého náběhu těžkých kamen. Měření ukázalo, že vypočteného výkonu kamna dosáhnou až při třetím zátopu, tj. cca za 30 hodin od prvního zátopu při dodržení 12 hodinových intervalů zátopu. V grafech velmi zajímavě vypadá znázornění výkonových vrcholů způsobených vyzařováním přes sklo dvířek. Krátkodobě dosahuje výkon až 5,6 kw. Při provozu s izolovanými dvířky jsou výkonové vrcholy oblé, bez ostrých vrcholů a maxima výkonu se pohybují okolo 1,5 kw nad průměrným vypočteným výkonem. Měření výkonu a také účinnosti ukázalo na vliv regulace spalovacího vzduchu na tyto parametry. Ponechání otevřeného EPV výrazně urychlí vyvětrání kamen do komína, a tím i sníží výkon a celkovou účinnost kamen.

23 TEPELNÁ ENERGIE A ÚČINNOST KAMEN

24 TEPELNÁ ENERGIE A ÚČINNOST KAMEN

25 CELKOVÁ ÚČINNOST KAMEN Přímá metoda Výpočet celkové účinnosti kamen přímou metodou umožňuje právě prostředí kalorimetrické komory. Do výpočtu se zahrnuje tepelná energie dodaná kamny v celém 12 hodinovém intervalu. Přímá metoda stanovení účinnosti porovnává tepelnou energii vyrobenou kamny vůči tepelné energii dodané kamnům v palivu. E tepelná energie dodaná kamny do prostoru Ep energie dodaná v palivu do kamen

26 CELKOVÁ ÚČINNOST KAMEN Nepřímá metoda Pří výpočtu nepřímou metodou bylo vycházeno z normy ČSN EN Akumulační kamna na pevná paliva. Vychází se z úvahy, že 100% účinnost u ideálního zařízení je v reálném stavu snížena o následující ztráty:

27 CELKOVÁ ÚČINNOST KAMEN Nepřímá metoda Norma udává, že tepelné ztráty se stanovují z průměrných hodnot teplot spalin a místnosti, složení spalin a hořlavých složek v pevných zbytcích spalování a účinnost se stanoví dle rovnice: η = 100 (qa + qb + qr). Než je však možné jednoduchou rovnici dosadit, předchází řada poměrně složitých výpočtů jednotlivých ztrát q a, q b a q r.

28 CELKOVÁ ÚČINNOST KAMEN Nepřímá metoda Norma ČSN EN pro akumulační kamna na pevná paliva určuje, že časový úsek, po který jsou účinnost a emise vyhodnoceny, začíná přiložením celé dávky paliva do ohniště a konec úseku nastane, když je dosaženo buď objemové koncentrace 4% CO 2 ve spalinách, nebo 25% předchozí maximální hodnoty objemové koncentrace CO 2 podle toho, která hodnota je nižší. Při naší analýze byl jako konec časového úseku stanoven stav, kdy byla dosažena koncentrace CO 2 ve spalinách 4%. Z uvedeného je zřejmé, že účinnost vypočtená na základě nepřímé metody nepokrývá celý úsek zkoušky (12 hodin) a představuje určitý kompromis při vyhodnocování. Následující tabulka ukazuje na to, že hodnoty účinnosti kamen vypočtené na základě nepřímé metody vykazují vyšší % čísla.

29 CELKOVÁ ÚČINNOST KAMEN

30 CELKOVÁ ÚČINNOST KAMEN Diskuse k vypočtené celkové účinnosti kamen Pro sérii měření č. 1 PROSKLENÁ DVÍŘKA byla přímou metodou vypočtena celková účinnost 80,0% v ustáleném režimu, tj. 1-5 až 1-7. Pro sérii měření č. 2 IZOLOVANÁ DVÍŘKA byla přímou metodou vypočtena celková účinnost 76,9% v ustáleném režimu, tj. 2-4 až 2-6. Rozdíl 3,1% může být způsoben tím, že při měřeních série č. 2 nebyl přivírán EPV na 50% po rozhoření paliva, jak tomu bylo při měřeních série č. 1. Tímto mohlo dojít ke snížení účinnosti kamen. Nicméně potvrdit by to bylo možné pouze dalšími zkouškami. Porovnáním vypočtených hodnot lze konstatovat, že kamna během zkoušek vykazovala hodnoty účinnosti vyhovující normě ČSN EN i vyhláškám platným v Německu (BImSchV - 75%, od ) a v Rakousku (15aB-VG 80%, od ).

31 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Během měření bylo shromážděno velké množství dat o průběhu teplot v různých částech kamen a na jejich povrchu. Pro přehlednost je v této prezentaci uváděn pouze výběr grafů. Jako důležité hodnoty jsou uvedeny průměrné teploty na plášti kamen, dále v topeništi a na začátku, středu a na konci tahového systému. Dále teplota v hypokaustním prostoru nad středem kamnového jádra a v prostoru EPV pod topeništěm. Regulace EPV byla prováděna ručně, pouze u zkoušky 1-6 byl EPV regulován automatikou.

32 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty na plášti kamen a skle dvířek 1. Série měření, s prosklenými dvířky dvířky (dvojsklo). Měření proběhla při různém komínovém tahu a nastavení klapky EPV.

33 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty na plášti kamen a skle dvířek EPV 100%; přivření / 15-50%; uzavření / 38, atypický režim drobná polínka, velká reakční plocha, tah komína proměnný Min 8, max. 26 Pa Měření 1-4

34 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty na plášti kamen a skle dvířek EPV 100%; přivření / 16-50%; uzavření / 1 05, tah komína 12,7 Pa Měření 1-5

35 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty na plášti kamen a skle dvířek EPV řízen automatickou regulací tah komína 13 Pa Měření 1-6

36 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v tazích a v hypokaustním prostoru EPV 100%; přivření / 15-50%; uzavření / 38, atypický režim drobná polínka, velká reakční plocha, tah komína proměnný Min 8, max. 26 Pa Měření 1-4 V důsledku rychlého hoření drobného dřeva došlo ke zvýšení maximálních teplot, výkonu vyzařovaného přes sklo dvířek a zvýšení emisí CO. Výstup z topeniště ½ délky tahu Konec tahu/komín EPV pod topeništěm Hypokaustní prostor

37 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v tazích a v hypokaustním prostoru EPV 100%; přivření / 16-50%; uzavření / 1 05, tah komína 12,7 Pa Měření 1-5 Výstup z topeniště ½ délky tahu Konec tahu/komín EPV pod topeništěm Hypokaustní prostor

38 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v tazích a v hypokaustním prostoru EPV řízen automatickou regulací tah komína 13 Pa Měření 1-6 Výstup z topeniště ½ délky tahu Konec tahu/komín EPV pod topeništěm Hypokaustní prostor

39 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v tazích a v hypokaustním prostoru Měření 1-7 KLAPKA EPV UZAVŘENA po dohoření. TEPLOTA V PÁDU po 12 hod... K1-215 C TEPLOTA V HYPOK.PR. po 12 hod..k C ÚČINNOST 80,9% (přímá metoda) Výstup z topeniště ½ délky tahu Konec tahu/komín EPV pod topeništěm Hypokaustní prostor

40 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v tazích a v hypokaustním prostoru Měření 1-8 KLAPKA EPV NEUZAVŘENA po dohoření. TEPLOTA V PÁDU po 12 hod... K1-52 C TEPLOTA V HYPOK.PR. po 12 hod..k27-75 C ÚČINNOST 69,9% (přímá metoda) Výstup z topeniště ½ délky tahu Konec tahu/komín EPV pod topeništěm Hypokaustní prostor

41 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v topeništi, tazích a v hypokaustním prostoru 2. Série měření, s izolovanými dvířky. Měření proběhla při konstantním komínovém tahu. Klapka EPV byla v průběhu hoření nastavena na 100% a na 0 byla uzavřena po skončení hoření.

42 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v topeništi, tazích a v hypokaustním prostoru Měření 2-1

43 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v topeništi, tazích a v hypokaustním prostoru Měření 2-4

44 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v topeništi, tazích a v hypokaustním prostoru Měření 2-5

45 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Teploty v topeništi, tazích a v hypokaustním prostoru Měření 2-6

46 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH 1-1 až 1-8 Rychlý pokles teplot u zk. 1-8 způsobený úmyslným neuzavřením klapky EPV po dohoření.

47 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH 2-1 až 2-6

48 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Diskuse k naměřeným teplotám Jak bylo uvedeno, v prezentaci je znázorněn pouze výběr z velkého množství naměřených teplot v různých částech kamen. Naměřené hodnoty mají velkou vypovídací hodnotu jak z hlediska studijního, tak pro účely správného návrhu izolací prostorů s ovládacími a např. designovými prvky, které sousedí s tělesem kamen a je třeba chránit je před vyššími teplotami. Teplota v čelní ploše kamen (kde byla nejvyšší) dosáhla maximální hodnoty 87 C. Teplota vzduchu uvnitř hypokaustu u této celošamotové konstrukce jádra zřejmě v žádné části nepřesáhla 175 C. Povrchová teplota stropu kamen vyrobeného z 80 mm kalciusilikátové desky nepřesáhla 52 C. Teplota v oblasti přívodu EPV (sklípek pod topeništěm) vykazovala hodnoty okolo 120 C.

49 NAMĚŘENÉ TEPLOTY A JEJICH PRŮBĚH Diskuse k naměřeným teplotám Teplota v topeništi během zkoušek 2-1 až 2-6 dosahovala v průměru za čas hoření 740 C a dosažené maximum bylo C. Teplota na začátku tahového systému (cca v 1/3 pádu) dosahovala v průměru za čas hoření 682 C. Průměrná hodnota teploty na konci tahového systému byla 240 C. Lze tedy vysledovat úbytek teploty na 1m tahového systému, který činí v průměru 71 C. V každém případě je však nutné upozornit na tu skutečnost, že naměřené hodnoty se vztahují k danému výkonu, provedení jádra kamen a k provoznímu zatížení kamen.

50 EMISE PLYNNÝCH SLOŽEK SPALIN V průběhu zkoušek byly měřeny koncentrace: Kyslíku /O 2 / Oxidu uhelnatého /CO/ Oxidu uhličitého /CO 2 / Oxidu dusíku /NO x / Uhlovodíků /TOC/ Prachu /TZL/ Je třeba konstatovat, že normy pro emisní limity nezahrnují individuálně stavěná kamna z důvodu obtížně realizovatelné certifikace a kontroly. Individuálně stavěná kamna však musí být dimenzována podle normy ČSN EN 15544:2013. V takovém případě je zaručena minimální stanovená účinnost a dodržení emisních limitů v průměru, během ustálených provozních režimů. Měření prokázala, že kamna jsou schopna dosáhnout limitů daných normou pro akumulační kamna na pevná paliva ČSN EN Tato norma udává emisní limit pouze pro oxid uhelnatý mg/m 3 N. Podmínky této normy byly dodrženy při všech zkouškách.

51 EMISE PLYNNÝCH SLOŽEK SPALIN Porovnání s emisními limity platnými v Německu O 2 Z naměřených hodnot vyplývá, že přísný emisní limit pro oxid uhelnatý (1250 mg/m 3 N při referenčním kyslíku 13% - dle BImSchV/Stufe2) byl splněn u 6 zkoušek. Porovnání s emisními limity platnými v Rakousku Emisní limity pro CO (1100 mg/mj), NO X (100 mg/mj) a TZL (50 mg/mj) dle hodnot platných od uvedených v článku 15a B-VG byl splněn u 8 zkoušek.

52 EMISE PLYNNÝCH SLOŽEK SPALIN Diskuse k naměřeným emisním hodnotám K problematice emisí tuhých znečisťujících látek je třeba uvést tu skutečnost, že metodika měření prachu není v Evropě dosud ujednocena. Měření byla provedena vysoce citlivým zařízením a podle normy BImSchV/Stufe2. Ta nařizuje měřit emisní látky od zátopu /přiložení/ po dobu 30 minut. Rakouský výzkumný ústav kachlových kamen prováděl zkoušku podle jejich předpisu a měření trvalo od zátopu po celou dobu hoření, tj. asi 90 minut. Měření prachu bude při dalších zkouškách opakováno s tím, že bude použito k měření jiného zařízení s jiným druhem filtru a doba měření bude prodloužena na 90 minut.

53 ZÁVĚR- ZPRÁVA VEC

54 ZÁVĚR (ze zprávy VEC) Ve spolupráci Výzkumného energetického centra VŠB-TU Ostrava a Cechu kamnářů ČR bylo provedeno ojedinělé měření individuálně stavěných kamen v rámci pilotního projektu, skrze něhož byla zahájena úzká spolupráce Cechu s akademickou sférou. V rámci projektu bylo provedeno rozsáhlé měření provozních parametrů během dvou týdenních sérií měření. Kamna byla pro zkoušky dimenzována a postavena dle technické normy ČSN EN 15544:2013. Kamna byla zkoušena ve speciálně připravené místnosti kalorimetrické komoře. Bylo provedeno celkem 14 dvanáctihodinových zkoušek, během kterých byly získány nové poznatky o provozních vlastnostech individuálně stavěných kamen. Získané poznatky lze shrnout do následujících bodů.

55 ZÁVĚR (ze zprávy VEC) Byla prokázána vhodnost kalorimetrické komory pro testování tohoto druhu spalovacího zařízení těžká individuálně stavěná kamna. Pomocí kalorimetrické komory byly získány originální informace o průběhu tepelného výkonu u tohoto typu kamen. Ze získaných průběhů tepelného výkonu lze dobře vyvodit vliv technického provedení dvířek a nastavení klapky EPV, apod. Bylo zjištěno, že ustáleného výkonu kamna dosáhla až při třetím zátopu od zahájení zkoušek. Od třetího zátopu se výkon měnil jen minimálně, v průměru jen mírně rostl. Naměřené hodnoty průměrného tepelného výkonu a účinnosti jsou v souladu s výpočtem kamen podle normy ČSN EN Průměrný výkon kamen se pohyboval na úrovni vypočteného výkonu 3 kw. Rovněž účinnost vypočtená na základě přímé metody přibližně odpovídá vypočtené hodnotě pro účinnost 78%. Přičemž obecně je používána nepřímá metoda, která vykazuje v porovnání s přímou metodou vyšší % čísla.

56 ZÁVĚR (ze zprávy VEC) Emisní limity nejsou pro individuálně stavěná kamna stanoveny. Zákonem jsou určeny limity pouze na kamna s továrně vyráběnými topeništi, krbové vložky, krbové vložky s teplovodním výměníkem a továrně vyráběné sporáky. Toto vychází z obtížně realizovatelné certifikace u těchto topidel. Individuálně stavěná kamna však musí být navržena a postavena v souladu s normou ČSN EN 15544:2013, což předpokládá dodržení parametrů týkajících se emisí a účinnosti. Při měření bylo zjištěno, že kamna splňují všechny limity emisí a účinnosti stanovené evropskou normou ČSN EN Kamna splnila limity dané německou vyhláškou BImSchV / Stufe2 v oblasti CO a účinnosti. V porovnání s rakouským článkem 15a-BVG kamna splnila limity pro účinnost, CO, NO X a TOC.

57 ZÁVĚR Společný projekt - uskutečněný ve spolupráci VEC VŠB-TU Ostrava a Cechu kamnářů ČR: OVĚŘENÍ PROVOZNÍCH PARAMETRŮ INDIVIDUÁLNĚ STAVĚNÝCH KAMEN, nastartoval spolupráci s akademickou obcí. Pro rok 2015 je připraven další projekt, který bude zahrnovat dodatková měření individuálně stavěných kamen a dále porovnávací měření krbových kamen s různými topeništi. Vrcholem dalšího projektu bude série ověřovacích měření akumulačního sálavého krbu dimenzovaného dle normy ČSN Cílem těchto měření je získání přesnějších hodnot provozních parametrů pomocí kalorimetrické komory. Výsledky této spolupráce budou využívány zejména pro studijní a publikační účely a pro účely marketingu.

58 Příprava kamen ke zkouškám. Debata nad prvními výsledky zkoušek.

59 Dne se vyhodnocení zkoušek zúčastnil i Dr. Thomas Schiffert.

60 VĚŘÍM, ŽE POZNATKY ZÍSKANÉ ÚZKOU SPOLUPRACÍ S VÝZKUMEM DOKÁŽEME UPLATNIT V NAŠÍ PRAXI. DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST! Technická komise rady Cechu kamnářů ČR Břetislav Holešínský Únor 2015 Zdroj : VEC VŠB-TU Ostrava, Zpráva č. 72/14 Ing. Petr Kubesa, Ing. Jiří Horák, Ph.D.