Energetická účinnosť kotlov

Energetická efektívnosť výroby tepla v obytných, ale aj v iných budovách, ktorú je reprezentuje najmä energetická účinnosť zdrojov tepla, je dnes veľmi diskutovanou témou. Na to, aby sme vedeli zlepšovať energetickú účinnosť akéhokoľvek zdroja tepla, musíme čo najpresnejšie určiť jej počiatočnú hodnotu pred možnými návrhmi na zlepšenie.

 Určenie energetickej účinnosti rozličných druhov kotlov je spravidla dané technickými normami, ktoré sú rozšírené o európske predpisy z tejto oblasti a vymedzujú metodiky výpočtu podľa konštrukcií kotlov. Doteraz sa podľa STN 07 0240 používala priama a nepriama metóda.

Najpresnejšou metódou na zistenie energetickej hospodárnosti zdrojov tepla je priama metóda, pri ktorej sa porovnáva vyrobená energia so spotrebovanou energiou, obsiahnutou v palive. Táto metóda sa však v praxi ťažko realizuje, a to aj z dôvodu často používanej kaskády kotlov, pri ktorej by sa musel merať energetický vstup a výstup samostatne, čo by predražilo obstarávacie náklady. Z tohto dôvodu sa budeme ďalej zaoberať týmito metodikami hodnotenia:

• prevádzkové hodnotenie podľa STN EN 15378,
• normalizované hodnotenie podľa STN EN 15316-4-1.

Tieto metódy sú v súčasnosti najnovšími normatívnymi predpismi na stanovovanie energetickej účinností kotlov podľa rôznych kritérií. Článok dáva komplexný pohľad na reálnu energetickú účinnosť vybraných kotlov a porovnáva ju s platnými minimálnymi legislatívnymi požiadavkami.

Objekty vybrané na experimentálne merania
Na účely hodnotenia energetickej hospodárnosti výroby tepla v bytových domoch sa vybrali objekty, v ktorých sa teplo vyrába najpoužívanejšími typmi kotlov rôznych konštrukčných riešení. Výber sa stanovil aj s ohľadom na rozmach budovania nových domových kotolní, ktoré nahrádzajú centralizované zásobovanie teplom (CZT) z dôvodu vysokých cien, pričom rentabilnosť týchto nových zdrojov tepla sa ťažko spochybňuje.
Vybrané objekty sú bytové domy postavené v rozličných stavebných sústavách okolo roku 1970 v Bratislave. V nich sú inštalované kotly rôznych konštrukčných riešení.

Špecifikácia bytových domov s nainštalovanými kotlami

• Bytový dom v Ružovej doline má dva stacionárne kondenzačné kotly so sálavým plynovým horákom. Menovitý výkon jedného kotla je 142 kW. V dome je realizovaný veľkoplošný nízkoteplotný sálavý vykurovací systém Crittal.
• Bytový dom na Furdekovej ulici má inštalovanú kaskádu piatich závesných kondenzačných kotlov s menovitým výkonom 99,5 kW. Je tu klasická vykurovacia sústava reprezentovaná vykurovacími telesami.
• Obytný komplex na Vranovskej ulici má dva klasické stacionárne plynové kotly s tlakovým horákom s menovitým výkonom 225 a 265 kW. Je tu klasická teplovodná vykurovacia sústava.

Základné predpoklady a okrajové podmienky
Základným predpokladom na určenie energetickej účinnosti kotlov je určenie tzv. sezónnej účinnosti zdroja tepla. Na potreby merania a výpočtu účinnosti možno zvoliť rôzne intervaly merania (ak sa vykonáva prevádzkové hodnotenie zdroja tepla). Na tieto účely sa do grafu na obr. 1 spracovali hodnoty vonkajších klimatických údajov od Slovenského hydrometeorologického ústavu (SHMÚ). Na základe nižšie uvedených okrajových podmienok (zvolených intervalov exteriérovej teploty) sa potom určila početnosť dní s konkrétnou teplotou (°C) v priemernom roku takto :

• celkový počet dní v intervale (–15 ≤ θ_e ≤ –5): 24
• celkový počet dní v intervale (–5 ≤ θ_e ≤ 13): 202
• celkový počet dní v intervale (θ_e ≥ 13): 139

Nakoniec sa v rámci sledovaného obdobia od novembra 2010 do mája 2012 vytipovali reprezentatívne dni podľa uvedených teplotných intervalov v celkovom počte 28.

Obr. 1  Priemerná exteriérová teplota ako funkcia priemeru hodnoty meranej v čase o 7:00, 14:00 a dvakrát o 21:00 [4]

Priemerná energetická účinnosť v priemernom roku
Hodnoty v grafe na obr. 2 zobrazujú priemerné merané stupne využitia pri jednotlivých meraných objektoch v troch vyššie definovaných exteriérových teplotných intervaloch. Zmena stupňa využitia je funkciou mnohých faktorov. Medzi najvýznamnejšie patria podľa nameraných a vypočítaných údajov: teplota spalín, zaťaženie kotla, teplota vratnej vody ako reakcia na ekvitermnú reguláciu a v určitej miere aj teplota v meranej kotolni. Pri klasickom kotle je rozdiel medzi spaľovacou účinnosťou v zimnom a letnom období 1,5 %. Ide predovšetkým o funkciu teploty spalín, ktorá je reakciou na aktuálne zaťaženie kotla, a požiadavky na kvalitu výstupnej vody z kotla. Teplota spalín sa pohybuje v rozmedzí 110 až 170 °C, čoho dôsledkom je zmena účinnosti v rámci jednotlivých exteriérových intervalov. Pri tomto vykurovacom systéme však nie je ekvitermná regulácia hlavným faktorom ovplyvňujúcim stupeň využitia, keďže kotol je nastavený na konštantný prietok a malý rozdiel zmeny teploty kotlovej vody, ktorá sa pohybuje v rozmedzí od 82 do 75 °C.

V kotolni s nainštalovanými závesnými kondenzačnými kotlami sa ekvitermná regulácia realizuje formou trojcestných ventilov, ktoré napájajú jednotlivé vetvy vykurovania. Na grafe na obr. 2 vidieť minimálny rozdiel medzi stupňom využitia v jednotlivých teplotných obdobiach. Mohlo by tak dôjsť k nesprávnemu záveru, že ekvitermná regulácia v tomto prípade nefunguje. Dôvodov, prečo sa stupeň využitia nemení, je viacero. Medzi hlavné patrí systém prípravy teplej vody, ktorá sa pripravuje v štyroch zásobníkoch TV napojených na dva samostatné okruhy. Ďalším dôvodom je absencia vzniku kondenzátu, a to aj pri nízkych teplotách vratnej vody. V reálnom meraní sa preukázal stupeň využitia nad 100 % až pri teplote vratnej vody pod 40 °C.

Zo skúmaných kotolní obstála najlepšie kotolňa s kondenzačnými stacionárnymi kotlami. Tento vykurovací systém s nízkoteplotným sálavým vykurovaním typu Crittal bez hydraulických skratov (napríkald anuloid) je ideálnym riešením z hľadiska energetickej účinnosti zdroja tepla. Zmena stupňa využitia je funkciou zmeny požiadavky systému na kvalitu vykurovacej vody. Zatiaľ čo v letnom období je stupeň využitia 98,57 % (čo je pomerne vysoké číslo, ak prihliadneme na fakt, že ide len o prípravu teplej vody), v zimnom a prechodnom období už stupeň využitia stúpa nad hranicu 101 %.

Hodnotenie podľa metodík
Vyššie uvedené metódy hodnotenia poskytujú rôzne výsledky hodnotenia. Najreálnejšia sa zdá byť metóda priemerných účinností označená v grafe na obr. 3 ako ηcmb. Je to funkcia váženého priemeru meraných stupňov využitia na základe teploty spalín. Táto metóda však nezohľadňuje pohotovostnú stratu, preto sa môže použiť len ako vstup do ďalšieho hodnotenia. Týmto hodnotením môže byť – a v tomto prípade aj bude – hodnotenie podľa normy STN EN 15378, ktorého výsledky sú zobrazené pod stĺpcom označeným ηgen v grafe na obr. 3. Ako vidieť, výsledky namerané analyzátorom spalín a vypočítané výsledky podľa metodiky prevádzkového hodnotenia sa priveľmi nelíšia. Rozdiel je spôsobený práve špecifikovaním tepelných strát, ktoré vstupujú do výpočtu. V tomto prípade ide o tepelnú stratu plášťom kotla a pohotovostnú tepelnú stratu, ktoré podľa metodiky prevádzkového hodnotenia kotla najviac ovplyvňujú energetickú efektívnosť kotla.

V grafe na obr. 3 sú zobrazené požiadavky uvedené vo vyhláškach Ministerstva hospodárstva SR a Úradu pre reguláciu sieťových odvetví, konkrétne vyhláške MH SR č. 548/2008 Z. z. a vyhláške ÚRSO č. 59/2008 Z. z. Vyhláškami sa ustanovujú minimálne hodnoty účinnosti prevádzkovaných zdrojov, ktoré zodpovedajú typu a menovitému výkonu nainštalovaného kotla. Typ čiary v grafe na obr. 3 zobrazuje typ kotla a konkrétny legislatívny predpis. Vyhláška ÚRSO však platí len pre kotolne, ktoré sa prevádzkujú na podnikanie v oblasti výroby a dodávky tepla, a vo vyhláške MH SR sa definujú kotly s inštalovaným výkonom vyšším alebo rovným
100 kW. Z troch skúmaných objektov sa tak prvá podmienka uplatní len pri objekte s klasickými kotlami, ktorý jediný zodpovedá tomuto kritériu.

Druhú podmienku spĺňa zase kotolňa s kondenzačnými stacionárnymi kotlami, v ktorej sú nainštalované kotly s menovitým výkonom jedného kotla 142 kW. Na objekt so závesnými kondenzačnými kotlami s menovitým výkonom jedného kotla 99,5 kW sa vzťahujú požiadavky vyhlášky MHSR. Požiadavky na energetickú účinnosť podľa vyhlášky MHSR č. 548/2008 Z. z. sú pri vyššie uvedených okrajových podmienkach pre kondenzačné kotly 93 % a pre klasické kotly 89 %. Je však nevyhnutné dodať, že energetická účinnosť sa má stanoviť vhodnou metodikou prevádzkového hodnotenia kotla, pričom sa odporúča metodika podľa STN EN 15378. Tá bola obsahom predošlých kapitol, pričom výsledky zobrazuje práve graf na obr. 3, a to konkrétne v prostrednom stĺpci označenom ako η_gen.

Podľa týchto hodnôt možno konštatovať, že minimálne požiadavky vyhlášky MH SR č. 548/2008 Z. z. sú splnené, keďže vypočítaná účinnosť predstavuje 98,14 %. Pri zvyšných dvoch objektoch platia požiadavky definované vyhláškou ÚRSO č. 59/2008 Z. z. Konkrétne, pri klasických kotloch na Vranovskej ulici musí byť energetická účinnosť vyššia ako 87 % a pri kondenzačných kotloch nainštalovaných po roku 2008 musí byť splnená požiadavka účinnosti na úrovni minimálne 96 %.

Ako naznačuje graf na obr. 3, podmienky sú splnené, pričom energetická účinnosť klasického kotla je 93,74 % a stupeň využitia kondenzačného kotla je stanovený na 100,14 %. Na základe týchto hodnôt sa nemusia robiť žiadne opatrenia na účely zvýšenia energetickej efektívnosti zdrojov tepla. Mohli by sa robiť len vtedy, ak by sa preukázala ich relevantnosť, resp. ekonomická rentabilita, čo je však v súčasných možnostiach vedy a techniky, a najmä ekonomickej návratnosti ťažké dosiahnuť.

Obr. 3  Porovnanie výsledkov stupňa využitia medzi jednotlivými hodnotiacimi metodikami
η_cmb – stupeň využitia určený na základe teploty spalín, η_gen – stupeň využitia určený prevádzkovým hodnotením, η_N – stupeň využitia určený normalizovaným hodnotením

Environmentálne hodnotenie
Z grafu na obr. 4 sú zrejmé rozdielne hodnoty energetickej účinnosti, ktoré sa líšia podľa typu kotla aj konštrukcie. Na základe analýzy spalín skončil prekvapivo najhoršie nástenný kondenzačný kotol nainštalovaný v bytovom dome na Furdekovej ulici. Napríklad hodnoty oxidu uhoľného (CO) sú v tomto prípade mnohonásobne väčšie ako pri typovo rovnakom kotle, t. j. kondenzačnom stacionárnom kotle inštalovanom v Ružovej doline, kde je obsah oxidu uhoľného 2,54 ppm. V porovnaní s 50,90 ppm je to veľký rozdiel, z hľadiska environmentálneho zaťaženia dosť podstatný. Najvyššie hodnoty sa v tomto prípade dosiahli aj pri oxidoch dusíka NO_x, rádovo však nie až také výrazné ako pri CO. Hodnoty oxidu uhličitého CO₂ dosiahnuté na tomto kotle sú bežné, spomedzi ostatných zdrojov tepla sú však opäť najvyššie. Tieto hodnoty sú funkciou typu, konštrukčného riešenia kotla a sčasti aj typu vykurovacej sústavy, na ktorú je kotol napojený. V tomto prípade ide o závesné kotly s malými rozmermi, ktoré majú nízke priestorové nároky. To si však vyžaduje daň vo forme environmentálneho zaťaženia.

Najlepšie obstál stacionárny kondenzačný kotol, ktorý vykazuje najnižšie hodnoty emisií medzi skúmanými objektmi a zároveň najlepšiu energetickú účinnosť. Je to sčasti spôsobené aj nízkoteplotným vykurovaním, na ktoré je kotol napojený, zároveň však aj sálavým horákom novej generácie, ktorý má nízke hodnoty spalín a emisií. V tabuľke sú hodnoty porovnané s emisnými limitmi definovanými v zákone o ovzduší č. 137/2010 Z. z. a v jeho vykonávacej vyhláške MŽP SR č. 338/2009 Z. z.

Obr. 4  Priemerné emisné hodnoty meraných kotlov získané analýzou spalín

Záver
Na základe získaných výsledkov možno vo všeobecnosti konštatovať, že nové kotly používané v dnešných vykurovacích systémoch spĺňajú náročné podmienky z hľadiska energetiky, ekonomiky aj environmentálnej záťaže. Napriek tomu možno ich efektívnosť, aj keď iba nepatrne, zlepšiť – či už správnym návrhom vykurovacej sústavy, elimináciou faktorov zvyšujúcich teplotu vratnej vody, alebo pravidelnou kontrolou nastavenia a činnosti kotla. Z ekonomického hľadiska je v porovnaní so súčasne najpoužívanejšími sústavami CZT najlepším riešením vybudovať alebo rekonštruovať zdroj tepla. Jednoznačným víťazom z hľadiska 3E je kombinácia nízkoteplotného vykurovania a stacionárneho kondenzačného kotla, ktorý v nemá v primárnom okruhu žiadne hydraulické skraty typu anuloid a podobne.

Ing. Ján Koník
Grafy: autor
Ilustračné foto: Vaillant

Autor pôsobí na Katedre technických zariadení budov SvF STU v Bratislave.

Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.

Literatúra
1.    Lulkovičová, O. a kol.: Zdroje tepla – domové kotolne. Bratislava: Jaga Group, 2004.
2.    EN 15316-4-1: 2007 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek a efektívnosti systémov. Časť 4-1 Systémy generovania pre vykurovanie vnútorných priestorov, spaľovacie systémy.
3.    Zákon NR SR č. 17/2007 Z. z. o pravidelnej kontrole kotlov, vykurovacích sústav a klimatizačných systémov a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
4.    Podklady Slovenského hydrometeorologického ústavu, www.shmu.sk.
5.    STN EN 15378 Vykurovacie systémy v budovách. Kontrola kotlov a vykurovacích systémov.
6.    Vyhláška MH SR č. 548/2008 Z. z., ktorou sa ustanovuje postup pri pravidelnej kontrole kotlov, pri individuálnej špeciálnej kontrole vykurovacej sústavy a pri pravidelnej kontrole klimatizačných systémov.
7.    Vyhláška ÚRSO č. 59/2008 Z. z., ktorou sa mení a dopĺňa vyhláška Úradu pre reguláciu sieťových odvetví č. 328/2005 Z. z.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.