No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

1 Vytápìní tuhými palivy V poslední dobì roste zájem o vytápìní tuhými palivy v chalupách, rodinných domcích a dalších budovách. Vzhledem k neustálému snižování energetické nároènosti na vytápìní (tepelných ztrát) se snižuje také tepelný výkon kotlù a dalších zaøízení urèených na spalování paliv. Nízkoenergetické domy je pojem pomìrnì nový. Používá se teprve nìkolik let. Jde o stavby velmi dobøe tepelnì provedené s malým únikem tepla. Tìchto domù bude v blízké budoucnosti stále více pøibývat. Vložené investice do kvalitních tepelnì izolaèních stavebních materiálù se vrátí za nìkolik let provozu vytápìní. V dalších letech se topí hospodárnì se zdroji tepla o menším tepelném výkonu, které mají nižší poøizovací cenu. Proto se tato èást knihy zabývá zejména zaøízeními o relativnì malém výkonu, kterých je v RD v provozu mnohem více než kotlù s velkými výkony. Tato kapitola podává jen základní informace o tuhých palivech a zaøízeních pro jejich spalování. Veškeré podrobnosti o palivech a výrobcích je možno získat na internetových stránkách firem, pøípadnì e-mailovým dotazem u výrobcù nebo prodejcù. Pøevážná vìtšina z nich ráda poskytuje informace a dává odpovìdi na dotazy ke svým výrobkùm. Palivo je materiál, ze kterého se získává teplo pro vytápìní a ohøev TUV. Nejpoužívanìjším tuhým palivem je již mnoho let uhlí. V poslední dobì se však rozmáhá ve svìtì a samozøejmì také v ÈR spalování biomasy. Pøestože dosud biomasa výraznì nepronikla na trh paliv, èeká ji v blízké budoucnosti daleko širší využívání než dosud. To je jeden z dùvodù, proè je o ní napsána samostatná podkapitola.

A

1 VYTÁPÌNÍ TUHÝMI PALIVY

11

1.1

UHLÍ

Nejen v minulosti, ale i v souèasné dobì se topí uhlím témìø všude. Protože se døíve nehledìlo na dùsledky (hlavnì ekologické – nutnost odsíøení, detoxikace, odprášení), bylo uhlí používáno v elektrárnách, teplárnách, výtopnách, kotelnách i v obyèejných kamnech. Vytápìní elektøinou a plynem se velmi rozšiøovalo po roce 1990. Vzhledem k vysokým cenám plynu a elektrické energie se stále více majitelù RD zajímá o vytápìní uhlím a døevem. Pøed nìkolika lety by se mohlo zdát, že zemní plyn, zavedený témìø do každé vesnice, vytlaèí uhlí jako palivo. Ekologové mìli a mají snahu co nejvíce omezovat spalování uhlí hlavnì z dùvodu zneèišování ovzduší. Moderní kotle na døevo a uhlí splòují dnes všechny požadavky z hlediska dodržení pøedepsaných emisí a neèistot. Rovnìž cena uhlí je výraznì nižší než cena plynu. To jsou dva hlavní dùvody, proè opìt vzrùstá zájem o uhlí jako palivo. Uhlí se rozdìluje podle druhu na hnìdé, èerné a koks. Podle velikosti (zrnitosti) je rozdìlení na: hruboprach, prùmyslové smìsi, drobné, krupice, hrášek, oøech, kostka a topná smìs. Existují ještì podrobnìjší rozdìlení a vysvìtlení, není však úèelem knihy se tímto tak detailnì zabývat. Veškeré uhlí, které se dodává spotøebitelùm, musí odpovídat pøedpisùm a normám. Dá se pøedpokládat, že v budoucnosti se bude uhlí dále pro vytápìní používat, pøestože jeho tìžba v ÈR klesá. Velké množství uhlí se k nám dováží a bude dále dovážet (zejména z Polska). Navíc dovážené uhlí je dotované a jeho cena není vysoká. Jednou z nejdùležitìjších technických vlastností pro spotøebitele je výhøevnost uhlí. Její velikost závisí hlavnì na druhu a vlhkosti paliva a na lokalitì tìžby. Každý uhelný dùl nebo tìžební spoleènost uvádìjí podrobnì vlastnosti svých produktù. Tab. 1.1 je pøevzata z [4]. Tab. 1.1

Základní sortiment a nìkteré vlastnosti uhlí z produkce Severoèeských dolù a. s. 2EFKRGQt R]QDþHQt .Otþ 3DOLYR  NRVWND  R HFK  R HFK

12

=UQLWRVW 2EVDKYRG\ 9êK HYQRVW PP    0-NJ  ± ± ±

  

JAROSLAV DUFKA

  

A

U kotle Ekoefekt 24 (obr. 1.2) výrobce píše: doplòování paliva do zásobníku pøi režimu vytápìní se provádí 1× za 1–3 dny a pouze pøi ohøevu TV v létì 1× za týden. Zájemci o automatické kotle na spalování tuhých paliv se zásobníkem paliva by nemìli být pøekvapeni relativnì velkými rozmìry kotle. Ve srovnání se staršími typy kotlù je nutno poèítat s tím, že prostor pro automatický kotel zabere v kotelnì více místa. Další podrobnosti a technické údaje o kotlích uvádí kapitola Zaøízení pro spalování tuhých paliv.

1.2

BIOMASA

Tento pojem se používá pro oznaèení organické hmoty biologického (rostlinného nebo živoèišného) pùvodu. Biomasa se získává buï jako vedlejší materiál (komunální hoølavý materiál) nebo se zámìrnì pìstuje. Rozdìluje se na suchou (napø. døevo) a mokrou (napø. kejda). Døíve (a nìkde ještì i nyní) se používal pojem komunální odpad. Mìl se tím na mysli hoølavý materiál, který nemá další využití, je hoølavý a mùže se využít na spalování v kotlích. Dnes se komunální odpad mùže podle Zákona o odpadech spalovat jen v ekologicky urèených spalovnách. Rozhodujícím parametrem pro zaøazení biomasy do jedné nebo druhé skupiny je její obsah vody, resp. obsah sušiny v biomase. Je-li obsah sušiny vìtší než 50 %, jedná se o biomasu suchou. Biomasa rostlinného pùvodu se nazývá také fytomasa. Vzniká pøi fotosyntéze z oxidu uhlièitého a vody za pùsobení sluneèního záøení. K výrobì energie se mùže využívat mnoho materiálù, jako napø. cílenì pìstované energetické stébelniny, rostliny, kùra, døevo, obilná sláma, slupky z rýže, z oøechù, z bavlny, ze sluneènic, traviny, exkrementy zvíøat, rašelina atd. Odborníci odhadují, že v naší republice je možné využít pøibližnì 8 milionù tun pevné biomasy za rok. V tomto množství je zahrnuta v nejvìtší míøe sláma, døevo a komunální hoølavý materiál. Døevo pro topení se používá v rùzném zpracování a podobì – polena (kusové døíví), štìpky, peletky, piliny, hobliny a brikety (obr. 1.3).

Obr. 1.3

20

Døevní paliva – zleva polena, štìpky, peletky, brikety

JAROSLAV DUFKA

A

2 Vytápìní tepelnými èerpadly Tepelná èerpadla (dále jen TÈ) patøí nejen k moderním, energeticky hospodárným a ekologickým zdrojùm tepla. Svou èinností nevyluèují do ovzduší žádné neèistoty a pro svùj provoz mají malou spotøebu elektrické energie. Ekologické jsou však v místì užívání. Elektrická energie nutná k jejich provozu se stále vyrábí v uhelných elektrárnách. Toto jsou hlavní výhody TÈ jako zdrojù tepla pro ohøev vody nebo vzduchu. Voda ohøátá TÈ se mùže využívat pro vytápìní nebo jako teplá voda a to nejen v domácnostech, ale také v prùmyslu, službách nebo zemìdìlství. I pøes všechny vyjmenované výhody se TÈ u nás dosud používají jen málo. Vyrábìjí se sériovì již øadu let, ale jejich množství stále není srovnatelné s okolními vyspìlými státy, zejména s Nìmeckem. Jedním z nejvìtších dùvodù je stále vysoká poøizovací cena samotných èerpadel, jejich nízká úèinnost v zimním období a vysoké poèáteèní náklady související se stavebními a zemními pracemi (u typù zemì/voda a voda/voda). Samotná poøizovací cena se za posledních nìkolik let výraznì snížila a dnes je témìø polovièní ve srovnání s cenami v západní Evropì.

2.1

PRINCIP FUNKCE

Tepelné èerpadlo je stroj, který pracuje na principu chladicího zaøízení. O TÈ se píše, že je to „obrácenᓠchladnièka. Odebírá teplo z jednoho prostøedí a toto teplo pøedává jinému prostøedí. Pro svoji funkci potøebuje také urèitou energii. Hnací elektrická energie je zapotøebí pro provoz kompresoru. Princip práce znázoròuje funkèní schéma na obr. 2.1.

A

2 VYTÁPÌNÍ TEPELNÝMI ÈERPADLY

59

Obr. 2.1

Funkèní schéma tepelného èerpadla

Každé TÈ má ètyøi základní pracovní èásti – výparník, kompresor, kondenzátor a expanzní ventil. V tìchto èástech dochází v prùbìhu práce TÈ ke ètyøem dìjùm – odpaøování, kompresi, kondenzaci a expanzi. Teplo z okolí je pøedáváno ve výparníku do teplonosné látky. Touto teplonosnou látkou bývá nejèastìji chladicí kapalina s oznaèením R 134 A, R 290, R 407 C nebo jiná kapalina. Teplonosná látka je kompresorem stlaèena na vyšší pracovní tlak. Tím stoupne také jeho teplota. V kondenzátoru se teplota z teplonosné látky pøenáší do vody, která se používá pro vytápìní nebo ohøev TV. Teplonosná látka pøichází do expanzního ventilu, kde se roztahuje a je schopna znovu pøijímat další teplo z okolí. Tento cyklus se neustále opakuje. Teplonosná látka mìní své skupenství. Na stranì kompresoru je ve stavu plynném a na stranì expanzního ventilu ve stavu kapalném (viz obr. 2.1). Pøed nìkolika lety zaèala výroba TÈ vzduch/voda nové generace. Jsou v nich osazeny spirálové kompresory vyrábìné pod oznaèením SCROLL. Nazývají se kompresory tøetího tisíciletí. Pracují s témìø stoprocentní objemovou úèinností. Jejich použitím se zvýšil topný výkon. Je-li pøi teplotì venkovního vzduchu 0 °C topný výkon charakterizován hodnotou 100 %, pak je pøi teplotì – 15 °C topný výkon charakterizován hodnotou 70 %. V dobì používání starých pístových kompresorù by tato hodnota byla jen okolo 40 %.

60

JAROSLAV DUFKA

A

2.2

TEPELNÁ ÈERPADLA JAKO ZDROJE TEPLA

Nejdùležitìjšími technickými parametry TÈ jsou topný výkon a topný faktor. Kompresor potøebuje pro svou funkci pøívod elektrické energie. Pro provoz TÈ malých výkonù staèí pøipojení na elektrické napìtí 230 V, TÈ velkých výkonù se pøipojují na napìtí 400 V. Pøi své práci spotøebuje TÈ napø. 3 kW elektrické energie. Pøi tomto výkonu získá svou èinností asi 10 kW tepelné energie. Pomìr tepelného výkonu k elektrickému pøíkonu kompresoru se nazývá topný faktor. Jeho oznaèení je e (øecké písmeno epsilon). Jde o bezrozmìrné èíslo, tedy pouze èíslo bez jednotky. Vyhodnocení faktoru závisí na teplotì prostøedí, z nìhož se odnímá teplo a na teplotì vody nebo vzduchu, která slouží k vytápìní nebo jako TUV. Nízkopotenciální teplo je obsažené v prostøedí, z nìhož je odebíráno. Tímto prostøedím mùže být pùda, voda nebo vzduch. Topný faktor se snižuje s malou teplotou nízkopotenciálního tepla a s rùstem teploty teplonosné látky. Hodnota topného faktoru se pohybuje asi od 2,5 do 4. Pøi extrémních teplotách mùže dosahovat topný faktor èísla 1,5 nebo na druhé stranì 5,5. Zjednodušenì øeèeno – èím je nižší teplota na vstupní stranì (pùda, voda, vzduch) a vyšší potøeba teploty na výstupní stranì (do otopných tìles), tím je horší topný faktor, snižuje se úèinnost a možnost využití TÈ. V zimním období, kdy potøebujeme více pøitopit, se odebírá teplo již tak chladnému nízkopotenciálnímu teplu – pùdì, vodì, vzduchu. Jestliže bude teplota venkovního vzduchu minus 15 °C a má se tomuto vzduchu ještì odebírat teplo pro vytápìní, pak bude topný faktor velmi malý, rovnìž úèinnost a tepelný výkon budou nízké. V žádném pøípadì se pøi nízkých venkovních teplotách pouze samotným TÈ typu vzduch-voda nevyhøeje rodinný dùm. Pro pøedstavu závislosti topného faktoru na teplotách poslouží tab. 2.1. Tab. 2.1

Vyjádøení zmìny topného faktoru na zmìnì teploty nízkopotenciálního tepla a teploty vody pro vytápìní

7HSORW\ 7HSHOQê 7RSQê 1=779 YêNRQN:  IDNWRU ±   ±           

A

2 VYTÁPÌNÍ TEPELNÝMI ÈERPADLY

61

3 Vytápìní sluneèní energií Na povrchu Slunce je teplota pøibližnì 6000 °C. Slunce neustále vyzaøuje do kosmu obrovské množství energie. Na každý 1 m2 na území ÈR dopadá v prùmìru okolo 1200 až 1350 kWh sluneèní energie za rok. Nejvhodnìjšími lokalitami pro využití sluneèní energie jsou polabská nížina a jižní Morava (obr. 3.1).

Obr. 3.1

Množství sluneèního záøení v kWh/m2 za rok

V našich klimatických podmínkách je doba sluneèního svitu pøibližnì 1700 hodin za rok. Bìhem zimních mìsícù je sluneèního svitu ménì než v létì. Poèet hodin svitu je v rùzných místech nepatrnì odlišný. Pøehled o sluneèním svitu bìhem roku pøináší tab. 3.1.

A

3 VYTÁPÌNÍ SLUNEÈNÍ ENERGIÍ

77

hu. V nejteplejších letních dnech by se teplota v kolektorech mohla pøiblížit až ke 100 °C. Materiál kolektorù by byl velmi namáhán a snížila by se životnost nìkterých èástí kolektoru. Zaøízení je proto nutné využívat i v létì.

3.1

SOLÁRNÍ SOUSTAVY

Jsou to vzájemnì propojené kolektory, potrubí, armatury, zásobníky tepla, zabezpeèovací zaøízení a další èásti soustavy. Jejich úkolem je zachycovat sluneèní záøení, pøemìòovat je na tepelnou energii a tu pak dopravovat do míst spotøeby. Obavy laikù, že solární soustavy nejsou spolehlivé nebo že jsou pøíliš namáhané a mají krátkou životnost, nejsou na místì. Pro tepelné solární soustavy platí norma ÈSN EN 12 976-1, která urèuje požadavky na jejich odolnost proti mrazu, na ochranu proti pøehøátí, zpìtnému prùtoku, tlakovou odolnost a øadu dalších požadavkù. Celou soustavu je možno rozdìlit na dva celky. Kolektorový (primární) okruh je tvoøen sluneèními kolektory, zabezpeèovacím zaøízením, potrubím a armaturami atd. Protože se tímto okruhem v dobì velké zimy nezíská dost tepla pro vytápìní, je primární okruh posílen dalším zdrojem tepla, což je napø. kotel. Úkolem kolektorového okruhu je dodávat teplo do akumulaèní nádrže. Topný (sekundární) okruh je tvoøen otopnými tìlesy, zabezpeèovacím zaøízením atd. Úkolem topného okruhu je dodávat teplo odebrané z akumulaèní nádrže do míst spotøeby (otopným tìlesùm). Solární soustavy se rozdìlují podle nìkolika hledisek 1.

2.

3.

4.

80

Podle druhu teplonosné látky v kolektorovém okruhu jsou systémy kapalinové nebo vzduchové. Teplonosná látka se pohybuje v kolektorovém okruhu a pøenáší teplo. Touto látkou bývá nemrznoucí smìs nebo vzduch. Podle zpùsobu dopravy nemrznoucí smìsi se rozlišují soustavy s pøirozeným obìhem nebo s nuceným obìhem teplonosné látky (pomocí èerpadla). Vìtšina používaných soustav je pro zajištìní pružného provozu vybavena èerpadlem. Podle zapojení kolektorového okruhu mùže být okruh uzavøený nebo otevøený. Jde o proudìní teplonosné látky do výmìníku tepla v akumulaèní nádrži. Èastìjší je zpùsob uzavøený. Podle možnosti propojení s dalším zdrojem tepla mùže být soustava monovalentní nebo bivalentní. Podobnì jako u tepelných èerpadel se jedná o samostatné fungování nebo o propojení s dalším zdrojem tepla. Bìžný je provoz pøi propojení s kotlem.

JAROSLAV DUFKA

A

Nejpoužívanìjší zpùsob podle výše uvedených bodù pro vytápìní je: ohøev topné vody v kombinaci zapojení s kotlem, nemrznoucí smìs v kolektorovém okruhu, nucený obìh s èerpadlem, uzavøený kolektorový okruh. Tato soustava je schematicky znázornìna na obr. 3.4.

Obr. 3.4

Solární ohøev vody ve spojení s kotlem 1 – expanzní nádoba vytápìcí soustavy, 2 – druhý zdroj tepla (kotel), 3 – zásobníky tepla (akumulaèní nádrže), 4 – èerpadlo, 5 – expanzní nádoba kolektorového okruhu, 6 – otopná tìlesa, 7 – sluneèní kolektory

Princip funkce solárního ohøevu vody pro vytápìní. Sluneèní záøení se zachycuje jímací plochou kolektoru. Pøemìòuje se na teplo, kterým se ohøívá kapalina v mìdìných trubkách (obr. 3.5 pozice 4). Ohøátá kapalina proudí do zásobníku tepla (obr. 3.4 pozice 3). Jestliže v zásobníku není voda dostateènì teplá, pøihøívá se druhým zdrojem, kterým je nejèastìji kotel. Mùže jím být kotel na uhlí, plyn nebo elektrickou energii. Zásobník funguje jako výmìník tepla. Teplo, které se do nìj dostane z kolektorového okruhu, se pøedá vodì urèené pro vytápìní. Pro zajištìní pružného provozu jsou v kolektorovém i v topném okruhu zapojena obìhová èerpadla. Otopná tìlesa by mìla mít co nejmenší vodní obsah. Ménì vody znamená menší množství tepla potøebného k jejímu ohøátí. Proto se doporuèuje používání deskových nebo jiných otopných tìles, v nichž je velmi málo vody.

3.2

JEDNOTLIVÉ ÈÁSTI

Solární systém ve spojení s kotlem sestává z mnoha vìtších èi menších dílù. Èást je jich nakreslena na obr. 3.4. Ty nejdùležitìjší jsou struènì popsány v dalších podkapitolách. Popisovány jsou jen ty, které se bìžnì vyskytují a v praxi používají.

A

3 VYTÁPÌNÍ SLUNEÈNÍ ENERGIÍ

81

3.2.1

Kolektory

Jsou „srdcem“ celého solárního okruhu, nebo pøemìòují sluneèní záøení na teplo. Takto získané teplo se u kapalinových kolektorù odvádí do akumulaèního zásobníku. U vzduchových kolektorù to bývá pøímo do míst spotøeby. V souèasné dobì se využívá nìkolik typù kolektorù. Z hlediska tvaru jsou to kolektory ploché (obr. 3.5) nebo trubicové (obr. 3.6). Rozdìlení kolektorù podle teplonosného prostøedí je na vzduchové (obr. 3.7) a kapalinové (obr. 3.5 a obr. 3.6). Zvláštním druhem jsou soustøeïující (koncentrující) kapalinové kolektory. K soustøedìní pøímého sluneèního záøení je možno použít èoèky nebo zrcadla. V ÈR se vyrábìjí kolektory s lineárními Fresnelovými èoèkami (LFÈ). U tìchto kolektorù je nutno sledovat dráhu Slunce po obloze a natáèet buï èoèku nebo absorbér tak, aby soustøedìné paprsky dopadaly vždy na absorbér. Jde o dražší zaøízení, které se nedá zcela bìžnì používat, proto se jím nebudeme zajímat. Kolektory jsou vystaveny povìtrnostním vlivùm neustále – v zimì, v létì, pøes den i v noci. Bìhem minulých let docházelo k jejich zdokonalování a výsledkem je zvýšení doby jejich životnosti. V souèasné dobì se pohybuje kolem 25–30 let. Pøispìla k tomu také norma ÈSN EN 12 975, která pøedepisuje požadavky na odolnost proti vysokému tlaku a teplotì, vlivu prostøedí, tepelným rázùm, dešti, mechanickému zatížení apod. Výkon kolektorù je dán hlavnì velikostí jejich absorpèní plochy. Èím je vìtší jejich plocha, tím mùže být vìtší jejich tepelný výkon. V zimním období bývá velká plocha zatížena vrstvou snìhu. Nosná konstrukce kolektorù vydrží mechanické zatížení až 200 kg na 1 m2 plochy kolektoru. Takové zatížení snìhem se v našich zemìpisných šíøkách bìžnì nevyskytuje, není tøeba se obávat mechanického poškození. Plochý kapalinový kolektor na obr. 3.5 patøí k nejèastìji používaným solárním kolektorùm. Rám je zhotoven z nosných nerezových profilù. Speciální tvrzené sklo upevnìné na horní stranì rámu má tloušku 4 mm. Sklo vytváøí vzduchovou izolaèní mezeru zabraòující pøímému ochlazování jímací plochy okolním vzduchem. Pod sklem je k rámu pøipevnìna jímací plocha (absorbér) vyrobená z mìdìných trubek. Zadní strana kolektoru je tepelnì izolovaná. Díky kvalitì všech použitých materiálù dávají prodejci záruku na kolektory vìtšinou 7 let. Trubicové kolektory patøí k dalšímu typu bìžnì používaných kapalinových kolektorù. Mají absorbér zataven ve vakuové trubici. Hlavní výhodou je, že vakuum snižuje tepelné ztráty a zvyšuje úèinnost. Ta mùže u kvalitnì provedených výrobkù dosáhnout i pøes 80 %, napø. firma Ekosolaris uvádí u kolektorù, které dodává na trh, úèinnost až 86 %. Vakuum dále chrání materiály pøed pùsobením atmosféry, tím se prodlužuje jejich životnost.

82

JAROSLAV DUFKA

A