Projekční podklady Dakon KP Pyro F KOTEL NA TUHÁ PALIVA Výkonová řada: 21 až 38 kw Palivo: Kusové dřevo (vlhkost do 20 %)
Obsah Obsah 1. Kotel na pyrolytické spalování dřeva................................................................ 3 1.1 Typy a výkony.............................................................................. 3 1.2 Možné aplikace............................................................................ 3 1.3 Hlavní znaky a výhody pyrolytického kotle Dakon KP Pyro F........................................... 3 2. Základy spalování dřeva......................................................................... 4 2.1 Proč topit dřevem........................................................................... 4 2.2 Dřevo jako palivo............................................................................ 5 2.3 Příprava dřeva na topení...................................................................... 6 2.4 Proces hoření.............................................................................. 7 2.5 Správné topení dřevem....................................................................... 8 2.6 Návrh topného systému na dřevo............................................................... 9 3. Technický popis............................................................................... 10 3.1 Kotel na pyrolytické spalování dřeva............................................................ 10 3.2 Rozměry a technické údaje................................................................... 12 4. Předpisy a podmínky provozu.................................................................... 14 4.1 Výtah z předpisů........................................................................... 14 4.2 Zákon o ochraně ovzduší..................................................................... 14 4.3 Provozní podmínky......................................................................... 14 4.4 Ochrana proti korozi v topném systému......................................................... 14 5. Stanovení velikosti kotle na dřevo................................................................. 15 5.1 Základní principy........................................................................... 15 5.2 Systém se dvěma kotli....................................................................... 15 5.3 Systém se samostatným kotlem............................................................... 15 6. Velikost akumulačního zásobníku.................................................................. 17 6.1 Použití akumulačního zásobníku............................................................... 17 6.2 Určení velikosti akumulačního zásobníku........................................................ 17 6.3 Výběr akumulačního zásobníku................................................................ 20 6.4 Předávací stanice TV pro akumulační zásobníky................................................... 21 7. Řídicí jednotka kotle............................................................................ 22 7.1 CFS 210 pro kotle KP Pyro F8................................................................. 22 8. Příklady zapojení topného systému............................................................... 23 8.1 Příklady zapojení ke všem uvedeným příkladům................................................... 23 8.2 Bezpečnostní vybavení topného systému........................................................ 23 8.3 Zapojení kotle v samotížném systému........................................................... 25 8.4 Systém s přirozenou cirkulací, tlakovou expanzní nádobou a se zásobníkem TV.......................... 26 8.5 Systém s nuceným oběhem a trojcestným ventilem................................................ 27 8.6 Systém s nuceným oběhem a čtyřcestným ventilem................................................ 28 8.7 Systém s nuceným oběhem, trojcestným ventilem a zásobníkem TV................................... 29 8.8 Systém s nuceným oběhem, trojcestným ventilem a zásobníkem TV................................... 30 8.9 Systém s nuceným oběhem, čtyřcestným ventilem a zásobníkem TV................................... 31 8.10 Systém s nuceným oběhem, trojcestným ventilem, akumulační nádrží a zásobníkem TV.................... 32 8.11 Systém s nuceným oběhem, trojcestným ventilem, elektrokotlem a zásobníkem TV....................... 33 8.12 Systém s nuceným oběhem, trojcestným ventilem, akumulátorem, elektrokotlem a zásobníkem TV........... 34 9. Instalace..................................................................................... 35 9.1 Obsah dodávky............................................................................ 35 9.2 Požadavky na umístění kotle.................................................................. 35 9.3 Přívod spalovacího vzduchu.................................................................. 35 9.4 Komín a spalinová cesta..................................................................... 36 10. Komponenty vybavení topného systému............................................................ 37 10.1 Tlaková expanzní nádoba.................................................................... 37 10.2 Otevřená expanzní nádoba................................................................... 38 10.3 Systémová skupina Oventrop Regumat RTA...................................................... 39 10.4 Termostatický směšovač TV.................................................................. 40 2
Kotel na pyrolytické spalování dřeva 1. Kotel na pyrolytické spalování dřeva 1.1 Typy a výkony Kotle KP Pyro F se vyrábí ve čtyřech velikostech se jmenovitým výkonem od 21 kw do 38 kw. Mohou být použity v topných systémech s akumulátorem, zásobníkem topné vody nebo s kombinovaným zásobníkem různých velikostí. 1.2 Možné aplikace Kotle KP Pyro F jsou vhodné do všech topných systémů, které odpovídají normě ČSN EN 12 828. Mohou být použity pro ústřední vytápění i ohřev teplé užitkové vody v rodinných domech. Podle požadavku na zajištění dodávky tepla nebo provozních nákladů mohou být instalovány samostatně nebo v kombinaci s dalším zdrojem tepla. 1.3 Hlavní znaky a výhody pyrolytického kotle Dakon KP Pyro F Obr. 1 Kotel Dakon KP Pyro F Nízké emise Kotel splňuje emisní třídu 3 dle požadavků ČSN EN 303-5. Vysoká účinnost Tepelné ztráty kotle jsou minimalizovány tepelnou izolací kotlového tělesa. Čisté spalování a provozní účinnost Kotel je navržen na odhořívání paliva a plamen hoří dolů. Tento způsob hoření je ideální pro spalování dřeva. Přikládání paliva je zepředu. Spalovací komora je spojena s přikládací komorou tryskou, kde dochází k dokonalému promísení dřevního plynu se sekundárním vzduchem. Tato směs potom hoří ve spalovací komoře při nízkých emisích škodlivých látek. Pohodlné ovládání Kotel je vybaven roztápěcí klapkou pro snadné roztopení kotle a bezpečné přikládání paliva. Bezpečnost Pro provoz v uzavřených topných systémech je kotel vybaven podle normy ČSN EN 12 828 bezpečnostním výměníkem tepla. Při nedostatečném odvodu tepla z kotle se přebytečné teplo odvede prostřednictvím tohoto výměníku. Termostatický bezpečnostní ventil (k dodání jako příslušenství) pustí do výměníku chladící vodu, která toto teplo odvede do odpadu. Přívod spalovacího vzduchu a odvod spalin z kotle je zajištěn spalinovým ventilátorem, který umožňuje řídit výkon kotle a částečně eliminuje výkyvy ve velikosti komínového tahu. 3
Základy spalování dřeva 2. Základy spalování dřeva 2.1 Proč topit dřevem? Přehodnocení spotřeby energie Stálý rozvoj distribuce a spotřeby fosilních paliv zemního plynu a topného oleje a poněkud jednostranné vnímání ekologie způsobily, že v posledních desetiletích měla tuhá paliva spíše pochybnou pověst špinavého a staromódního paliva. Moderní kotle na dřevo nyní dokazují opak a způsobují obecně přehodnocení naší energetické spotřeby. Nicméně, výše uvedené okolnosti vedly, zejména v Německu, k drastickému poklesu prodeje, plánování a instalaci kotlů na tuhá paliva. To způsobilo ztrátu zkušeností s těmito kotli ve výrobě, projekci i prodeji. Tento dokument je navržen tak, aby projektanti a instalatéři dostali základní vědomosti o návrhu a realizaci moderních topných systémů s kotlem na dřevo. V diskuzích o zdrojích energie, ochrany životního prostředí a ochrany klimatu, nabývá stále více na významu využití obnovitelných paliv šetrných k životnímu prostředí. Nejvíce úsilí je v současné době soustředěno na využití sluneční energie. Avšak použití dřeva, ve kterém je rovněž uložena sluneční energie, přináší ve srovnání s fosilními palivy významné výhody. CO 2 neutrální spalování Během spalování se ze dřeva uvolňuje stejné množství oxidu uhličitého (CO 2) jako se spotřebuje během jeho růstu. Při fotosyntéze se spotřebovává oxid uhličitý ve věčném cyklu: rostliny a stromy absorbují CO 2, minerály, vodu (H 2O) a sluneční světlo pro svůj růst a na druhé straně produkují, mimo jiné, kyslík (O 2) (obr.1 ). Nízké náklady na zajištění energie a šetrné zacházení s životním prostředím Dřevo neroste pouze na jednom místě, a proto nevyžaduje žádné dlouhé dopravní cesty, které by mohly být škodlivé pro životní prostředí. Příprava dřeva jako paliva nevyžaduje mnoho energie a složité technologie ve srovnání s jinými druhy paliv. Dřevo může být přepravováno a skladováno bez velkého rizika pro životní prostředí. Kromě všech výhod dřeva jako paliva je třeba poznamenat, že dřevo z udržitelného lesního hospodářství může pokrývat pouze část aktuální spotřeby primární energie. Proto dřevo může být jen jednou z mnoha forem energie, které se lidstvo potřebuje naučit používat trvale. Avšak ze všech alternativních obnovitelných paliv má dřevo největší potenciál, který může být k dispozici snadno a rychle. Při správném použití poskytuje spalování dřeva vytápění s minimálním vlivem na životní prostředí. Kvalita přeměny energie závisí do značné míry na volbě zdroje tepla a palivu, hydraulickém řešení topného systému, regulaci, způsobu provozování systému uživatelem. Výše uvedené aspekty by měly být objasněny v tomto dokumentu, jak efektivně spalovat dřevo v kotli ústředního vytápění. Hnití Oxid uhličitý (CO 2) Kyslík (O 2) Spalování Oxid uhličitý (CO 2) Kyslík (O 2) Ropa a plyn jako fosilní paliva mají vázaný obsažený CO 2 před miliony let. Pokud jsou spáleny dnes v obrovských množstvích není CO 2 cyklus, na rozdíl od spalování dřeva, uzavřený a podílí se na hromadění CO 2 v atmosféře a tvorbě skleníkového efektu. Forma udržitelné energie Dřevo je surovina a palivo, které stále roste, výhodné zvláště proto, že uchovává sluneční energii. Když dřevo hoří, uvolňuje se uložená solární energie. V perspektivním lesnictví se produkuje dostatečné množství dřeva, použitelného jako materiál, surovina nebo palivo. Takové lesní hospodářství přispívá k ochraně a zachování lesního ekosystému, který je životně důležitý pro naše přežití. Uhlík (C) Uhlík (C) Obr. 2 Fotosyntéza a CO 2 cyklus 4
Základy spalování dřeva 2.2 Dřevo jako palivo Porovnání dřeva s ostatními druhy tuhých paliv V podstatě se dřevo skládá z celulózy a ligninu. Dále jsou obsaženy také pryskyřice, tuky a oleje, podle druhu dřeva. Základní složení různých druhů dřev jsou velmi podobná. Avšak liší se značně od ostatních tuhých paliv. Jednotka Dřevo (sušené přirozeně) Hnědouhelné brikety Černé uhlí Výhřevnost kwh/kg 4,1 5,4 8,8 8,0 Uhlík (C) % 42 55 82 83 Vodík (H) % 5 5,5 4 1 Kyslík (O) % 37 18 4 0,5 Dusík (N) % 0 1 1 1 Síra (S) % 0 0,5 0,5 0,5 Voda (H 2O) % 15 15 3,5 5 Popel % 1 1 5 9 Koks Tab. 1 Chemické složení v procentech a výhřevnost tuhých paliv Výhřevnost různých druhů dřeva Je zřejmé, že rozdílné chemické složení různých paliv vyžaduje použití různých konstrukcí spalovacího zařízení, které umožní ekologicky a ekonomicky optimálně využít vlastností daného druhu paliva. Podle chemického složení paliva má dřevo nižší specifickou výhřevnost než jiné typy paliv. Specifické spalné teplo různých druhů dřeva je důležité pro ekonomické srovnání. Různé druhy dřeva mají přibližně stejnou výhřevnost, vztaženou k hmotnosti. Při srovnání měrného objemu druhů dřeva má tvrdé dřevo, jako je buk, vyšší výhřevnost, než měkké dřevo. Avšak výhřevnost je silně závislá na vlhkosti dřeva. Dřevo s obsahem vlhkosti 15 %, sušené na vzduchu kwh/kg kwh/m 3 Buk, dub, jasan 4,5 2 100 Javor, bříza 4,4 1 900 Topol 4,1 1 200 Smrk, modřín, douglaska 4,2 1 700 Borovice, jedle 4,1 1 500 Zemní plyn kwh/m 3 Topný olej kwh/l Peletky kwh/kg 9,8 9,8 až 10 4,8 až 5 Tab. 2 Výhřevnost dřeva Jednotky objemu dřeva Pro určení množství dřeva se používají různé měřicí jednotky, které se však musí pečlivě rozlišovat. Základní jednotka dřeva je definována jako plnometr. Je to objem čisté dřevní hmoty, která zaujímá prostor 1 m 3. Tato jednotka se při běžném obchodě nepoužívá, protože při uložení vznikají mezi špalky mezery. Používá se proto jednotka prostorový metr, která respektuje právě tyto mezery. 1 plnometr = 1,4 prostorový metr 1 prostorový metr = 0,7 plnometr 5
Základy spalování dřeva 2.3 Příprava dřeva na topení Vlhkost dřeva Mokré dřevo vždy dává méně tepla než suché dřevo, ve vlhkém dřevu je k dispozici méně energie. Vlhkost se během spalování odpařuje, tento proces však vyžaduje energii. Část energie obsažená ve dřevě, se spotřebuje na odpaření vody a nemůže být využita pro vytápění. Proto je doporučeno používat dřevo s předepsanou vlhkostí, protože jen tak mohou být zaručeny technické parametry spalovacího zdroje. Čerstvě pokácené dřevo obsahuje více než 50 % vody a má pouze poloviční výhřevnost než dřevo s obsahem vody 15 %. Spalování mokrého dřeva je neefektivní a škodlivé. Při vlhkosti vyšší než 25 % až 30 % je spalování dřeva problematické, probíhá při nízké teplotě. Vzniká mnoho hustého kouře, nepříjemného zápachu, tvoří se dehet a saze, které se usazují v kotli a spalinových cestách. Tyto se musí pracně odstranit. Výsledkem je spalování s malou účinností při vysoké spotřebě paliva. Proto je nutno použít pro vytápění pouze sušené dřevo (přirozeným sušením) s obsahem vody pod 20%, aby se zabránilo poškození životního prostředí. Uložení a sušení dřeva Kromě mechanického zpracování (nařezání, naštípání) dřeva, je důležité správné skladování dřeva. Výsledná vlhkost sušení čerstvě naštípaných špalků, uložených pod stříškou, je závislá nejen na době skladování, ale také na dalších vlivech okolí. Naštípané dřevo by mělo být uloženo volně a chráněno proti dešti pod stříškou. Kromě toho by měly být vytvořeny mezi jednotlivými vrstvami dřeva dostatečné mezery, aby proudící vzduch mohl odvést vlhkost (viz obr. 3). Nikdy neskladujte čerstvé dřevo ve sklepě, protože nemusí dostatečně vyschnout a mohou vzniknout další problémy uvolňovanými plyny při sušení. Naštípané špalky by měly být v ideálním případě uloženy v dobře větraném, slunném, jižně orientovaném místě chráněné před deštěm. Dřevo by proto nemělo být při sušení baleno do fólie. Dobré větrání je nejdůležitější faktor při procesu sušení. Pro dobu sušení platí pro měkké dřevo, nejméně 1 rok, lépe 2 roky pro tvrdé jsou nutné nejméně 2 roky, lépe 3 roky Obr. 3 Výhřevnost dřeva v závislosti na vlhkosti (přibližně) Štípání dřeva Pro optimální spalování je zvláště důležité, aby dřevěné špalky byly naštípány. Dřevo by mělo být naštípáno hned po pokácení. Toto naštípání je výhodné pro sušení, získá se tak větší povrch pro urychlení sušení. Dřevo jako palivo se skládá převážně z plynných látek, které jsou snadno zápalné. Dobré uvolnění plynu ze dřeva zplyňování umožňuje kvalitní, rychlé hoření. Zplyňování dřeva je možné pouze při dosažení frakčního bodu (teploty uvolnění plynu), který je dosažen dříve u štípaného dřeva. Proces spalování dřeva je podstatně odlišný od procesu spalování tekutých nebo plynných paliv. Další faktor, který ovlivňuje optimální spalování dřeva, je nejen naštípání dřeva, ale také jeho fyzické rozměry. Pro malé spalovací systémy v rodinných domech, by neměl maximální průměr nebo maximální délka hrany přesáhnout 15 cm. Ve srovnání s jejich hmotností, menší kusy dřeva mají větší plochu než velké kusy. Menší kusy hoří lépe, mají větší plochu kontaktu, rychleji dojde k vysušení, rychleji zplyňují a dohořívají. Větší kusy dřeva mohou zpomalit hoření, pokud mají nepříznivý poměr mezi objemem a povrchem. To vede k nižším teplotám hoření a vyšším škodlivým emisím. Obr. 4 Skladování dřeva (míry v cm) Obr. 5 Závislost vlhkosti naštípaného dřeva na době skladování 6
Základy spalování dřeva 2.4 Proces hoření Spalovací komora pro dřevo Při spalování dřeva vzniká velké množství hořlavých plynů, které hoří poměrně dlouhou dobu (viz obr.5). Proto spalovací komora musí být dostatečně velká a musí zajistit dostatečnou teplotu pro spálení těchto plynů. Spalovací fáze Spalování (oxidace) uvolněných plynů začíná při cca. 700 C, ve skutečnosti může dosáhnout teploty vyšší než 1 200 C. V jediném kusu dřeva, mohou nastat všechny fáze současně. Vysoká teplota spalování a dostatečně dlouhá doba pro spálení plynů ve spalovací zóně je jedním z předpokladů dobrého spalování s minimem škodlivých emisí. Dalším požadavkem je dostatečný přívod spalovacího vzduchu, protože dřevo by mělo hořet konstantním plamenem. Prchavé látky v % Obr. 6 Koks Černé uhlí Hnědé uhlí, brikety Délka plamene pro různé druhy paliv Dřevo Fáze spalování dřeva Skutečný zjednodušený spalovací proces lze rozdělit do následujících několika fází (viz obr. 6). Obr. 7 Fáze spalování dřeva (t) Čas (1) Zapálení (2) Vysoušení (3) Pyrolýza (4) Zplyňování pevného uhlíku (5) Hoření produktů Vysoušecí fáze Na začátku spalovacího procesu se palivo vysouší. V této fázi, nad 100 C se voda obsažená ve dřevě vypařuje a uniká z paliva. Tento únik se projevuje praskáním dřeva. Zplyňovací fáze Při dalším ohřevu při teplotách nad 200 C se ze dřeva uvolňují hořlavé plyny z celulózy, pryskyřic, oleje, atp. Tyto plyny proudí do spalovací komory, kde za přístupu sekundárního vzduchu hoří. Při teplotách nad 500 C je již všechna celulóza převedena do plynné fáze. Poté, co se tyto těkavé složky uvolnily ve formě plynů, zplyňují se pevné uhlíkové složky. 7
Základy spalování dřeva Princip spodního hoření Při spodním hoření paliva se spaluje pouze nejnižší vrstva paliva. Pomocí spalinového ventilátoru se do prostoru vsázky paliva přivádí primární vzduch. Vytvoří se žhavá vrstva, převážně uhlíku, přes kterou se vedou uvolněné hořlavé plyny. V této žhavé vrstvě se redukuje produkt spalování CO 2 na CO, který je významnou součástí dřevního plynu. Vzniklý dřevní plyn se vede přes trysku do spalovací komory, která je umístěna ve spodní části kotle. V trysce se dřevní plyn směšuje se sekundárním vzduchem, výsledná směs potom hoří ve spalovací komoře. Celá spalinová cesta je konstruována tak, aby bylo dosaženo potřebné vysoké teploty a dostatečně dlouhé doby, potřebné pro dokonalé spálení dřevního plynu. Dřevo, které se nachází nad žhavou vrstvou, se chová jako zásoba paliva, která postupně posunuje do prostoru žhavé vrstvy. Tak je prakticky zajištěna plynulá dodávka paliva. Spojení principu spodního hoření s dostatečně velkou přikládací komorou znamená, že není třeba časté přikládání. Provoz kotle bez přikládání může trvat až 5 hodin. Rychlost hoření velikosti žhavé vrstvy je dána v určitých mezích množstvím primárního vzduchu. Spodní spalování umožňuje poměrně plynulý pyrolytický provoz kotle. Je možno poměrně dobře nastavit potřebné množství primárního a sekundárního vzduchu a tím zajistit vysokou kvalitu spalování. Primární vzduch Spaliny Sekundární vzduch 2.5 Správné topení dřevem Pro zabránění zbytečného znečištění by měl uživatel věnovat dostatečnou pozornost způsobu topení. Měl by používat pouze palivo určené pro konkrétní typ kotle. I tento zdánlivě triviální požadavek je často opomíjen v praktickém provozu, i když je to jedna z nejdůležitějších podmínek, které je třeba dodržet. Správné přikládání Dřevo potřebuje pro roztopení dostatečné množství vzduchu a oheň. Proto se pro rozdělání ohně používají drobné třísky. Tak je umožněno rychle vytvořit potřebné podmínky pro pyrolytické spalování. Po roztopení kotle je rovněž velmi důležité správné přikládání pro dosažení dobrého spalování s nízkými emisemi. Nejběžnější praxe, tj. naložit kotel až po okraj a pak nechat dohořet všechno palivo, je (v provozu bez akumulačního zásobníku) zásadně nesprávné. Kotel pracuje při částečném zatížení s nízkým výkonem bez dostatečného množství spalovacího vzduchu. Výsledkem je tvorba dehtu, sazí a dalšího znečištění kotle, nízká účinnost a vysoká hladina emisí. Přijatelného provozu lze dosáhnout pouze odpovídajícím přiložením takového množství paliva, které odpovídá spotřebě tepla. Praktické výsledky poskytují jasný důkaz, že při provozu při částečném zatížení s plně naloženou spalovací komorou a nedostatečnou spotřebou tepla, mohou významně vzrůst emise prachu a CO. Častější přikládání menšího množství dřeva při částečném zatížení je mnohem lepší než velké množství najednou. Spalovací vzduch a teplota topné vody Bezproblémové spalování dřeva, šetrné k životnímu prostředí, lze dosáhnout pouze při dodržení výše uvedených podmínek. Je potřeba zajistit dostatečný přísun spalovacího vzduchu, dodržet požadovanou teplotu topné vody a předepsaný teplotní spád v topném okruhu. Zvláště pro kotle ústředního vytápění, kdy teplosměnné plochy jsou chlazeny vodou, je důležité provozovat kotel při spalování dřeva na vyšších teplotách kotlové vody. Pro kotle na dřevo je doporučena teplota kotlové topné vody nad 65 C. Při roztápění kotle je nutno studenou fázi pod 50 C překonat co nejrychleji, jak je to možné. Pokročilá technologie řízení podporuje tento provozní režim. Obr. 8 Princip spodního hoření 8
Základy spalování dřeva 2.6 Návrh topného systému s kotlem na dřevo Volba kotle Dnes kotle na pevná paliva musí soutěžit v nejrůznějších oblastech s osvědčenými kotli na olej nebo plyn samozřejmě v rámci charakteristik paliv. Jako příklad porovnání lze zmínit spolehlivost a komfort obsluhy, na druhé straně ekonomiku provozu. Dnes je stále častěji uvažován i vztah k životnímu prostředí, v diskusi o současném energetickém hospodářství. Pokud jde o spalování tuhých paliv, mají jednotlivé země své zákony a předpisy (Česko Zákon o ochraně ovzduší, Německo BImSchV) a regionální dotační programy, jež obsahují některé velmi přísné limity týkající se emisí CO a prachu. Zákonné požadavky na emise a účinnost kotlů nutí výrobce neustále zvyšovat technickou úroveň svých zařízení. Není možné mít univerzální kotel na všechny druhy paliva, či dokonce na spalování odpadu, toto je definitivně minulostí. Kotle jsou konstruovány na určité, přesně definované palivo, jehož použití zajišťuje dosažení deklarovaných parametrů. Kromě dalších, je to neoddělitelná podmínka provozování kotle a celého topného systému podle požadavků výrobce. Uvedený seznam kritérií výběru jasně ukazuje, kolik kritérií může nebo by mělo být zvažováno při výběru kotle. Kromě základních požadavků na technologii kotle musí být požadavky uživatelů upřesněny v počátečních fázích plánování. Pouze tak mohou být systémy navrženy, vytvořeny a provozovány způsobem ke spokojenosti všech účastníků. Výběrová kriteria samostatně nastavitelný vstup spalovacího vzduchu: primární vzduch do přikládací komory a sekundární vzduch pro spalování dřevního plynu ve spalovací komoře spalovací komora musí zajistit dokonalé smíchání a spalování směsi vzduchu a dřevního plynu dostatečně velké teplosměnné plochy pro dobré využití energie spalin spalování s odpovídajícím přebytkem vzduchu vysoká teplota spalování a dostatečný prostor pro dohoření dřevního plynu jmenovitá doba hoření, které lze dosáhnout při plném zatížení maximální délka dřevěných polen, které mohou být použity spotřeba energie pro základní nebo pomocné spotřebiče (ventilátory, řídicí jednotky ) snadná obsluha, čištění možná integrace do topného systému s dalšími zařízeními Kombinace kotle se zásobníkem topné vody Problémy, spojené s částečným zatížením, lze často vyřešit pomocí dostatečně velkého akumulačního zásobníku topné vody. Kotel na dřevo pak bude téměř vždy pracovat v plném rozsahu zatížení, při optimálních podmínkách. Výhody akumulačního zásobníku Kotel na pevná paliva může být vždy provozován ve výhodném plném rozsahu zatížení zvláště během jara a podzimu, kdy je nízká potřeba tepla, nebo v létě jen pro ohřev TV. Doba využití kotle může být prodloužena na celoroční provoz, kdy je v létě využíván pro ohřev TV, což přináší velmi příznivé náklady a další výhody. Ekonomika systému s kotlem na tuhá paliva je nejpříznivější, palivo se využívá nejlepším možným způsobem. Provozu při částečnému zatížení se všemi jeho nepříznivými výsledky je lépe se vyhnout. Znečištění životního prostředí je výrazně sníženo, tuhé palivo se spaluje v optimálních podmínkách, při minimálních emisích. Je možno výrazně omezit nedokonalé spalování a s tím spojených emisí zakázaných látek a dalšího znečištění životního prostředí. Je možno dobu a intervaly obsluhy přizpůsobit tak, aby kotel hořel v nejvhodnější době dne. Přes den, kdy je potřeba tepla největší, se přebytečná energie ukládá v akumulátoru. V noci se potom použije pro vytápění, bez nutnosti provozu kotle. Kromě komfortu lze pomocí automatického řízení topného systému s akumulátorem zlepšit ekonomiku provozu. Provozní výsledky jsou plně srovnatelné s jinými pokročilými topnými systémy. Bezpečnost systému se výrazně zlepší. Protože přebytečné teplo se akumuluje v zásobníku, je možnost přehřátí kotle snížena. Bezpečnostní systém kotle (sekundární výměník, termostatický pojistný ventil) zasahuje jen zřídka, při správném návrhu akumulátoru nemusí reagovat vůbec. Provádění údržby kotle je podstatně jednodušší. Protože je kotel provozován při optimálních podmínkách, suché dřevo shoří s minimálním množstvím popela (cca 0,5 %). Čištění kotle se pak omezí na vymetení popela ze spalovací komory a spalinových cest. Závěr Při správném použití je dřevo palivo, které dává ekologický smysl. Správný návrh, instalace a provozu pokročilého systému s kotlem na dřevo vyžaduje poměrně značné znalosti o dřevu jako o palivu. Z výše uvedených argumentů a se znalostmi o topení dřevem vyplývá, že v topném systému je vhodné instalovat zásobník s dostatečně velkou kapacitou. Z tohoto důvodu požadují některé země instalaci zásobníku u systému s kotlem nad 15 kw zákonným předpisem (Česko podmínky dotace, Německo Zákon o imisích viz kapitola 4). Moderní kotle na dřevo v kombinaci s akumulačním zásobníkem nabízejí provozní výsledky, plně srovnatelné se systémy vytápění na olej nebo plyn. Při návrhu topného systému s kotlem na dřevo musí být zahrnuto mnoho složitých faktorů. Jen tak může být navržen a instalován dobře fungující, ekonomický systém. Spojení dobře navrženého systému, moderního kotle na dřevo s řídicím systémem je cesta k ekologicky šetrnému, perspektivnímu využití dřeva jako paliva. 9
Technický popis 3. Technický popis 3.1 Kotel na pyrolytické spalování dřeva Zvláštní znaky kotle technologie spodního hoření s rozdělením spalovacího vzduchu na primární a sekundární část s možností samostatného nastavení šamotová vyzdívka spalovací komory umožňuje dosáhnout nízké emise spodní spalování s účinností až 86 % minimální ztráty sáláním dobrou tepelnou izolaci kotlového tělesa automatická regulace teploty topné vody spínáním ventilátoru při otevření přikládacích dvířek se spustí spalinový ventilátor pro zamezení úniku kouře do prostoru kotelny roztápěcí klapka s jednoduchým ovládáním standardní dodávka kotle s řídicí jednotkou, spalinovým ventilátorem, čisticím nářadím a plnicím a vypouštěcím kohoutem zobrazení teploty topné vody teploměru jednotky CFS 210 spínání oběhového čerpadla po dosažení minimální teploty kotlové vody velký přikládací prostor Obr. 9 Kotel na pyrolytické spalování dřeva Dakon KP Pyro F Princip funkce kotle Kotel KP Pyro F je zplyňovací kotel na kusové dřevo, který využívá principu spodního hoření. Jako palivo je možno použít kusové dřevo délky přibližně 50 cm (blíže specifikace délky v technických údajích), které spaluje při jmenovitém výkonu minimálně 2 hodiny. Objem přikládacího prostoru je od 66 l do 138 l podle typu (viz technické údaje). Kvalitní izolace kotlového tělesa zajišťuje nízké tepelné ztráty radiací. Tloušťka stěn, které jsou v kontaktu s plamenem, je 6 mm a zajišťuje dlouhou životnost kotle při dodržení dalších provozních podmínek. výstupní výkon vhodný pro rodinné domy a bytové domy samostatný tepelný zdroj nebo možná kombinace k jiným kotlům (plyn/olej) regulátor CFS 210 pro jednoduché ovládání provozu kotle a přípravy TV vestavěný bezpečnostní tepelný výměník na ochranu kotle před přetopením nízké emise splňující třídu 3 dle ČSN EN 303-5 dlouhá doba hoření, více než 2 hodiny Výstupní výkon Kotle se vyrábějí s výstupním výkonem 21 kw, 26 kw, 32 kw a 38 kw. Palivo Maximální délka kusového dřeva je: 21 kw... 40 cm 26 kw...51 cm 32 kw... 45 cm 38 kw... 55 cm Maximální průměr kusu dřeva je 10 cm nebo délka hrany 15 cm. 10
Technický popis Roztopení kotle otevřete roztápěcí klapku (4, obr. 10) otevřete přikládací dvířka, spalinový ventilátor se zapne, zapalte vložené dřevěné třísky přikládací dvířka zavřete po vytvoření dostatečně velkého žhavého jádra, doplňte vhodné kusy dřeva do celého objemu přikládací komory zavřete roztápěcí klapku, spalování nyní probíhá přes spodní spalinové cesty Obr. 10 Řez kotlem KP Pyro F (1) Spalovací komora (2) Vstup primárního vzduchu (3) Přikládací komora (4) Roztápěcí klapka (5) Řídicí jednotka CFS 210 (6) Spalinová cesta (7) Spalinový ventilátor (8) Tryska (9) Vstup sekundárního vzduchu Dřevní plyn se uvolňuje při hoření dřeva v přikládací komoře. Primární vzduch je přiváděn do přikládací komory přes stavitelné vstupy po obou stranách kotle. Dřevní plyn se vede do trysky, kde se smíchá se sekundárním vzduchem. Tato směs prochází do spalovací komory, která je vyložena keramickými cihlami. Zde je díky keramice vysoká teplota a spaliny zde stráví dostatečně dlouhou dobu, aby se spálily všechny hořlavé látky. Spaliny se dále vedou sběračem spalin pomocí ventilátoru do komína. Po dosažení požadované teploty kotlové vody, vypne řídicí jednotka ventilátor a výkon kotle se podstatně sníží. Pokud teplota kotlové vody klesne (spínací hystereze), spalinový ventilátor se znovu spustí. Dvířka přikládací komory jsou umístěny na přední straně kotle, což umožňuje snadné přikládání paliva. Čištění kotle, jeho spalinového sběrače je možno přes čisticí víčka na obou stranách sběrače a na horní straně pomocí dodaného čisticího nářadí. Popel z přikládací i spalovací komory lze odstranit pomocí kartáče, přes otevřená dvířka spalovací komory. Jako řídicí jednotka je použit regulátor CFS 210. 11
Technický popis 3.2 Rozměry a technické údaje KP Pyro F Obr. 11 Rozměry pyrolytického kotle KP Pyro F RK VK MV VL SWT RL SWT EL Vstup vratné vody (R1 ½") Výstup topné vody (R1 ½") Měřicí bod termostatického pojistného ventilu (R1/2") Vstup bezpečnostního výměníku tepla (R1/2") Výstup bezpečnostního výměníku tepla (R1/2") Vypouštěcí/napouštěcí ventil (R1/2") Zkratka Jednotka Typ kotle 21 26 32 38 Výkon kotle kw 21 26 32 38 Hloubka L mm 753 853 803 903 Šířka B mm 623 623 Výška s regulačním přístrojem H mm 1257 1322 Ø kouřového hrdla D AA mm 150 Výška kouřového hrdla H AA mm 900 977 Výška výstupu z kotle H VK mm 1101 1166 Výška vstupu do kotle/vypouštění H RK/EL mm 60 Výstup bezpečnostního výměníku tepla VL SWT G1/2" vnější Vstup bezpečnostního výměníku tepla RL SWT G1/2" vnější Měřicí bod termostatického pojistného ventilu MV G1/2" vnitřní Tab. 3 Rozměry a přípojky 12
Technický popis Technické údaje Jednotka Typ kotle 21 26 32 38 Výkon kotle kw 21 26 32 38 Emisní třída 3 Účinnost % 78 Hmotnost kg 310 350 375 410 Obsah vody l 73 90 107 124 Rozměry dvířek přikládacího prostoru (šířka x výška), v půlkruhu mm 430 x 240 520 x 280 Objem přikládacího prostoru l 66 86 114 138 Maximální délka polen (Ø 100 mm) mm 400 510 450 550 Doba hoření při jmenovitém výkonu 1) cca h 2 Spotřeba dřeva při jmenovitém výkonu kotle a vlhkosti dřeva < 25 % a 13 MJ/kg (buk) kg/h 6,7 8 10 11,5 Maximální provozní přetlak bar 3 Maximální zkušební přetlak bar 4,5 Potřebný tah komína Pa 20 22 25 30 Maximální teplota kotlové vody C 90 Provozní teplota kotlové vody C 70 90 Minimální teplota vratné vody C 90 Minimální tlak chladící vody pro bezp. výměník tepla bar 2 Minimální průtok chladící vody pro bezp. výměník tepla l/min 11 Elektrické krytí IP21 Elektrický příkon (bez externích spotřebičů) W 80 Tab. 4 Technické údaje KP Pyro F 1) Jmenovitá doba hoření Výkon Tah Spotřeba paliva Spotřeba vzduchu Hmotnostní tok spalin Obsah CO 2 Ø 160 Ø 180 Ø 200 Ø 250 21 kw 20 Pa 6,6 kg/h 37,9 m 3 /h 15,9 g/s 12,60 % 8 m 8 m 8 m 8 m 26 kw 22 Pa 8,2 kg/h 46,9 m 3 /h 19,7 g/s 12,60 % 9 m 9 m 8 m 8 m 32 kw 25 Pa 10,1 kg/h 57,2 m 3 /h 24,1 g/s 12,70 % 11 m 10 m 10 m 9 m 38 kw 30 Pa 12,0 kg/h 68,0 m 3 /h 28,6 g/s 12,70 % 14 m 12 m 11 m 11 m Tab. 5 Parametry spalování a informativní rozměry komína m 3 /hod Obr. 12 Graf hydraulické tlakové ztráty 13
Předpisy a podmínky provozu 4. Předpisy a podmínky provozu 4.1 Výtah z předpisů Zde uvedené předpisy a normy platí pro Českou republiku. V legislativě jiných zemí lze nalézt obdobné předpisy, případně normy, které se zabývají podmínkami provozu tepelných zařízení na tuhá paliva. Podle normy ČSN EN 303-5 je kotel KP Pyro F s ručním přikládáním určen pro spalování kusového dřeva. Je vhodný pro pracovní tlak 3 bar a do topných systémů, které vyhovují požadavkům normy ČSN EN 12 828. Topný systém musí být navržen a provozován s ohledem na: technické stavební předpisy a normy zákonné předpisy místní předpisy Instalace, připojení na komín, napájení, uvedení do provozu, stejně jako údržba a opravy musí být prováděny pouze pracovníky s odpovídající kvalifikací. Oznamovací povinnost V místních předpisech může být zakotvena povinnost oznámit záměr instalace zařízení na tuhá paliva obecnímu úřadu. V každém případě musí být provedena výchozí revize spalinové cesty, jejíž součástí musí být i technický výpočet komína a vzduchových cest. Čištění a údržba Podle Nařízení vlády 91/2010 Sb. musí být prováděno pravidelné čištění a kontrola spalinových cest. Čištění může provádět sám provozovatel 3x do roka, o čištění provádí záznam. Kontrolu spalinové cesty (kouřovodu a komína) a výběr tuhých znečišťujících částic a kondenzátu, musí provést kominík jednou ročně. Doporučujeme uživateli uzavřít smlouvu o údržbě zařízení s místní odbornou firmou. Pravidelná údržba je předpokladem spolehlivého a ekonomického provozu zařízení. 4.2 Zákon o ochraně ovzduší Zákon o ochraně ovzduší 201/2012 Sb. se zabývá předcházením znečišťování ovzduší, snižování úrovně znečištění tak, aby byla omezena rizika pro lidské zdraví způsobená znečištěním ovzduší. Tento zákon stanovuje maximální limity znečišťujících látek v průběhu platnosti zákona. Dále nařizuje kontrolu kotlů na pevná paliva jednou za 2 roky, kdy se kontroluje stav zařízení, způsob jeho provozu, používané palivo. Kontrolu provádí technik, vyškolený výrobcem, výstupem je protokol o provedené prohlídce, který potom slouží uživateli jako doklad místním úřadům. Kotel Dakon KP PYRO F vyhovuje tomuto zákonu podle Přílohy 10, část 1. 4.3 Provozní podmínky Požadavek na provozní podmínky Provozní podmínky, které jsou uvedeny v tab. 4, jsou částí záručních podmínek kotle KP Pyro F. Tyto provozní podmínky musí být zajištěny prostřednictvím vhodného hydraulického okruhu a řízením kotlového okruhu. Požadavek na kvalitu topné vody je rovněž součástí záručních podmínek. Provozní podmínky pro zvláštní aplikace musí být projednány s výrobcem. Pro kotel KP Pyro F platí tyto základní podmínky: minimální teplota topné vody...70 C minimální teplota vratné vody...65 C v některých případech (dotačních programech) je požadavek na akumulátor topné vody s minimálním obsahem 55 l/kw Palivo Kotel KP Pyro F byl zkoušen s palivem odpovídající ČSN EN 303-5, tab. 7, sloupec A Kulatina s obsahem vody do 20 %, obsah popela do 1 %, s výhřevností nad 17 MJ/ kg. Pokud je použito palivo s jinými parametry, nemusí bát dosaženo deklarovaných parametrů. Dřevo musí být naštípáno na kusy s průměrem cca 100 mm nebo s hranou 150 mm. Délka dřeva závisí na typu kotle, je uvedena v tab. 4. Pokud je používáno jako palivo měkké dřevo, musí být upraveno nastavení primárního (více) a sekundárního (méně) vzduchu. 4.4. Ochrana proti korozi v topném systému Spalovací vzduch Spalovací vzduch nesmí být silně znečištěn prachem a nesmí obsahovat žádné halogenové sloučeniny. V opačném případě hrozí, že spalovací komora a další teplosměnné plochy mohou být poškozeny. Halogenové sloučeniny jsou silně korozivní. Tyto jsou obsaženy ve sprejích, ředidlech, čisticích a odmašťovacích prostředcích a rozpouštědlech. Přívod spalovacího vzduchu musí být navržen tak, aby nemohl být nasáván např. z chemických čistíren nebo lakoven. Na rozvod vzduchu přímo v kotelně se vztahují zvláštní požadavky. Přídavná ochrana proti korozi K poškození topného zařízení korozí dochází, pokud má kyslík možnost průniku do topné vody. To je možné, např. při podtlaku v topném systému, kdy je expanzní nádoba příliš malá, nebo jsou v topném systému použity plastové trubky bez kyslíkové bariéry. Pokud topný systém nemůže být proveden jako uzavřený, bez trvalého přístupu kyslíku, je nutno provést dodatečná protikorozní ochranná opatření. Vhodná opatření zahrnují změkčenou vodu, chemikálie vázající kyslík nebo chemikálie, které tvoří povlak na povrchu materiálu (např. podlahové vytápění s plastovými trubkami). Aby nedošlo k poškození topného systému, musí mít chemické přísady prohlášení výrobce o vhodnosti jejich použití pro danou aplikaci. Tam, kde se přístupu kyslíku nelze zabránit (např. u podlahového vytápění s potrubím propustným pro kyslík), se doporučuje systém oddělení okruhů pomocí výměníku tepla. 14
Stanovení velikosti kotle na dřevo 5. Stanovení velikosti kotle na dřevo 5.1 Základní principy Uživatel vývojově pokročilého kotle na dřevo očekává spokojenost s provozem topného systému, s jeho účinností a pohodlí obsluhy. Pro stanovení potřebného výkonu kotle na dřevo je nutno zahrnout mnohem více vlivů než při obdobném výpočtu kotle na plyn nebo olej. Předně je nutno akceptovat ruční, ne plně automatický provoz. Dále je to nemožnost zastavení hoření a tím nutnost provedení opatření k odvedení přebytečného výkonu. Dále je to v mnoha zemích povinnost nebo doporučení použití akumulačního zásobníku. Proto při návrhu je nutno zahrnout tyto a další specifické vlastnosti kotle na dřevo. Ze strany topného systému má na návrh zásadní vliv požadavek na noční útlum a ranní výkonovou špičku. Navíc, zahrnutí akumulačního zásobníku do topného systému vyžaduje specifické řešení hydrauliky. Ze strany kotle se musí zahrnout potřebná doba náběhu kotle. Kotel je schopen dosáhnout plného výkonu ze studeného stavu až po určité době, není výjimkou i 45 minut. Proto zde jsou následující doporučení: neautomatický provoz kotle na dřevo vyžaduje jiný přístup k volbě potřebného výkonu, než běžné typy kotlů zapojení akumulačního zásobníku vyžaduje systém s hydraulickým vyvážením a omezením maximálního průtoku plné nabití akumulačního zásobníku večer zajistí potřebné teplo pro ranní provoz V zásadě jsou možné dva typy návrhu systému s kotlem na dřevo: kotel na dřevo je v zapojení s druhým, automatickým tepelným zdrojem, např. plynovým kotlem samostatný kotel na dřevo, jehož provoz není zálohován jiným tepelným zdrojem 5.3 Systémy se samostatným kotlem Pokud je kotel na dřevo jediným zdrojem tepla nebo musí být provozován samostatně (např. v kombinaci s plynovým kotlem na jeden komín), je nutno řešit předimenzování kotle. Nejpřesnější je výpočet projektanta podle stavební dispozice objektu, použitých materiálů a konstrukcí. Ve starších, známých systémech je možno využít známou spotřebu paliva v minulých topných sezónách. V mnoha případech je možno vypočítat minimální spotřebu tepla pomocí metody MINERGIE : Spotřeba oleje Q min = 250 Spotřeba plynu Q min = 250 Q min minimální požadovaný výkon kotle [kw] Výsledný požadovaný výkon kotle je často menší, než je požadavek normy ČSN EN 12 831, ale je v mnoha případech dostatečný. V některých případech se ale odhadovaná spotřeba může výrazně lišit od skutečnosti. Opět je nutno respektovat specifické vlastnosti kotlů na dřevo. Každý kotel je vybaven určitou velikostí přikládací komory, která určuje dobu hoření kotle. Tato doba je určena dobou hoření kotle při jmenovitém výkonu, např. 3 hodiny. Pro získání tepla jmenovitého výkonu kotle po dobu 24 hodin je nutno přikládat 8x za den. Při reálném provozu však není možno takto kotel provozovat (je nutné např. čištění), příslušné potřebné teplo je nutno získat jiným způsobem. Jako možné řešení je předimenzování kotle a doplnění příslušného akumulačního zásobníku. 5.2 Systém se dvěma kotli V systému se dvěma kotli je kotel na dřevo zálohován druhým automatickým kotlem. Zálohový zdroj může pokrýt spotřebu tepla v době, kdy kotel na dřevo nemá při startu potřebný výkon nebo došlo k dohoření paliva. V tomto případě nemusí být kotel předimenzován, akumulátor o potřebném objemu zajistí optimální provoz kotle. V některých systémech může být kotel na dřevo použitý jako záložní, používá se pouze při venkovních teplotách nižších než např. -12 C (pouze několik dnů v topné sezóně) a vypomáhá primárnímu zdroji tepla, např. tepelnému čerpadlu. 15
Stanovení velikosti kotle na dřevo Doba hoření při plném naložení paliva (hod) Zvětšení výkonu kotle (%) Obr. 13 Stanovení výkonu kotle podle doby hoření a požadovaného přikládání Počet přikládání za den: (a) 2x (b) 3x (c) 4x (d) 5x (e) 6x Potřebné zvýšení výkonu kotle při požadovaném počtu přikládání za den je: Q K = Q min x (f + 1) f Q K Q min koeficient navýšení výkonu kotle Zvýšený výkon kotle (kw) Minimální požadovaný výkon kotle (kw) Příklad výpočtu starší dům, spotřeba plynu cca 3 750 m 3 za rok maximální počet přikládání za den 5 Přibližný požadavek na spotřebu objektu podle vzorce metody MINERGIE : 3 750 m 3 Q min = ----- = 15 kw 250 m 3 /kw Kotel KP PYRO F doba hoření 2 hod. Koeficient zvýšení výkonu F = 1,4 (= 140 %) Výstupní výkon kotle Q K = 15 kw x 2,4 = 36 kw KP Pyro F Jednotka 21 26 32 38 Výkon kotle kw 21 26 32 38 Doba hoření hod 2 2 2 2 Přikládání 2x za den kw 3,5 4,3 5,3 6,3 Přikládání 3x za den kw 5,3 6,5 8,0 9,5 Přikládání 4x za den kw 7,0 8,7 10,7 12,7 Přikládání 5x za den kw 8,8 10,8 13,3 15,8 Přikládání 6x za den kw 10,5 13,0 16,0 19,0 Tab. 6 Očekávaný maximální příkon objektu v závislosti na počtu přikládání za den 16
Velikost akumulačního zásobníku 6. Velikost akumulačního zásobníku 6.1 Použití akumulačního zásobníku Akumulační zásobník umožňuje provoz kotle při optimálních podmínkách energie paliva je získána při nejlepší účinnosti a nejnižších emisích. Teplo, které není spotřebováno na okamžité vytápění objektu, je uloženo do akumulačního zásobníku. Po dohoření paliva v kotli je energie, potřebná pro vytápění objektu, vedena ze zásobníku. Kromě technických výhod, použití akumulačního zásobníku také podstatně zlepšuje komfort vytápění, není nutno často přikládat a je možný plně automatický provoz. 6.2 Určení velikosti akumulačního zásobníku Na výpočet velikosti zásobníku existují různé metody, které doporučují jeho co největší velikost. Jednoduchá metoda pracuje s konstantou ke jmenovitému výkonu kotle, např. 50 l/kw. Tato metoda se většinou používá pro doporučení velikosti zásobníku v různých předpisech a nařízeních, např. BImSchV (Německo). Nicméně se zde uvádí: (spalovací systémy na dřevo) musí být vybaveny přiměřeně velkým tepelným akumulačním zásobníkem. Takovýto požadavek jasně stanoví potřebu věcného a odborného výpočtu. Uvedené metody právně neomezují jiná technická řešení. Avšak vždy by měl být zvážen prostorový i ekonomický pohled navrhovaného řešení. V dalším jsou uvedeny dvě jednoduché metody pro stanovení velikosti akumulačního zásobníku. Jako minimální velikost akumulátoru by měl být zvolen větší výsledek z obou metod. Větší objem akumulátoru je výhodnější pro systémy s kotlem na dřevo a přinášejí zejména komfort při jeho provozu. Tato větší velikost akumulátoru je však dražší, vyžaduje větší prostor pro instalaci apod. Uživatel takovéhoto systému většinou volí kompromis mezi technickou potřebou velkého akumulátoru a ekonomickými náklady. Avšak nevhodně zvolený menší akumulátor z důvodu vyšších investičních nákladů nemusí vyhovovat provozu systému s kotlem na dřevo. Proto je správný technický návrh důležitý. Příklad výpočtu kotel KP Pyro F jmenovitý výkon 26 kw jmenovitá doba hoření 2 hod Velikost akumulačního zásobníku: V PU = 13,5 x 26 kw x 2 hod = 702 l Jako vhodný zásobník může být zvolen např. Storacell P 750-80 S o objemu 750 l. Norma ČSN EN 303-5 uvádí rozšířený vzorec pro výpočet minimální velikosti objemu akumulačního zásobníku: V PU, min minimální objem akumulátoru (ltr) Q K jmenovitý výkon kotle (kw) T B jmenovitá doba hoření kotle (hod) Q H tepelná spotřeba objektu (kw) Q Kmin minimální výkon kotle (kw) Výraz v závorce zavádí do vzorce jistou dynamiku. Zahrnutí je dáno poměrem minimálního výkonu kotle a tepelnou spotřebou objektu. Toto vychází z předpokladu, že pokud je poměr minimálního výkonu kolte a spotřeby tepla objektu nižší než 30%, nemusí být kotel na dřevo v provozu. Pokud není možno dostatečně snížit výkon kotle, musí se použít akumulátor podle minimálního výkonu kotle. V normě ČSN EN 303-5 byl poprvé uveden vzorec pro výpočet minimálního objemu akumulátoru jako standard. Proto je nutno výsledek výpočtu podle některé jiné metody posoudit rovněž podle uvedené normy. Statická metoda Statická metoda určuje velikost akumulačního zásobníku, který musí pojmout teplo za určitou dobu. Základem této metody je předpoklad, že teplo plně naloženého kotle musí pojmout akumulační zásobník, kdy topný systém nepožaduje žádné teplo. Objem akumulačního zásobníku, který je schopen pojmout teplo z kotle: V PU = 13,5 x Q K x T B V PU Q K T B Objem zásobníku (l) Jmenovitý výkon kotle (kw) Jmenovitá doba hoření (hod) Tato metoda určení objemu zásobníku dává rychlý odhad (bez znalosti konkrétního systému) jeho objemu, který by měl umožnit bezpečný, ekonomický provoz kotle na dřevo. Pokud je zvolen menší zásobník, musí být zajištěn odběr energie do topného systému nebo musí být přiměřeně omezeno množství přikládaného paliva do kotle. 17
Velikost akumulačního zásobníku Dynamická metoda Dynamická metoda určuje velikost akumulačního zásobníku podle požadavku na teplo a chování uživatele. Základem této metody je znalost potřeby tepla v závislosti na venkovní teplotě během topné sezóny. Ve většině topné sezóny je požadavek na teplo pouze částí požadavku na maximální výkon kotle. Průměrná teplota v topné sezóně je pro naše podmínky přibližně 4 C, proto je dnů s tímto částečným požadavkem na teplo nejvíce. Systém se proto navrhuje na tento, nejvíce se vyskytující, pracovní bod. Metoda výpočtu zahrnuje parametry pro typický rodinný dům s typickým uživatelem. Pro výpočet podle dynamické metody platí vzorec: V PU Q N Q K R Objem akumulátoru (l) Normované tepelné ztráty objektu (kw) Jmenovitý výkon kotle (kw) Výpočtová teplota vratné vody ( C) Počet denního přikládání je potom dán vzorcem: n Q N T B Q K Potřebný počet přiložení za den Tepelné ztráty objektu (kw) Jmenovitá doba hoření kotle (hod) Jmenovitý výkon kotle (kw) Tento jednoduchý vzorec pro výpočet velikosti akumulačního zásobníku zahrnuje pouze parametry na požadavek tepla, výkonu kotle a určené teploty vratné vody. Požadavek tepla a návrhová teplota vratné vody jsou závislé na topném systému. Proto změna velikosti kotle (výstupní výkon, jmenovitá doba hoření) má vliv na velikost akumulačního zásobníku. Obr. 14 Klimatická křivka (1) Návrhový bod, nejčastější pracovní bod cca 45 % běžného požadavku na teplo G t Poměr dnů s danou venkovní teplotou k počtu dnů v topné sezóně Venkovní teplota ( C) Jiný přístup k výpočtu, např. uživatel určí maximální dobu provozu kotle, dává vzorec: b Uvažovaná denní doba provozu kotle (hod) při návrhovém bodu dle obr. 14 Výkon kotle podle výše uvedených předpokladů: Příklad výpočtu kotel KP Pyro F jmenovitý výkon 26 kw jmenovitá doba hoření 2 hod návrhová teplota 80/65 C spotřeba objektu 20 kw Obr. 15 Akumulace energie kotle f Beh Faktor zahrnující potřebnou denní topnou dobu φ Faktor zahrnující návrhový pracovní bod (venkovní teplota 3 5 C, která zahrnuje 45 % běžného požadavku na teplo Q Výkon Q N Požadavek objektu na teplo (dle ČSN EN 12 831) Q K Jmenovitý výkon kotle t Čas T Jmenovitá doba hoření (hod) Graf na obr. 15 jasně ukazuje, že přebytek výkonu kotle a jeho akumulace musí být dostatečně velký, aby pokryl spotřebu objektu i po dohoření kotle. Objem akumulačního zásobníku: V PU = 2246 x (2,5 (20/26)) / (73- (0,4 x 65)) x 26 = 2 150 l Počet přikládání za den: n = 6,4 x 20 / 2 / 26 = 2,5 Výsledek: Zvolena velikost zásobníku 3 x Storacell P 750-80 S, tj. 2 250 l. Do kotle bude nutno přiložit během dne 2x plně a jednou poloviční dávkou dřeva. Takto může být systém provozován přibližně polovinu topné sezóny, při venkovní teplotě kolem 3 C. 18
Velikost akumulačního zásobníku Určení velikosti čerpadla primárního okruhu Pro zajištění plného a rovnoměrného ohřevu zásobníku na nejvyšší teplotu (max. 90 C) musí být primární čerpadlo dostatečně dimenzováno pro potřebný průtok při teplotním spádu mezi topnou a vratnou vodou 5 až 10 K. Čerpadlo by mělo být instalováno na potrubí vratné vody, výtlak musí pokrýt hydraulickou tlakovou ztrátu v obvodu kotle, zařízení pro zvýšení teploty vratné vody, profilu potrubí, apod. Připojení akumulačního zásobníku Při nesprávně připojeném čerpadle akumulačního zásobníku mohou nastat následující problémy: předimenzované čerpadlo (výtlačná výška i průtok) dává ve výsledku vysokou rychlost proudění, nadměrný hluk, zapříčiní špatnou funkci regulačních ventilů, apod. nežádoucí průtok do topných okruhů nebo zásobníků TV nedostatečné využití akumulačního zásobníku akumulační zásobník jako hydraulický oddělovač Doporučujeme využít akumulační zásobník jako hydraulický oddělovač podle obr. 16. Z tohoto důvodu by měly být akumulační zásobníky vybaveny příslušným připojením. Např. zásobník Storacell P umožňuje připojit potrubí vratné vody tak, aby vratná voda do kotle měla požadovanou teplotu. Rovněž působí proti možnému ovlivnění vrstvení vody v zásobníku. Připojení akumulačního zásobníku přes T-kus Připojení akumulátoru bez zvláštního vývodu pro vratnou vodu je možné přes tzv. T-kus na spodním vývodu zásobníku. Toto řešení zabraňuje ovlivnění vrstvení nebo poklesu teploty uvnitř zásobníku vlivem vratné vody. Je důležité, aby T-kus byl připojen co nejblíže zásobníku a aby jeho rozměry zajistily co nejlepší hydraulické oddělení. Obr. 17 Připojení akumulátoru pomocí T-kusu Obr. 16 Zapojení akumulačního zásobníku jako hydraulického oddělovače 19
Velikost akumulačního zásobníku Použití několika akumulačních zásobníků Pro získání velkého objemu akumulace je někdy lépe použít několika menších, ať z důvodů prostorových nebo snadné obsluhy. Při zapojení několika nádrží musí být zajištěno jejich rovnoměrné rozložení zatížení, např. zapojení podle Tichelmanna. Pro paralelní zapojení je nutno dodržet tyto zásady: paralelní zapojení je doporučeno pro dva stejné zásobníky navrhované zapojení může být použito pro více zásobníků teplotní čidlo pro přepínání zdrojů v systémech se zdroji na různá paliva může být zapojeno v jednom nebo ve všech zásobnících, protože teplo je ukládáno ve všech zásobnících rovnoměrně (při zapojení dle Tichelmanna) vnitřní průměr propojovacího potrubí s částečným průtokem musí být zvoleno podle požadovaného průtoku Pro sériové zapojení je nutno dodržet tyto zásady: Sériové zapojení je vhodné pro systémy s různými zásobníky a různém objemu a typu. Na obrázku je uvedeno zapojení zásobníku s kombinovaným typem, s vnitřním integrovaným zásobníkem TV. Tento kombinovaný zásobník má vyšší prioritu, protože je požadován vysoký komfort při dodávce teplé vody. Sériové zapojení dvou stejných akumulačních zásobníků je možné, ale nedoporučuje se z energetických důvodů. Vratná voda z topného systému musí nejdříve projít přes druhý, chladnější zásobník. Proto se doporučuje paralelní zapojení dvou stejných akumulátorů. Obr. 18 Paralelní zapojení stejných zásobníků VL Topná voda ze zásobníku, kromě hydrauliky: Topná topné okruhy Vratná olejový/plynový kotel Vratná hydraulický oddělovač RL Vratná voda do zásobníku, kromě hydrauliky: Vratná topné okruhy Přepínací ventil EK Vstup studené vody do bezpečnostního tepelného výměníku Obr. 19 Sériové zapojení rozdílných zásobníků VL Topná voda ze zásobníku, kromě hydrauliky: Topná topné okruhy Vratná olejový/plynový kotel Vratná hydraulický oddělovač RL Vratná voda do zásobníku, kromě hydrauliky: Vratná topné okruhy Přepínací ventil EK vstup studené vody do bezpečnostního tepelného výměníku 6.3 Výběr akumulačního zásobníku V současnosti existuje mnoho výrobců zásobníků, které je možno použít k akumulaci tepelné energie z kotle na dřevo. Tyto zásobníky mohou sloužit pouze k akumulaci nebo mohou být kombinovány s dalšími možnostmi ohřevu z dalšího zdroje tepla, např. solárního systému, nebo mohou ve vnitřním zásobníku ohřívat teplou vodu. Samostatný zásobník pro akumulaci by měl mít možnost vrstvení vody uvnitř zásobníku s odběrem vratné vody do kotle s požadovanou teplotou. Vrstvení vody v zásobníku je takřka podmínkou dobrého akumulátoru, protože teplo se ukládá v horní části zásobníku a nedochází k promíchávání objemu. Teplo je tak možno odebírat i při částečně nabitém zásobníku. Dalším důležitým kriteriem výběru je izolace zásobníku. Dobrá izolace brání úniku tepla, ochlazování vody. Dalším důležitým parametrem výběru je počet, rozmístění a dimenze přípojek k topnému systému a zdroji tepla. Akumulační zásobníky jsou vyráběny v různých typech, velikostech a provedeních, které umožňují projektantovi zvolit správný zásobník do topného systému. 20