VYUŽITÍ ZEMNÍHO PLYNU VE VYTÁPĚNÍ
Praha 2011 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
1
OBSAH 1. Plynárenské soustavy
…………………………… 3
2. Zásobování zemním plynem v ČR
…………………………… 6
3. Výpočet světlosti plynovodní přípojky
…………………………… 8
4. Regulátory tlaku plynu
…………………………… 11
5. Plynoměry
…………………………… 13
6. Odběrná domovní zařízení
…………………………… 15
6.1 Vnější domovní plynovod
…………………………… 16
6.2 Vnitřní domovní plynovod
…………………………… 17
6.3 Hlavní uzávěr plynu (HUP)
…………………………… 18
6.4 Umisťování ostatních uzávěrů plynu
…………………………… 18
7. Výpočet světlosti domovního plynovodu
…………………………… 20
8. Průmyslové plynovody
…………………………… 26
9. Rozdělení odběrných plynových zařízení
…………………………… 28
10. Plynové spotřebiče v bytových prostorách
…………………………… 30
10.1 Spotřebiče v provedení A
…………………………… 30
10.2 Spotřebiče v provedení B
…………………………… 34
10.3 Spotřebiče v provedení C
…………………………… 38
11. Plynové spotřebiče v nebytových prostorách
-2-
…………………………… 39
1. Plynárenské soustavy – základní rozdělení Datum počátku plynárenství v ČR je rok 1847, kdy byla v Praze vybudována první městská plynárna, následována i plynárnou brněnskou. V počátku byl vyráběn svítiplyn, jehož výroba je úzce spjata s těžbou hnědého uhlí. Výroba svítiplynu byla určena hlavně pro veřejné osvětlení ulic. Využití plynu pro průmysl a domácnosti nastal později až s postupným rozvojem plynofikace. Plynárenské soustavy zahrnují souhrn zařízení na výrobu, těžbu, uskladnění, rozvod a přebírání plynných paliv. Plynné palivo je většinou směs hořlavých a nehořlavých složek, spolu s nečistotami a další příměsí. Základním prvkem plynných paliv je vodík. Mezi plynná paliva řadíme: 1) Svítiplyn – se vyráběl úplnou přeměnou organické suroviny na CO a H2. Podle možností výroby se připravoval svítiplyn ze směsi svítiplynu a generátorového plynu (vyrobení zplyňováním hnědého uhlí). V současné době na území ČR není svítiplyn dále používán. 2) Zemní plyn – je přírodní plyn s vysokým obsahem metanu CH4. Získává se buď těžbou z přírodních ložisek, nebo lze vyrobit uměle (přeměnou svítiplynu s příměsí vodíku). V ČR jsou zásoby zemního plynu velmi malé, a proto je zemní plyn dopravován tranzitními plynovody zejména z Ruska a Norska (obr. 1.1). Rozlišuje se zemní plyn H a L (High – vysoká výhřevnost, Low – nízká výhřevnost). 3) Zkapalněný plyn – se získává buď ze zemního plynu, nebo jako doprovodný produkt při zpracování ropy. Jedná se o směs plynů většinou propanu a butanu. Výhoda propan-butanu spočívá v jeho vysoké výhřevnosti cca 3x vyšší než zemní plyn (tab. 1.3), nevýhodou je nutnost instalace odpařovacích zásobníků plynu nebo výparníkových stanic. 4) Bioplyn – vzniká vyhníváním organických látek anaerobní metanovou fermetací (tzn. bez přítomnosti kyslíku). Rozlišujeme tzv. skládkový plyn (proces ukládání odpadů) nebo kalový plyn (vyhnívání kalů v živočišné výrobě). Podrobné informace o plynných palivech, jeho fyzikálních vlastnostech lze nalézt ve fyzikálních tabulkách. Pro doplnění údajů uvádím dále složení zemních plynů používaných v zemích EU (tab. 1.1) a jejich hodnoty výhřevnosti (tab. 1.2). Tabulka 1.3 ukazuje porovnání vlastností zemního plynu s dalšími plynnými palivy. Základními ukazateli vlastností plynných paliv je spalné teplo, výhřevnost a Wobbeho číslo. Pro zemní plyn lze např. použít normu ČSN EN ISO 6976 - Zemní plyn - Výpočet spalného tepla, výhřevnosti, hustoty, relativní hustoty a Wobbeho čísla. Spalné teplo Hs je množství tepla, uvolněného úplným spálením 1 m3 plynu při barometrickém tlaku v adiabatických podmínkách, za předpokladu ochlazení spalin na teplotu výchozích látek a vodní pára ve spalinách je v kapalném stavu [L 5]. Spalné teplo lze stanovit ze vztahu: Hs
H
si
ri
(1.1)
100
-3-
kde Hs Hsi ri
- spalné teplo [kJ/m3] - spalné teplo jednotlivých složek plynu [kJ/m3] - objemový podíl jednotlivých složek plynu [%]
Výhřevnost Hi je množství tepla uvolněného úplným spálením 1 m3 plynu při barometrickém tlaku v adiabatických podmínkách, za předpokladu ochlazení spalin na teplotu výchozích látek a vodní pára ve spalinách zůstane v plynném stavu. Výhřevnost lze obdobně jako spalné teplo vypočítat ze vztahu: Hi
kde Hi Hii ri
H
ii
ri
(1.2)
100
- spalné teplo [kJ/m3] - spalné teplo jednotlivých složek plynu [kJ/m3] - objemový podíl jednotlivých složek plynu [%]
Wobbeho číslo Ws je základní kritériem pokud je nutné nahradit plynné palivo jiným. Pokud se nahrazují plynná paliva se stejným Wobbeho číslem, není nutné pokaždé seřizovat spotřebič. Wobbeho číslo vyjadřuje podmínku zachování tepelného příkonu spotřebiče při změně spalovacích vlastností plynu. Lze vypočítat ze vztahu: Ws
kde Ws Hs d
Hs d
(1.3)
- Wobbeho číslo [kJ/m3] - spalné teplo jednotlivých složek plynu [kJ/m3] - poměrná hustota plynu [-]
Tab. 1.1 Složení vybraných zemních plynů používaných v zemích EU a zemního plynu těženého v ČR Jihomoravs Tranzitní Norský Alžírský Holandský Složky ZP ký % % % % % Metan CH4 98,39 85,80 86,90 97,70 81,31 Etan C2H6 0,44 8,49 9,00 1,20 2,85 Propan C3H8 0,16 2,30 2,60 0,50 0,37 Butan C4H10 0,07 0,70 1,20 0,14 Pentan C5H12 0,03 0,25 0,09 Dusík N2 0,84 0,96 0,30 0,60 14,35 Oxid uhličitý CO2 0,07 1,50 0,89
-4-
Tab. 1.2 Hodnoty spalných tepel Hs, výhřevností Hi zemního plynu a teoretické spotřeby vzduchu při teplotě 0 °C a tlaku 101 325 Pa Teoretická spotřeba Spalné teplo Výhřevnost Zemní plyn vzduchu H s0 [kJ/m3] H i0 [kJ/m3] [1 m3 vzduchu / 1 m3 plynu] Tranzitní 39 794 35 870 9,555 Norský 43 823 39 653 10,523 Alžírský 45 169 40 840 10,847 Holandský 35 094 31 669 8,426 Jihomoravský 39 276 36 296 9,665 Tab. 1.3 Hodnoty spalných tepel Hs, výhřevností Hi a Wobbeho čísla Ws jednotlivých plynných paliv při teplotě 0 °C a tlaku 101 325 Pa Spalné teplo Výhřevnost Wobbeho číslo Zemní plyn 3 3 0 0 H s [kJ/m ] H i [kJ/m ] Ws0 [kJ/m3] Svítiplyn 17 600 13 000 28 080 Zemní plyn (Tranzitní) 39 794 35 870 52 958 Propan 101 242 93 215 81 360 n-Butan 134 061 123 810 92 520 Propan-butan (60/40 %)** 114 370 105 453 85 824 Bioplyn* 37 782* 34 016* 53 457* * Hodnoty uvedené v tabulce jsou pro metan CH4, skutečné hodnoty výhřevnosti a spalného tepla závisí na způsobu výroby bioplynu (spalné teplo cca 20 000 kJ/m3, výhřevnost cca 17 000 kJ/m3) **Složení směsi Propan-butan 60/40 % odpovídá zimní směsi LPG pro pohon motorových vozidel
-5-
2. Zásobování zemním plynem v ČR Spotřeba zemního plynu v ČR je prakticky zcela kryta importem. Z hlediska ložisek Česká republika dováží plyn z Ruska a od devadesátých let 20. století také z norských podmořských nalezišť. Současná roční spotřeba zemního plynu se pohybuje kolem 10 miliard m3 (obr. 2.1). Podle stávajících kontraktů na dodávky zemního plynu lze dodávku zvýšit až na cca 12 mld. m3/rok, včetně zachování kapacitních rezerv 1,2 mld. m3/rok od obou zdrojů.
Obr. 2.1 Roční spotřeba plynu v ČR a podíl importu zemního plynu za rok 2006 (zdroj: Česká plynárenská unie, www.cpu.cz) Evropa je v současné době zásobována soustavami tranzitních plynovodů zejména z Ruska, Norska, Alžírska a Nizozemska. Dále je do Evropy dopravován zchlazený kapalný zemní plyn tankery do evropských terminálů ve Francii, Belgii, Itálii, Německu a další. Výhodou přepravy zkapalněného zemního plynu je možnost dopravy i ze vzdálenějších míst zejména pak z oblastí blízkého východu a Afriky. V ČR jsou v současné době dva páteřní tranzitní plynovody (obr. 2.2). Světlost potrubí je 1400 mm při průtoku 120 miliónů m3/den (z toho odběr v ČR je cca 30 miliónů m3/den).
Obr. 2.2 Trasy tranzitních plynovodů v ČR k roku 2007 (zdroj: RWE Transgas NET, www.rwe.cz)
-6-
Podle provozního tlaku rozdělujeme plynovody na: a) s velmi vysokým tlakem (VVTL) – jedná se o tranzitní plynovody, tj. slouží k dopravě na velké vzdálenosti (mezi státy), s přetlakem od 4 do 10 MPa b) vysokotlaké (VTL) – jde o dopravu přímo z místa výroby či těžby do vzdálenějších měst, s přetlakem od 0,4 do 4,0 MPa c) středotlaké (STL) – používají se při dopravě zemního plynu ve městech, ulicích nebo průmyslových objektech, s přetlakem od 0,005 do 0,4 MPa d) nízkotlaké (NTL) – slouží k místní dopravě zemního plynu v budovách, bytech, někdy i v ulicích a městech, s přetlakem do 0,005 MPa Při volbě trasy plynovodů je nutné brát zřetel na bezpečnostní hlediska. Potrubí nesmí být vedena ochrannými hygienickými pásmy vodních zdrojů 1. stupně, u pásma ochrany 2. stupně, může být plynovod veden pouze na jeho vnějším okraji a to se speciálními technickými úpravami. Dalšími kritérii jsou též technické požadavky na zásobování oblasti zemním plynem, členitost terénu, složení půdy atd. Dovolené vzdálenosti a požadavky na vedení plynovodů lze nalézt v příslušných normách ČSN EN 1594 a ČSN EN 12 007.
-7-
3. Výpočet světlosti plynovodní přípojky Základní průtoková rovnice pro vysoko a středotlaké plynovody má tvar 2
V p sec z T 16 p p n 1 1 2 pn 5 L zn Tn d 2 1
2 2
(3.1)
Pro nízkotlaké plynovody:
p1 p2 pvzt n
2
T1 8 V p sec L Tn 2 d 5
(3.2)
kde p1 p2 ∆p2 ∆p2 pn λ ρn
- tlak zemního plynu na vstupu do plynovodu (p1 = ∆p1+101 325) [Pa] - tlak zemního plynu na výstupu do plynovodu (p2 = ∆p2+101 325) [Pa] - přetlak zemního plynu na vstupu do plynovodu [Pa] - přetlak zemního plynu na výstupu do plynovodu [Pa] - barometrický tlak (pn = 101 325 Pa) [Pa] - součinitel tlakových ztrát třením v plynovodu [-] - hustota zemního plynu (při 0°C a 101 325 Pa, pro tranzitní zemní plyn pn = 0,73 kg/m3) [kg/m3] Vpsec - množství plynu (0 °C a 101 325 Pa) [m3/s] d - vnitřní průměr plynovodu [m] L - délka plynovodu [m] z1 - kompresibilní faktor zemního plynu při tlaku p1 a teplotě T1 [-] zn = 1 - kompresibilní faktor zemního plynu při tlaku pn a teplotě Tn [-] T1 - teplota zemního plynu na vstupu do plynovodu [K] Tn = 273,15 K Hodnota pvzt představuje vztlak zemního plynu ve stoupajícím nebo klesajícím úseku potrubí a vypočítá se z hodnoty přirozeného vztlaku jako: pvzt v zp H g
kde ρzp
ρv H g
(3.3)
- hustota zemního plynu vypočítaná ze stavové rovnice plynů [kg/m3] T p zp n n 1 T1 pn - hustota vzduchu v okolí plynovodu [kg/m3] - převýšení plynovodu [m] - tíhové zrychlení [m/s2]
Pro praktické výpočty lze rovnici (3.3) zjednodušit pvzt 5 H
(3.4)
-8-
Jak plyne z teorie mechaniky tekutin, součinitel třecích ztrát λ je závislý na charakteru proudění tekutiny a v automodelní oblasti proudění, zejména na drsnosti vnitřních stěn potrubí. Z hlediska praktických výpočtů lze pro plynovody ze svařovaného ocelového potrubí použít zjednodušený vztah (obr. 3.1):
0 ,009407 3 d
(3.5)
Obr. 3.1 Závislost součinitele tlakových ztrát zemního plynu na světlosti ocelového potrubí Úpravou rovnice (3.1), můžeme dostat vztah pro výpočet vnitřního průměru potrubí pro vysoko a středotlaké plynovody ve tvaru: V p2sec d 0 , 097486 z1 T1 2 L p1 p22
0 ,1875
(3.6)
A pro nízkotlaké plynovody ve tvaru:
V p2sec d 0 ,3816 L p p p 2 vzt 1
0 ,1875
(3.7)
Pozn: Tlaky na vstupu a výstupu z plynovodu se dosazují do vzorce (3.6) v [kPa], ale do vzorce (3.7) v [Pa]!!! -9-
Příklad výpočtu přípojky plynovodu Navrhněte světlost středotlaké přípojky plynovodu pro dopravu tranzitního zemního plynu. Množství dopravovaného plynu je 150 m3/hod. Délka přípojky je 100 m. Přetlak zemního plynu na vstupu do plynovodu je 100 kPa při uvažované teplotě 10 °C. Dovolená tlaková ztráta plynovodu je 200 Pa. 1. Stanovení konstant zemního plynu p1 - tlak zemního plynu na vstupu do plynovodu p1 = ∆p1+ pn = 100 + 101,325 = 201,325 kPa p2 - tlak zemního plynu na výstupu do plynovodu p2 = p1 – (p1- p2) = 201,325 – (0,20) = 201,125 kPa z1 - kompresibilní faktor zemního plynu při tlaku p1 a teplotě T1 [-] p1 = 201,325 kPa, T1 = 283,15 K => z1 = 0,9977 (odečteno z fyzikálních tabulek) 2. Výpočet vnitřního průměru plynovodu V p2sec d 0 , 097486 z1 T1 2 L p1 p22
0 ,1875
2 150 3600 0 , 097486 0 ,9977 283,15 100 201,3252 201,1252
0 ,1875
0 , 089 m
Vnitřní průměr 0,089 m odpovídá světlosti ocelového potrubí DN 100.
- 10 -
4. Regulátory tlaku plynu Regulační zařízení slouží k dosažení požadovaných hodnot přetlaků v odběrných plynových zařízeních. Jako regulační zařízení jsou používány regulační stanice a regulátory tlaku plynu. Regulační stanice je soubor strojního zařízení a vybavení pro automatickou regulaci vstupního přetlaku plynu na nižší výstupní přetlak plynu. Pro umisťování regulačních stanic platí z důvodů bezpečnosti minimální vzdálenosti od objektů (VVTL min. 20m, VTL min. 10 m a STL min. 5 m). Regulátory tlaku plynu jsou armatury zajišťující konstantní hodnotu výstupního tlaku z armatury. Dle TPG 609 01 a ČSN 38 6443 jsou to zařízení do vstupního přetlaku 0,4 MPa a maximálního průtoku do 500 m3/hod. Princip regulátoru tlaku plynu je založen přenosu výstupního signálu (tj. tlaku plynu) z výstupního hrdla armatury pod membránu, která řídí průtok plynu sedlem ventilu a výstupní tlak pomocí paky, táhla a škrtícího uzávěru (obr. 4.1).
Obr. 4.1 Regulátor tlaku plynu – princip přímočarého řízení Základní rozdělení regulátorů tlaku plynu je na: a) Domovní – jsou používány jako regulace STL plynovodu pro domovní rozvod plynu b) Bytové – jsou převážně nízkotlaké regulátory umístěné těsně před plynoměrem nebo přímo u spotřebiče Dle vstupního přetlaku se také dělí na: a) I. skupina do 10 kPa – jsou to regulátory vyrovnávací a snižovací, umisťují se před spotřebiče s cílem zajistit konstantní výstupní tlak nezávisle na vstupní hodnotě b) II. Skupina od 0,01 MPa do 0,4 MPa – a dále podle průtoku tj. do 10 m3/hod. R1 a nad 10 m3/hod. R2, sem patří tzv. posilovací regulátory pro posílení nízkotlaké sítě, nebo domovní a průmyslové regulátory
- 11 -
Dle systému řízení na: a) Přímočaré regulátory – membrána snímá tlak před a za kuželkou a současně působí jako pohonný element ovládající průtok plynu (obr. 11.4), výhodou je jednoduchost a schopnost rychlé reakce na tlakové změny, nevýhodou je nižší přesnost b) Nepřímočaré regulátory – impulz pro změnu polohy regulačního elementu hlavního regulátoru je vydáván od regulátoru řídícího (obr. 11.5), výhodou je přesnější hodnota průtoku plynu, protože náhlé změny jsou částečně tlumeny mezi jednotlivými kuželkami, nevýhodou je pomalejší reakce. Požadovaná hodnota výstupního tlaku lze u většiny regulátorů nastavit seřizovatelnou pružinou, která působí proti membráně. Při kolísání vstupního tlaku pak pružina působí na membránu a tím se mění i průtok plynu. Většina regulátorů je dále vybavena bezpečnostními prvky v podobě pojistného ventilu, přetlakového a podtlakového uzávěru. Pojistný ventil je zařízení, které vypouští část plynu při překročení nastaveného tlaku. Pojistný ventil pracuje automaticky a to jak v případě aktivace tak i deaktivace. Přetlakový a podtlakový uzávěr slouží k uzavření průtoku plynu v případě nedovoleného nárůstu resp. poklesu tlaku v přívodním potrubí plynovodu. Uzávěry pracují v aktivačním režimu automaticky, pro deaktivaci je většinou nutná manuální obsluha.
Obr. 4.2 Nepřímočarý regulátor tlaku plynu s bezpečnostními prvky (www.ipm-eg.cz)
- 12 -
5. Plynoměry Plynoměry slouží k měření spotřeby plynu ze strany dodavatele plynu a jsou také jeho majetkem. Dodavatel plynu je povinen plynoměr udržovat a ověřovat na svůj náklad. Jedná se o jediné zařízení, které tak není součástí odběrného zařízení jako takového. Plynoměry rozdělujeme podle principu na: a) Rychlostní – turbínové s lopatkovými koly, kde prouděním plynu je otáčeno lopatkové turbínové kolo a jeho otáčky se přenášejí soukolím na číselník b) Dynamické – jedná se o měření založené na principu rozdílů tlaků před a za clonou, čím větší je průtok plynu, tím větší je rozdíl tlaku, používají se pro měření velkých průtoků plynu c) Ultrazvukové – měří rozdíly rychlosti šíření zvuku po a proti směru proudění plynu, mají nízkou tlakovou ztrátu d) Membránové – princip měření spočívá v periodickém naplňování dvou měrných komůrek (měchů) plynem, pohyb membrány tj. naplňování komor a pohyb šoupátka se uskutečňuje na základě rozdílu tlaků před a za plynoměrem, posuvný pohyb šoupátka je pak převáděn na pohyb rotační a odečet číselníku (obr. 11.6)
Obr. 5.1 Měřící mechanismus membránového plynoměru (www.premagas.sk) Každý plynoměr vykazuje v bilanci tlakových ztrát plynovodu určitou hodnotu tlakové ztráta. U nejčastěji používaných membránových plynoměrů jsou hodnoty tlakových ztrát - 13 -
v rozmezí od 80 do 220 Pa (podle typu a výrobce). Podmínky pro umisťování plynoměrů platí TPG 934 01. Plynoměry musí být umístěny jen na místech dobře přístupných, větraných, suchých, chráněných před nepříznivými povětrnostními podmínkami a kde nejsou vystaveny mechanickému poškození. Číselník plynoměru nesmí být výše jak 1,8 m a ne níže jak 1,0 m nad podlahou. Připojování plynoměrů musí být provedeno tak, aby se vyloučilo přenášení přídavných sil z plynovodu na skříň plynoměru. Je nutné dbát na dodržení rozteče přívodu a vývodu a souososti rovin dosedacích ploch na hrdla plynoměru. Plynoměry s průtokem vyšším než 10 m3/hod, nesmí být zavěšeny přímo na potrubí, ale musí být zajištěno jejich upevnění na pevnou podložku (podlahu, regulovatelná rozpěrka, atd.). V obytných budovách se plynoměry umisťují přednostně mimo byt uživatel (chodby, výklenky apod.). Plynoměr je možné umístit do instalačních prostorů bytových jader nebo instalačních šachet (není však upřednostňováno). Plynoměry nesmí být umístěny v ložnicích, obytných prostorech, koupelnách, sprchách, prádelnách, garážích, únikových cestách, větracích šachtách, pod úrovní terénu, blíže než 1m od zdrojů tepla (měřeno ve vodorovné vzdálenosti, za zdroj tepla není považováno např. teplovodní otopné těleso), v prostoru jiného uživatele, a v prostorách s nebezpečím požáru nebo výbuchu.
- 14 -
6. Odběrná plynová zařízení Domovní plynovod je zařízení sloužící k dopravě plynu od předávacího místa (tj. hlavního uzávěru plynu „HUP“) k uzávěrům před jednotlivé spotřebiče (obr. 6.1 a 6.2). Pro návrhy plynovodů se kromě norem, využívají technická pravidla tzv. TPG. Technické pravidlo, které upravuje možnosti umisťování a provozování plynových spotřebičů v budovách je TPG 704 01 – Domovní plynovody – Odběrná plynová zařízení a spotřebiče na plynná paliva v budovách. TPG 704 01 platí pro připojování odběrných plynových spotřebičů s jednotlivými výkony nižší než 50 kW a provozním tlaku do 0,5 MPa. U spotřebičů s vyššími výkony je možné postupovat analogicky, jako je uvedeno v TPG 704 01, ale při dodržení dalších příslušných předpisů. Pro požadavky na instalaci ostatních částí plynovodu platí jiné samostatné předpisy, např. regulátory tlaku plynu (TPG 609 01 a 02), plynoměry (TPG 934 01), provádění plynovodů (ČSN 15 001, ČSN EN 1775, TPG řady 7 tj. 700 atd.). Domovní plynovod rozdělujeme na vnější a vnitřní domovní plynovod. Vnější domovní plynovod je část plynovodu umístěná mimo budovu, např. část začínající za HUP a končící před prostupem vnější obvodovou zdí. Vnitřní domovní plynovod je část začínající prostupem vnější obvodovou zdí a končící uzávěry jednotlivých spotřebičů.
Obr. 6.1 Rozdělení plynárenského a odběrného zařízení ze středotlakého veřejného rozvodu Legenda: 1 – uliční rozvod, 2 – hlavní uzávěr plynu (HUP), 3 – regulátor, 4- uzávěr za regulátorem, 5 – prostup domovního plynovodu obvodovou zdí, 6 – samostatný objekt, 7 – uzávěr před a za plynoměrem, 8 – plynoměr, 9 – uzávěr spotřebiče, 10 - spotřebič
- 15 -
Obr. 6.2 Rozdělení plynárenského a odběrného zařízení z nízkotlakého veřejného rozvodu 6.1 Vnější domovní plynovod Vnější plynovod se přednostně vede v zemi. Pravidla stanovující podmínky vedení plynovodu v zemi jsou TPG 702 01, TPG 702 04 a ČSN EN 12007. Plynovod navržený v ocelovém potrubí je (dle TPG 704 01) dovoleno vést také po vnitřní straně oplocení (tj. po zděné nebo podobné konstrukci) a v nezbytných případech i po obvodové zdi objektu nebo pod omítkou. Nejmenší dovolená vodorovná vzdálenost STL plynovodů, vedených v zemi podél budovy, činí při souběhu 0,4 m, a od obrysu budovy 1 m, nejmenší dovolené krytí 0,8 m (ČSN 73 6005). Vzdálenost se měří od vnějšího povrchu (obrysu potrubí). V případě vedení plynovodu po oplocení nesmí plynovod sloužit jako nosná konstrukce a musí být opatřen zvýšenou ochrannou proti korozi. Vedení vnějšího domovního plynovodu pod omítkou se volí jen v nejnutnějších případech. Omítka a zdivo nesmí obsahovat složky s agresivními účinky. Hloubka uložení potrubí není stanovena, nicméně se předpokládá s tloušťkou omítky. V úseku vedení pod omítkou nesmí být umístěny žádné armatury a rozebíratelné spoje. O provedení vedení pak musí být zpracován přesný náčrt trasy plynovodu. Plynovod procházející vnější obvodovou konstrukcí musí být uložen do chráničky. Chránička by pak měla splňovat následující požadavky: nesmí narušovat statiku budovy, měla by chránit plynovod proti poškození, být korozi odolná, umožnit soustředné uložení plynovodu a na každé straně zdi mít minimálně 10 mm přesah. Požadavky na provedení prostupu ukládá vyhláška č. 23/2008 Sb. Hlavním požadavkem je, aby konstrukční řešení prostupu bránilo pronikání plynu a vlhkosti okolo potrubí do budovy.
- 16 -
Obr. 6.3 Princip zajištění domovního plynovodu pojistkou proti vytržení v případě umístění HUP uvnitř budovy (TPG 704 01). 6.2 Vnitřní domovní plynovod Vnitřní plynovod by měl být přednostně navrhován do větraných místností a jeho délka by měla být co nejkratší. Trasa plynovodu se volí po povrchu nebo s určitými pod opatřeními je možné vést plynovod pod omítkou, v instalačních šachtách pod obložením stěn nebo v podhledech. V případě volného vedení po povrchu je minimální vzdálenost od stěn, podlah atd. 20 mm. Při souběžném vedení s jinými instalačními potrubí je nutné provést opatření, aby nedošlo k poškození plynovodu (max. povrchová teplota plynovodu 50 °C). Plynovod je zakázáno vést výtahovými šachtami, komínovými průduchy a komínovým zdivem. Dále se zákaz vedení vztahuje na stabilně zabudované předměty např. obezděné vany, vestavěné skříně atd., dále trafostanice, strojovny výtahů apod. V garážích, prádelnách a kotelnách se vedení plynovodu nedoporučuje s výjimkou vedení k vlastním spotřebičům. Bez zvláštních bezpečnostních opatření je zakázáno vést plynovod nevětranými i větranými šachtami o půdorysné ploše menší než 1 m2, chráněnými únikovými cestami, půdami, ve schodišťových stupních, ve stropech a prostorami jiného uživatele. V případech vedení v podlahách, prostupy vnitřními zdi, stropy atd. je nutné se řídit vždy TPG 704 01. Pro připomenutí zde uvádím jen několik podmínek pro vedení plynovodu v těchto prostorách: a) Plynovod se nesmí vést úhlopříčně, ale vždy v co nejkratší délce. b) Potrubí plynovodu musí být opatřeno ochranným nátěrem (nebo ochrannou trubkou) odolným proti korozi, nebo nesmí být uložen do agresivního prostředí (škvára, popel apod.).
- 17 -
c) Na plynovodu nesmí být armatury a rozebíratelné spoje a na plynovodu musí být umístěno co nejméně nerozebíratelných spojů (např. svárů). 6.3 Hlavní uzávěr plynu (HUP) Součástí domovního plynovodu je hlavní uzávěr plynu (HUP). HUP slouží k uzavření přívodu plynu do domovního plynovodu nebo do plynových spotřebičů. HUP by měl být umístěn dle místa stanoveným dodavatelem plynu a to: a) Na vnější zdi budovy ve výklenku, přístavku nebo skříni. b) V oplocení příslušné budovy v přístavku nebo výklenku. c) V prostoru mezi budovou a hranicí pozemku majitele objektu v samostatném sloupku. d) Uvnitř budovy nejdále 1 m za prostupem zdí. e) V zemních skříních nebo v zemi opatřený zemní soupravou. Hlavní uzávěr plynu je možné umístit společně do jedné integrované skříně s regulátorem tlaku plynu a plynoměrem. Jeden HUP nesmí být instalován pro dva či více objektů stavebně samostatných a majících samostatná popisná čísla. Dále je zakázáno umístit HUP: a) b) c) d) e) f) g)
V obytných nebo pobytových místnostech V kotelně, garáži, kuchyni, jídelnách, koupelně, WC, prádelně V šatnách, světlících, ve skladech potravin, hořlavých látek apod. V kolektorech a technických chodbách V chráněných únikových chodbách V nevětraných nebo nepřístupných prostorech Ve shromažďovacím prostoru
6.4 Umisťování ostatních uzávěrů plynu Umisťování ostatních uzávěrů je upraveno tak, aby v případě potřeby bylo možné uzavřít celý plynovod nebo jeho část. Dle TPG 704 01 to je zejména: a) před stoupacím vedením nebo na jeho začátku v případě dvou nebo více stoupacích vedení v jedné budově b) před plynoměrem, pokud není instalován před regulátorem umístěným před plynoměrem (u plynoměrů umístěných společně s HUP plní funkci uzávěru před plynoměrem HUP) c) u plynoměrů s obtokem a v případech dvou a více paralelně osazených plynoměrů u jednoho odběratele musí být ve vzdálenosti nejvíce 1 m od plynoměru instalován uzávěr plynu i na výstupním potrubí každého plynoměru, pokud podmínky výrobce plynoměru nestanoví jinak d) před domovním regulátorem (pokud není umístěn společně s HUP), popř. i za ním, jeli to nutné z provozních důvodů, např. na stoupacím vedení vícepodlažních objektů - 18 -
e) před každým spotřebičem nebo sestavou spotřebičů pokud vzdálenost mezi plynoměrem a spotřebičem je delší než 1,5 m nebo u spotřebičů v sestavě kuchyňské linky je delší než 3 m; u plynových spotřebičů v kuchyních, které navazují na přístupný prostor, např. bytové jádro, samostatná šachta apod., lze uzávěr umístit do těchto prostor f) na každé samostatné odbočce domovního plynovodu ke spotřebičům pro technologické účely, a to vně nebo uvnitř místností (dílna, velkokuchyň, laboratoř atp.) - pokud možno v blízkosti dveří
Obr. 6.4 Příklad umístění HUP a ostatních uzávěrů pro objekt 1 – HUP – uzavírá plyn do objektů objekt I,II,III a IV 2 – uzávěr plynu do objektu II 3 – uzávěr plynu do objektů III a IV 4 – uzávěr plynu pro objekt II 5 – uzávěr plynu pro objekt III a IV 6 – uzávěr plynu do objektu IV 7 – uzávěr plynu pro objekt IV
- 19 -
7. Výpočet světlosti domovního plynovodu Při návrhu domovního plynovodu je nutné zohlednit všechny elementy potrubní sítě (kolena, oblouky, tvarovky, redukce, armatury, atd) a stanovit jejich tlakovou ztrátu. Pro výpočet světlosti plynovodu je nutné předem stanovit celkovou tlakovou ztrátu plynovodu, redukovaný odběr plynu, ekvivalentní délku plynovodu a relativní hustotu plynu. Vztah pro výpočet vnitřního průměru domovního plynovodu do provozního tlaku 5 kPa je dle TPG 704 01: D 10 5 kde D Vr Le d ∆pc
19 , 4 Vr2 Le d pc
(7.1)
- vnitřní průměr plynovodu [mm] - redukovaný odběr plynu [m3/hod] - ekvivalentní délka plynovodu [m] - relativní hustota plynu (pro tranzitní plynovod d = 0,5646) [-] - tlaková ztráta v počítaném úseku plynovodu [Pa]
Pro návrh vnitřního průměru domovního plynovodu s tlakem do 0,5 MPa lze použít vztah:
D 13, 8 4,8 kde pz pk
Vr1,82 Le
p z 100
2
p k 100
(7.2)
2
- přetlak na začátku počítaného úseku plynovodu - přetlak na konci počítaného úseku plynovodu
kPa kPa
Redukovaný odběr plynu Vr se stanoví dle vztahu: Vr K1 V1 K 2 V2 K 3 V3 K 4 V4
(7.3)
kde V1
- součet objemových průtoků při příkonech všech spotřebičů pro přípravu pokrmů (plynové sporáky, vařiče, trouby atd.) [m3/hod] V2 - součet objemových průtoků při příkonech všech spotřebičů pro lokální vytápění (lokální topidla) a pro přípravu teplé vody [m3/hod] V3 - součet objemových průtoků při příkonech všech kotlů, včetně kotlů kombinovaných pro přípravu teplé vody (zásobník, poloakumulační provoz nebo kombinovaným způsobem) [m3/hod] V4 - součet objemových průtoků při příkonech technologických plynových spotřebičů a spotřebičů ve velkokuchyních [m3/hod] K1, K2, K3, - koeficienty současnosti provozu a vypočítají se jako K1 n 0 ,5 ; K 2 n 0 ,15 ; K 3 n 0 ,1 K4 - koeficient současnosti provozu závisí na druhu, množství a způsobu provozování těchto plynových spotřebičů [-] n - počet plynových spotřebičů [-] - 20 -
Tlaková ztráta se volí tak, aby pokles tlaku mezi regulátory tlaku (např. STL/NTL) a nejvzdálenějším místem odběru nebyl menší než minimální provozní tlak plynu pro daný spotřebič. Ekvivalentní délka plynovodu je délka potrubí včetně přirážek daných změnou směru plynovodu, armaturami a redukcemi potrubí (tab. 7.1). Tab. 7.1 – Příklady ekvivalentních přirážek pro tvarovky a armatury (TPG 704 01)
* **
Uvedené hodnoty jsou orientační, mohou se lišit dle výrobce a skutečného provedení. Pokud je součástí tvarovky redukce s přirážkou na redukci se neuvažuje.
Při použití regulátorů tlaku plynu, nebo při sériovém řazení plynových spotřebičů je vhodné dodržet dostatečný akumulační prostor potrubí, nutný k zajištění minimální hodnoty startovacího přetlaku plynu pro dané spotřebiče. Potřebný objem potrubí je možné vypočítat podle empirického vztahu: O
V p ,h
(7.4)
p2 575 1 10000
- 21 -
kde O Vp,h p2
- akumulační objem potrubí [m3] - součet objemových průtoků při příkonech všech plynových spotřebičů [m3/hod] - tlak plynu na výstupu z regulátoru [kp.cm-2] (!!! 1 kp.cm-2 = 98066,5 Pa)
Při výpočtu plynovodu je nutné počítat se vztlakem plynu (zemní plyn je lehčí než vzduch). V některých aplikacích je proto možné volit DN stoupacího vedení tak, aby tlaková ztráta plynovodu byla kompenzována přirozeným vztlakem. Pro podrobný výpočet pak lze využít vztah: p v 11,8 H 1 d
∆pv H d
(7.4)
- přirozený vztlak [Pa] - výška počítaného úseku [m] - relativní hustota plynu [-]
Pro orientační hodnoty lze počítat s hodnotou vztlaku 5 Pa na 1 m výšky potrubí. Tab. 7.2 Tlaková ztráta zemního plynu v závislosti na objemovém průtoku plynu a dimenzi potrubí (TPG 704 01)
Ztráta tlaku ∆p [Pa/m] (tj. na 1 m potrubí)
DN 20
10
8
5
4
3
2
1
0,667 0,5 0,4 0,33 0,25 0,2
Objemový průtok zemního plynu [m3/hod]
10 12 15 20 25 32 40 50 60 70 80 100
1,31 0,93 0,83 0,66 0,57 2,07 1,46 1,31 1,03 0,92 0,8 3,61 2,55 2,28 1,81 1,62 1,4 1,14 7,42 5,24 4,69 3,71 3,32 2,87 2,34 1,66
1,34
1,17 1,05 0,95
0,83 0,74
12,95 9,16 8,19 6,48 5,79 5,02 4,1
2,9
2,37
2,05 1,83 1,66
1,45
1,3
2,68
2,4
24
15,2
12
10,7 9,3 7,59 5,37
4,38
3,8
29,7 26,5
21
18,8 16,2 13,3 9,38
7,66
6,63 5,93 5,39
4,69 4,19
73,3 51,8 46,3 36,6 32,8 28,4 23,2 16,4
13,4
11,6 10,4 9,41
8,19 7,33
116
81,7 73,1 57,8 51,7 44,8 36,6 25,8
21,1
18,3 16,3 14,8
12,9 11,6
170
120 107 85,5
237
168 150 119 106 91,9
415
42
17
76
65,8 53,7
31
53,1
43,3
37,5 33,6 30,5
26,5 23,7
293 262 207 185 161 131 92,7
75,6
65,5 58,6 53,2
46,3 41,5
- 22 -
24
3,03
38
75
26,9
3,4
21,8
19
17
Příklad výpočtu: Navrhněte domovní plynovod kotelny bytového domu. V kotelně jsou osazeny dva plynové kotle. První kotel je plynový kondenzační Logamax plus GB162 a jmenovité spotřebě zemního plynu VK1 = 10,2 m3.h-1 (kotel slouží k vytápění domu). Druhý je plynový kotel Logamax U052 o jmenovité spotřebě zemního plynu VK2 = 3,0 m3.h-1 (kotel je určen pro přípravu TV). Vnitřní plynovod (tj. od HUP k plynovým spotřebičům) navrhněte tak, aby jeho celková tlaková ztráta byla 30 Pa. Resp. 20 Pa – úsek č. 2, 5 Pa – úsek č. 3 a 5 Pa pro úsek č. 4. Tlak plynu na výstupu z regulátoru tlaku uvažujte 2 kPa.
Obr. 7.1 Axonometrie zadání řešené kotelny Návrh středotlaké přípojky (úsek č. 1 obr. 12.5) byl podrobně popsán v kapitole 11. Pro určení světlosti úseku č. 2 (obr. 12.5) domovního plynovodu od plynoměru k rozbočení je nutno stanovit redukovaný odběr zemního plynu podle vztahu [12.3], kde koeficient současnosti provozu pro dva plynové kotle je K3 = 0,93:
Vh,r K 3 V3 0,93 10,2 3,0 12,28 m 3 h 1 Dále je nutné určit ekvivalentní délku Le (tab. 12.1 a obr. 12.4). Ekvivalentní délky úseků 2 až 4 pak jsou: Úsek č. 2 – L = 3 m 1x kulový ventil (0,5 m) + 3 x koleno (3 x 0,7 m) Úsek č. 3 – L = 0,7 m 1x T-kus (1,3 m) + 2 x T-kus (2 x 0,5 m) + 1 x kulový kohout (0,5 m)
Le2 = 5,6 m Le3 = 3,5 m
Úsek č. 4 – L = 1,7 m - 23 -
1 x T-kus (0,5) + 1x koleno (0,7 m) + 1x kulový ventil (0,5 m) Le4 = 3,4 m Vnitřní průměr úseku č. 2 se určí ze vztahu (12.1): 19,4 Vh2,r Le d D 10 p p 1 2 dov
0, 2
19,4 12,28 2 5,6 0,5646 10 20
0, 2
34,1 mm
Volíme potrubí ocelové bezešvé, dimenze DN 40. Stejným způsobem navrhneme světlosti ostatních úseků plynovodu. Úsek č. 3: 19, 4 Vh2,r Le d D 10 p1 p2 dov
0,2
19, 4 10, 22 3,5 0,5646 10 5
0,2
38,1 mm
Volíme potrubí ocelové bezešvé, dimenze DN 40. Úsek č. 4: 19,4 Vh2,r Le d D 10 p p 1 2 dov
0, 2
19,4 3 2 3,4 0,5646 10 5
0, 2
23,2 mm
Volíme potrubí ocelové bezešvé, dimenze DN 25. S ohledem na občasný současný provoz obou kotlů je nutné zkontrolovat potřebný akumulační prostor plynu v potrubí při současném startu obou spotřebičů. O
V p ,h p2 575 1 10000
13, 2 0, 023 m3 0, 0203 575 1 10000
Celkový objem plynu v potrubí navrženého plynovodu je 0,0061 m3. Potřebný objem by měl být 0,023 m3. Do rovné části úseku č. 2 proto navrhneme potrubí DN150 o délce 1 m. Akumulační objem tak bude celkově 0,02377 m3, což je dostačující pro současný start obou kotlů.
- 24 -
Obr. 7.2 Axonometrie řešení daného příkladu
25
8. Průmyslové plynovody Při návrhu plynovodu pro aplikace v průmyslu, lze využít vztahy platící pro tzv. průmyslové plynovody. Průmyslové plynovody jsou nízkotlaké a středotlaké plynovody. Stejně jako domovní plynovody jsou vymezeny hlavním uzávěrem plynu (HUP) a uzávěry před jednotlivými spotřebiči. Nicméně na rozdíl od domovních plynovodů je nutné přesně stanovit podmínky odběru plynu. Pro předběžné stanovení světlostí rozvodů zemního plynu se používají hodnoty doporučených rychlostí zemního plynu v potrubí (viz tab. 8.1). Světlost průmyslového plynovodu lze pak vypočítat podle rovnice: D
Vp,h wD
Vp,h 106 4 w D 3600
18,81
Vph
(8.1)
wD
- množství zemního plynu protékající plynovodem[m3/hod] - doporučená hodnota rychlosti zemního plynu v rozvodu plynu [m/s]
Tab. 8.1 Doporučené hodnoty rychlostí proudění zemního plynu v průmyslových plynovodech Přetlak zemního plynu u hlavního uzávěru Doporučená rychlost v rozvodu zemního spotřebiče ∆p1 [kPa] plynu wD [m/s] 2 8 4 10 50 12 100 15 Tab 8.2 Jmenovité světlosti rozvodu zemního plynu DN Jmenovitá světlost rozvodu zemního plynu DN [mm] Výkon spotřebiče P Přetlak zemního plynu u hlavního uzávěru spotřebiče ∆p1 [kPa] [kW] 2 4 50 100 10 10 10 10 10 16 10 10 10 10 25 15 10 10 10 40 15 15 15 10 63 20 15 15 15 100 25 20 20 15 160 32 25 25 20 250 40 32 25 25 400 50 40 40 32 630 65 50 50 40 1000 80 65 65 50 1600 100 80 80 65 2500 125 100 100 80 4000 150 125 125 100
26
Tlakovou ztrátu v rozvodu k plynovému základní rovnice pro mechaniku tekutin jako:
zp wu2 L pz p1 p2 m 2 D
spotřebiči
poté
vypočítáme
ze
(8.2)
kde p1 p2
- tlak zemního plynu na počátku úseku rozvodu plynu [Pa] - tlak zemního plynu na konci úseku rozvodu plynu [Pa] p 273,15 zp n 1 101325 T1 ρzp - hustota zemního plynu v rozvodu plynu [kg/m3] ρn - hustota zemního plynu (při 0°C a 101 325 Pa, pro tranzitní zemní plyn pn = 0,73 kg/m3) [kg/m3] wu - skutečná rychlost v úseku rozvodu plynu [m/s] T1 - teplota zemního plynu na vstupu do plynovodu [K] λ - součinitel tlakových ztrát třením v plynovodu [-] D - vnitřní průměr plynovodu [m] L - délka plynovodu [m] ξm - součinitel tlakové ztráty místního odporu v rozvodu plynu [-] Obdobně jako u rozvodů domovního plynovodu je možné díky různým nomogramům převést hodnoty místních tlakových ztrát na ekvivalentní délku potrubí Le. V tabulce 12.5 jsou pro názornost uvedeny hodnoty tlakových ztrát místních odporů základních tvarovek a armatur používaných v rozvodech zemního plynu pro průmyslové aplikace. Tab. 8.3 Hodnoty tlakových ztrát místních odporů rozvodů zemního plynu ξm
*Rozhodující je poměr ploch S1/S2 - 27 -
9. Rozdělení odběrných plynových zařízení Plynový spotřebič je zařízení spalující plynné palivo za účelem přeměny chemické energie v energii tepelnou (TPG 800 00). Plynové spotřebiče rozdělujeme do tří kategorií, a sice typ A, B a C. Další rozdělení plynových spotřebičů je pak závislé na tom, zda je spotřebič s přirozeným tahem (tj. odvodem spalin) nebo nuceným, zda je spalinový nebo vzduchový ventilátor umístěn před resp. za spalinovým výměníkem, zda je spotřebič opatřen přerušovačem tahu či nikoli, nebo zda je určen pro připojení na společný komín nebo samostatný kouřovod. Dále uvedené rozdělení plynových spotřebičů je v souladu s TPG 800 00. 1) Provedení A – otevřený spotřebič, který odebírá spalovací vzduch z prostoru, v němž je umístěn a spaliny jsou odváděny do téhož prostoru (např. plynový sporák apod.). Rozdělení je pak dále na A1 – spotřebič s přirozeným tahem, A2 – spotřebič se spalinovým ventilátorem instalovaným za spalovací komorou a A3 – spotřebič se vzduchovým ventilátorem instalovaným před spalovací komorou 2) Provedení B – otevřený spotřebič, který odebírá spalovací vzduch z prostoru, v němž je umístěn, ale spaliny odvádí do venkovního prostoru komínem (např. kotle, karmy, atd.). Rozdělení je ve skupině B1 – spotřebič bez přerušovače tahu (B11 – s přirozeným tahem, B12 – se spalinovým ventilátorem instalovaným za spalovací komorou a umístěním před přerušovačem tahu určeným pro odvod spalin přirozeným tahem, B13 – se vzduchovým ventilátorem instalovaným před spalovací komorou, B14 – se spalinovým ventilátorem instalovaným za spalovací komorou umístěným až za přerušovačem tahu. Dále skupina B2 – spotřebiče bez přerušovače tahu (B21 – s přirozeným tahem, B22 – se spalinovým ventilátorem instalovaným za spalovací komorou, B23 – se vzduchovým ventilátorem instalovaným před spalovací komorou). Skupina B3 – spotřebiče bez přerušovače tahu určené pro připojení na společný komín, spalovací vzduch je do spotřebiče přiváděn z prostoru spotřebiče trubkou, v níž je uložen soustředně i kouřovod (B31 – s přirozeným tahem, B32 – se spalinovým ventilátorem instalovaným za spalovací komorou, B33 – se vzduchovým ventilátorem instalovaným před spalovací komorou). Skupina B4 – s přerušovačem tahu určené pro připojení vlastními kouřovými troubami ve funkci komína (obdobně B41, B42, B43, B44) a skupina B5 – bez přerušovače tahu určené pro připojení vlastními kouřovými cestami ve funkci komína (obdobně B51, B52, B53) 3) Provedení C – uzavřený spotřebič, který odebírá spalovací vzduch z venkovního prostoru nebo společného komínu a od kterého jsou spaliny odváděny do venkovního prostoru. Další značení je podle: a) Typ C1 – spotřebič určený pro připojení k horizontálnímu přívodu spalovacího vzduchu a odvodu spalin prostřednictvím vlastních trub (dále C11, C12, C13). b) Typ C2 – spotřebič připojení přívodem spalovacího vzduchu a odvodem spalin na společný průduch (průduch je součástí budovy) určený pro více než jeden spotřebič (dále C21, C22, C23).
- 28 -
c) Typ C3 – spotřebič se souběžným vedením kouřovodu s funkcí komína a vzduchového průduchu a jejich vyústění na stejném místě na střeše, včetně soustředného vedení (dále C31, C32, C33). d) Typ C4 – spotřebič s připojením na souběžně vedený společný komínový a vzduchový průduch (oba průduchy jsou součástí budovy) s vyústěním na stejném místě na střeše, včetně soustředného vedení (dále C41, C42, C43). e) Typ C5 – spotřebič s nasávacím otvorem vzduchového průduchu v jiném místě venkovního prostoru, než je ústí kouřovodu s funkcí koína umístěné nad střechou (dále C51, C52, C53). f) Typ C6 – spotřebič dodávaný na trh bez nástavce nebo trub pro přívod spalovacího vzduchu a odvod spalin (montáž spotřebiče typu C61, C62 a C63 odpovídá jakémukoliv provedení u jiných podskupin spotřebičů typ C). g) Typ C7 – spotřebič s připojením na kouřovod s funkcí komína, který má v půdním prostoru přerušovač tahu instalovaný nad otvorem pro přívod spalovacího vzduchu (dále C71, C72, C73). h) Typ C8 – spotřebič s odvodem spalin do společného komínového průduchu a s přívodem samostatným průduchem z venkovního prostoru (dále C81, C82, C83, průduchy jsou součástí budovy) Dalším doplňkovým značením je instalace speciálními zabezpečovacími zařízeními. Pro spotřebiče typu A a B se může jednat o instalaci snímače hodnoty CO2 v místnosti (značení pak např. spotřebič typu B11AS). U spotřebičů typu B pak ještě navíc pojistkou proti zpětnému toku spalin do místnosti (např. spotřebič typu B11BS). Ve zvláštních případech jsou spotřebiče označovány třetím doplňkovým písmenem „D“ v dolním indexu pro spotřebiče určené pro připojení k ohebné nekovové trubce, kterou je odváděn vlhký vzduch a spaliny mimo prostor spotřebiče. Nebo třetím doplňkovým písmenem „P“ v dolním indexu pro spotřebiče určené pro připojení k přetlakovému odvodu spalin, a to pouze tehdy pokud výrobce přímo deklaruje zařízení pro odvod spalin jako přetlakové. Připojování plynových spotřebičů je závislé na provozním přetlaku plynu. Plynové spotřebiče s provozním přetlakem nad 5 kPa mohou být připojovány jen pevným spojením. Pevné připojení se skládá z připojovací armatury (např. kulového kohoutu) a šroubení, které je možno povolit pouze za pomocí nářadí. Další část potrubí je vedena nejčastěji z ocelového potrubí. Plynové spotřebiče s provozním přetlakem menším než 5 kPa mohou být připojeny rozebíratelnou přípojkou, u které je vyloučeno samovolné uvolnění nebo odpojení. U tohoto způsobu připojení se používá pryžových, vícevrstvých nebo celokovových hadic. Připojení má být co nejkratší a nesmí být delší než 1,5 m, připojení musí být provedeno hadicí z jednoho kusu a musí odolávat tepelnému a mechanickému namáhání.
- 29 -
10. Plynové spotřebiče v bytových prostorách U plynových spotřebičů je nutné rozlišit podmínky pro jejich umísťování v bytových a nebytových prostorách. V bytových prostorách se většinou jedná o umístění menších plynových zařízení (plynový sporák, plynová topidla, ohřívače teplé vody a menší plynové kotle). Za bytový prostor se přitom považují prostory sloužící k bydlení tj. byty a pokoje pro ubytování a to včetně sociálního zařízení (TPG 704 01). Umístění spotřebičů musí být takové, aby byl spotřebič snadno přístupný pro obsluhu a údržbu. Spotřebiče není vhodné umísťovat ve schodišťových prostorech, veřejnosti přístupných chodbách nebo únikových cestách. 10.1 Spotřebiče v provedení A Při návrhu umístění plynového spotřebiče v provedení A je nutné splnit dvě základní podmínky: 1) Minimální požadovaný objem místnosti, v níž je spotřebič instalován dle tab. 10.1. 2) Požadovanou výměnu vzduchu resp. výpočtem ověřit, zda je do místnosti přiváděno dostatečné množství vzduchu pro spalování. Spotřebiče v provedení A se umisťují přednostně do přímo větratelných místností. Nesmějí se umísťovat v koupelnách a sprchových koutech, ve skladištích potravin, WC a v místnostech určených ke spaní (pokud není splněn požadavek na nejmenší požadovaný objem místnosti tab. 10.1 sloupec II). Tab. 10.1 předepisuje nejmenší požadovaný objem místnosti. Pokud je u spotřebiče instalováno odvětrávací zařízení, které odsává spaliny a zplodiny do venkovního prostoru (např. u sporáku digestoř pro odvod par), je možné požadavek dle tab. 12.6 snížit o 25 %. Při vzájemné kombinaci spotřebičů v provedení A, se nejmenší přípustné objemy místnosti sčítají. Pro umístění spotřebičů v provedení A v místnostech s menším požadovaným objemem než dle tab. 10.1 je nutno splnit následující podmínky. Místnost se propojí se sousední místností odstraněním dveří. Objem takové místnosti, kde je spotřebič instalován, je nejméně 10 m3 a zároveň celkový objem obou propojených místností se pak musí rovnat alespoň 1,3 násobku nejmenšího požadovanému objemu a alespoň jedna z takto propojených místnostní musí být trvale větratelná. Dalším omezujícím faktorem může být minimální světlá výška místnosti, ta by měla být minimálně 2,3 m. Pokud spotřebič v provedení A umístíme v podkrovních či podobných prostorách s proměnnou světlou výškou stropu, do výpočtu na nejmenší požadovaný objem místnosti se započítává pouze objem místnosti, který má v místnosti světlou výškou alespoň 2,3 m. Pokud je spotřebič umístěn u stěny nižší je dále nutné instalovat odvětrávací zařízení s vyústěním do venkovního prostoru.
- 30 -
Tab. 10.1 – Nejmenší požadovaný objem místnosti Vmin pro spotřebiče v provedení A Nejmenší požadovaný objem místnosti Vmin [m3] II – v bytových I – v bytových Spotřebiče v provedení A jednotkách jednotkách s jednou s více obytnými obytnou místnosti místností 1) Plynový sporák s plynovou nebo elektrickou troubou, vestavná jednotka s oddělenou 20 50 břidlovou deskou a plynovou troubou 2) Samostatná plynová trouba nebo samostatný 10 25 plynový vařič s dvěma hořáky 3) Plynová chladnička 6 6 4) Plynový průtokový ohřívač vody do příkonu 10 kW nebo zásobníkový ohřívač do 20 20 příkonu 2 kW 5) Plynový průtokový ohřívač vody do příkonu 10 kW, umístěný společně s dalším spotřebičem podle 1, 2 a 3 26 80 20 30 Při kombinaci spotřebičů 1, 2 a 3 se nejmenší přípustné objemy místností sčítají U plynového sporáku, vařiče nebo břidlové desky se uvažuje 5 m3 na každý břidlový hořák (sloupec I) a 12,5 m3 (sloupec II), bez ohledu na příkon hořáku!!! V případech, kdy spotřebič v provedení A slouží jako průtokový ohřívač vody, musí být splněny další požadavky: a) Příkon spotřebiče může být nejvýše 10 kW. b) Spotřebič musí být vybaven hlídačem okolního prostředí (tj. zařízení, které sleduje případný pokles objemu kyslíku v okolí plynového spotřebiče s následnou automatickou funkcí uzavření přívodu plynu do spotřebiče) a pojistkou plamene. c) Spotřebič musí mít pouze jeden vývod teplé vody a to v té samé místnosti, kde je instalován. d) Spotřebič nesmí být používán pro vanové nebo sprchové koupele nebo jiné účely s dlouhodobějším odběrem teplé vody. Pro spotřebiče v provedení A je požadována nejmenší hodnota výměny vzduchu n = 1 hod-1, zajištěná infiltrací okny, dveřmi, nebo nuceným systémem větrání. Výměna vzduchu infiltrací se vypočítá z nejmenšího požadovaného objemu místnosti pro daný spotřebič nebo jeho kombinaci. n
kde n iL
3600 iL L p 0 ,67 Vmin
3600 Vvz 1 Vmin
- výměna vzduchu [hod-1] - součinitel spárové provzdušnosti [m2/s·Pa0,67] - 31 -
(10.1)
L - délka spár [m] Δp0,67 - rozdíl tlaku vzduchu mezi dvěma prostory s překážkou jako je okno (dveře apod.) - pro výpočet lze uvažovat Δp0,67 = 4 Pa0,67 [Pa0,67] Vvz - objemový průtok vzduchu infiltrací [m3·s-1] Vmin - nejmenší požadovaný objem místnosti pro daný spotřebič A [m3] Množství spalovacího vzduchu pro plynové spotřebiče v provedení A je možno stanovit jako:
Vs 1,1 B H u 1,1 Pp kde Vs 1,1 λ B Hu Pp
(10.2)
- potřebný vzduch pro spalování [m3/hod] - konstanta pro zemní plyn [m3/kWh] - potřebný přebytek vzduchu pro spalování [-] (pokud není hodnota daného spotřebiče známa, volí se = 1,8) - příkon plynu ke spotřebiči [m3/hod] - výhřevnost plynu [kWh/m3] - příkon plynu spotřebiče [kWh]
Při výpočtu je nutno nejprve zjistit zda objem místnosti vyhovuje dle tab. 10.1, a poté stanovit objemový průtok vzduchu potřebného pro spalování a následně zjistit výměnu vzduchu v místnosti. Vypočtená hodnota se poté porovná s požadovanou hodnotou tj. n = 1 hod-1. Příklad: V bytové jednotce 1+kk má být instalován plynový sporák v obytné místnosti o rozměrech 6 x 5 x 2,6 m. V místnosti jsou tři dvoukřídlá okna o rozměrech 2 x 1,5 m. Okna jsou dřevěná zdvojená těsněná a podle údajů výrobce vykazují součinitel spárové provzdušnosti iL = 0,5 ·10-4 m2/s·Pa0,67. Výhřevnost zemního plynu uvažujte 35 870 kJ/m3 = 9,96 kWh/m3. Příkon plynu ke spotřebiči je 10,2 kWh (což je cca 1,024 m3/hod => 10,2 kWh/9,96 kWh/m3). Zjistěte, zda je možné instalovat plynový sporák do takové místnosti. Řešení: 1) Plynový sporák je spotřebič v provedení A 2) Nejmenší požadovaný objem místnosti pro plynový sporák u bytové jednotky s jednou obytnou místností je 50 m3 – viz tab. 12.6 V 6 5 2 , 6 78 50 m3
Vyhovuje
3) Množství vzduchu pro spalování je Vs 1,1 B H u 1,1 1,8 9 ,96 1, 024 20 , 2 m3/hod 4) Výpočtem je tedy nutné ověřit, zda do místnosti je přiváděno infiltrací 20,2 m3/hod vzduchu, resp. zda je splněna požadavek na 1 násobek výměny vzduchu. ns
20 , 2 0 , 4 1/hod < 1 => minimální požadavek dle TPG 704 01 je n = 1 1/hod 50
- 32 -
Objemový průtok vzduchu infiltrací musí být větší než 20,2 m3/hod, ale protože je nutné zároveň splnit podmínku pro minimální výměnu vzduchu n = 1 1/hod – podle minimálního požadovaného objemu místnosti (tab. 10.1), musí být ve skutečnosti objemový průtok vzduchu infiltrací 50 m3/hod. 5) Dřevěná okna jsou dvoukřídlá a délka spár u jednoho okna je L = (3·1,5) + (2·2) = 8,5 m 6) Objemový průtok vzduchu infiltrací pro danou místnost je
Vvz 3600 iL L p 0 ,67 3600 0,5 104 3 8,5 4 18,36 m3/hod 18,36 m3/hod < 50 m3/hod, ale také < 20,2 m3/hod => Nevyhovuje 7) Možné opatření: Plynový sporák bude vybaven digestoří = > nejmenší požadovaný objem místnosti je poté Vmin = 50 · 0,75 = 37,5 m3. Jedno okno bude mít odstraněno těsnící prvky ve spárách a součinitel spárové provzdušnosti se u tohoto okna zvětší na hodnotu iL = 2,5 ·10-4 m2/s·Pa0,67. Výměna vzduchu infiltrací pak bude n
3600 0 ,5 104 2 8,5 4 2 ,5 104 8,5 4 37 ,5
42 ,84 1,14 1 37 ,5
Pozn.: Při úpravách těsnících elementů oken a venkovních dveří je nutné brát v úvahu i změnu tepelné ztráty takto upravovaných místností.
- 33 -
10.2 Spotřebiče v provedení B Na rozdíl od spotřebičů v provedení A mohou spotřebiče provedení B umístěny i v nepřímo větratelných prostorách, avšak s nutnými opatřeními zajišťující dostatečný přívod spalovacího vzduchu. Základní podmínkou z hlediska instalace je: Požadovaný objem místnosti musí být nejméně 1 m3 = 1 kW příkonu spotřebiče. Pokud je spotřebič v provedení B umístěn v nepřímo větrané místnosti, její objem se do výpočtu nezahrnuje. Nejmenší dovolený objem místnosti, kde může být spotřebič v provedení B umístěn je 8 m3, avšak při splnění dalších podmínek. Tento požadavek se nevztahuje na umístění spotřebiče B do samostatného odděleného prostoru nebo do místnosti se zajištěnou trvalou výměnou vzduch. U spotřebičů s atmosférickými hořáky platí tyto pravidla: 1) Nesmí být instalovány tam, kde by v důsledku vytváření podtlaku v místnosti (např. díky ventilátoru apod.) a možnému narušení funkce odvodu spalin. 2) 1 m3 = 1 kW – pro spotřebič, který je vybaven pojistkou proti zpětnému chodu spalin. 3) 2 m3 = 1 kW – pro spotřebič, který nemá pojistku proti zpětnému chodu spalin. Množství vzduchu potřebného pro spalování lze vypočítat ze vzorce: VS 1,1 kde Vs λ Qn η
Qn
(10.3)
množství spalovacího vzduchu [m3/hod] potřebný přebytek vzduchu pro spalování [-] jmenovitý tepelný výkon spotřebiče [kW] účinnost spotřebiče [-]
Pro výpočet potřebného přebytku vzduchu pro spalování, lze použít vztah vycházející z poměru maximálního a skutečného obsahu CO2 ve spalinách ve tvaru:
CO 2max CO 2skut
(10.4)
kde CO2max – maximální obsah CO2 ve spalinách (pro zemní plyn 11,7 %) [%] CO2skut – skutečný obsah CO2 ve spalinách [%] Hodnoty skutečného obsahu CO2 ve spalinách jsou závislé zejména na aktuálním tepelném výkonu daného spotřebiče. Pro výpočet se uvažuje s hodnotou stanovenou pro jmenovitý tepelný výkon dle dokumentace výrobce nebo hodnotou stanovenou na zkušebně. Pro plynové kotle se hodnoty CO2skut mohou pohybovat v rozsahu od 4,5 % do 11 %. Pokud není hodnota daného spotřebiče známa, volí se = 2,5.
- 34 -
Pro správný návrh plynového spotřebiče v provedení B je nutné splnit obě podmínky, tj. jak podmínku minimálního objemu místnosti, tak i zároveň podmínku pro zajištění množství spalovacího vzduchu. Množství vzduchu zajištěné infiltrací se vypočítá stejně jako u spotřebičů v provedení A. Nejčastějším problémem je umístění spotřebiče v provedení B do místnosti nesplňující podmínku 1 m3 = 1kW nebo v důsledku instalace nových oken neschopnost zajistit infiltrací okenními spárami dostatečný přívod spalovacího vzduchu. Tato představa instalace odpovídá běžné instalaci plynového kotle v chodbách nebo předsíních, kdy kotel zajišťuje jak vytápění tak i přípravu teplé vody pro samostatnou bytovou jednotku, nebo pro rodinný dům. Řešení těchto problémů nabízí TPG 704 01 hned několik. 1. S ohledem jak na minimální objem místnosti tak i dostatečný přívod vzduchu propojit místnost, kde je kotel umístěn, se sousední místností téhož uživatele. Zde je nutné připomenout, že tímto propojením se myslí buď úplné odstranění propojovacích dveří, nebo vytvoření větracích otvorů u podlahy a ve výšce nejméně 1,8 m nad podlahou (obr. 10.1). Tyto větrací otvory musí, ale splňovat podmínku, kdy na 1 kW příkonu spotřebiče připadá minimálně 10 cm2 volného průřezu otvoru, nejméně však 200 cm2. Díky tomuto opatření je splněna podmínka minimálního objemu místnosti a může být také splněna podmínka na zajištění přívodu spalovacího vzduchu (je-li k dispozici pro přívod větší počet oken resp. více okenní spár). V případě, že podmínka zajištění spalovacího vzduchu není zajištěna ani tímto opatřením, je možné v rámech oken snížit těsnění nebo provést instalaci větracích štěrbin přímo v okenním rámu a tím podmínku na přívod spalovacího vzduchu splnit.
Obr. 10.1 Příklad umístění plynového spotřebiče v provedení B v přímo větratelné místnosti, která nevyhovuje požadavku na minimální objem místnosti a není splněn požadavek na zajištění dostatečného množství spalovacího vzduchu 2. Pokud je kotel umístěn na vnitřní straně obvodové zdi, je možné umístit kotel do samostatné skříně s přívodem vzduchu z venkovního prostoru (obr. 12.8). V takovém případě nemusí být splněna podmínka minimálního objemu místnosti 8 m3. Pro zajištění dostatečného přívodu spalovacího vzduchu musí být ve zdi vytvořen otvor o volném průřezu nejméně 10 cm2 na 1 kW příkonu kotle, nejméně však 200 cm2. Zde bych však upozornil na případné problémy v zimním provozu spotřebiče, kdy může docházet ke vzniku námrazy. Podobným řešením je také umístění spotřebiče do - 35 -
místnosti se samostatným trvalým přívodem vzduchu (např. využití přívodu venkovního vzduchu starším vzduchotechnickým potrubí, komínovou šachtou apod.), v takovém případě také neplatí podmínka o splnění minimálního objemu místnosti, ale podmínka o minimálním požadavku na velikost volného průřezu otvoru (nejméně 10 cm2 na 1 kW příkonu kotle, nejméně však 200 cm2). Dostatečný přívod spalovacího vzduchu je však vhodné doložit výpočtem (zejména s ohledem na vznikající tlakové ztráty v potrubí).
Obr. 10.2 Umístění plynového spotřebiče v provedení B ve skříni se samostatným přívodem vzduchu 3. Navrhnout systém nucené výměny vzduchu řešené místnosti. V takovém případě je ovšem nutné zajistit u spotřebičů s atmosférickými hořáky správnou funkci hořáku popřípadě funkci přerušovače tahu s ohledem na výsledný obraz proudění vzduchu (resp. tlakové poměry místnosti). Dále musí být zajištěno, aby plynový spotřebič nebyl provozován, pokud není systém nuceného přívodu vzduchu v provozu. Při vzájemné kombinaci spotřebičů v provedení A a B se jako rozhodující požadavek na objem místnosti bere vyšší hodnota z hodnot požadovaného objemu pro spotřebič daného provedení. A zároveň pak musí být splněny požadavky na výměnu vzduchu pro spotřebič v provedení A a přívod vzduchu pro spotřebič v provedení B. Příklad: V přímo větratelné místnosti o objemu 20 m3 by měl být instalován plynový kotel s přetlakovými hořáky pro vytápění a přípravu TV o jmenovitém výkonu 12 kW v provedení B. Jedná se o bytovou jednotku 2+kk. Místnost, kde bude kotel instalován, má dvě dvoukřídlá dřevěná okna o rozměrech 1,5 x 1,5 m. Hodnotu součinitele spárové průvzdušnosti výrobce oken udává iL = 1,2 ·10-4 m2/s·Pa0,67. Plynový kotel má obsah CO2 ve spalinách při jmenovitém výkonu 6,8 %, účinnost kotle je 92 %. Zjistěte, zda je možné plynový kotel instalovat do předsíně bytové jednotky. Řešení: 1) Splnění podmínky o objemu místnosti 1 m3 = 1 kW
- 36 -
20 m3 > 12 kW místnost V Y H O V U J E 2) Množství spalovacího vzduchu je: Vs 1,1
QJ 11, 7 12 1,1 24 , 7 m3/hod 6 ,8 0 ,92
3) Délka okenních spár v místnosti s instalovaným kotlem je Okno č. 1 – 7,5 m Okno č. 2 – 7,5 m 4) Celkový objemový průtok vzduchu infiltrací okny je:
Q 3600 iL L p 0 ,67 3600 1, 2 104 7 ,5 7 ,5 4 25,92 m3/hod Požadovaný přívod vzduchu pro plynový kotel V Y H O V U J E 5) Při rekonstrukci bytového domu dojde na výměnu starých dřevěných oken za plastová euro okna s hodnotou součinitele spárové průvzdušnosti iL = 0,3 ·10-4 m2/s·Pa0,67. Bude i poté vyhovovat instalovaný kotel požadavkům na spotřebiče v provedení B dle TPG 704 01? 6) Celkový objemový tok vzduchu infiltrací okny po zateplení bude:
Q 3600 iL L p 0 ,67 3600 0 ,3 104 7 ,5 7 ,5 4 6, 48 m3/hod Požadovaný přívod vzduchu pro plynový kotel N E V Y H O V U J E Po provedení rekonstrukce není možno zajistit infiltrací dostatečný přívod vzduchu pro plynový kotel. Bude proto nutné provést dodatečné opatření. Možné úpravy byly popsány v předchozím textu (snížení těsnosti spár oken, instalací spotřebiče do oddělené skříně s venkovním přívodem vzduchu apod.), nicméně výrobci oken a větracích systémů dnes nabízejí ještě jedno zajímavé řešení. Je jím instalace větracích štěrbin do rámu oken (obr. 10.3). Výhodou těchto větracích štěrbin je možnost zajištění přívodu dostatečného množství vzduchu pro provoz plynových spotřebičů (od 5 do 40 m3/hod na jednu štěrbinu). Může se jednat o systém s trvalým průtokem vzduchu, nebo kombinaci hygroregulovatelného systému, který na bázi polyamidových vláken detekuje vnitřní relativní vlhkost vzduchu, a určuje množství přiváděného vzduchu do místnosti. Poslední možností je pak kotel řešený v předcházejícím příkladu vyměnit za kotel v provedení C. Obr. 10.3 Řez rámem okna s osazenou větrací štěrbinou - www.bristec.cz
- 37 -
10.3 Spotřebiče v provedení C Na umisťování spotřebičů v provedení C nejsou kladeny zvlášťní požadavky na objem prostoru, na větrání ani na přívod vzduchu. Pouze pro vyústění odtahů spalin od plynových spotřebičů musí být splněna ČSN 73 4201. Problémy při provozu těchto spotřebičů jsou většinou s nedodržením maximální délky u tzv. koncentrických systémů přívodu spalovacího vzduchu a odvodu spalin. Jedná se o typ spotřebiče C3. Správná funkce koncentrického systému přívodu spalovacího vzduchu a odvodu spalin je závislá na dopravním tlaku ventilátoru nebo vyvozeném přirozeném vztlaku systému odvodu spalin, tj. na celkové tlakové ztrátě jak v přívodním potrubí spalovacího vzduchu tak i tlakové ztrátě v kouřovodu při odvodu spalin.
- 38 -
11. Plynové spotřebiče v nebytových prostorách Za nebytové prostory jsou považovány místnosti určené k pracovní činnosti, podnikání a shromažďování osob. Dále prostory s nimi související (kanceláře, učebny, sociální, hygienická a zdravotnická zařízení, laboratoře, kina, divadla, sály, velkokuchyně, dílny, schodiště, sklady, apod.) Nebytovými prostory jsou vždy garáže, prádelny a kotelny. Pro připojování a umisťování spotřebičů v nebytových prostorech platí stejná pravidla jako v prostorech bytových, pokud není uvedeno jinak. Pro plynové spotřebiče v nebytových prostorách se vypočtené množství spalovacího vzduchu porovnává s požadavky stanovenými zvláštními předpisy (Nařízení vlády č. 361/2007 Sb. A vyhláška č. 6/2003 Sb.). Což odpovídá např. požadavku na 50 m3/hod čerstvého vzduchu na 1 osobu. Rozhodující pro výpočet je pak větší z obou hodnot. Spotřebiče v provedení A Spotřebiče v provedení A je možno umístit pouze do přímo větratelného prostoru a kde na každých 200 W příkonu spotřebiče připadá nejméně 1 m3 prostoru. Při zajištění nuceného větrání, je možné tento prostor zmenšit o 50 % pod podmínkou, že průtok vzduchu je minimálně 1,5 m3/hod na 1 kW. Je-li celkový instalovaný příkon spotřebičů větší než 50 kW, musí být přívod plynu do prostoru opatřen uzávěrem, který uzavře přívod automaticky v případě, že zařízení na nucený přívod vzduchu není v provozu. Pro umísťování plynových průtokových ohřívačů vody musí platit podmínka v jednom prostoru maximálně jeden ohřívač o maximálním příkonu 10 kW s jedním vývodem vody a spotřebič bude, používám pouze krátkodobě (tj. umytí rukou, nádobí apod.) Spotřebiče v provedení B Plynový průtokový ohřívač vody (např. kombinovaný plynový kotel na vytápění a ohřev TV) smí být instalován v prostoru, kde jsou umístěny vany nebo sprchy pouze pokud je chráněn před postříkáním vodou a na jeden spotřebič připadá objem místnosti 1 m3 na 1 kW, nejméně však 20 m3.
- 39 -
