Nejúčinnější ekologický zdroj tepla pro vytápění rodinných domků

V souvislosti s neustálým zdražováním energií se lidé ptají čím ekologicky a současně i ekonomicky, tedy levně a s účinností pokud možno přes 100 %, mají vytápět svůj rodinný domek. Dobrá rada je až překvapivě jednoduchá: místo kotle na plyn instalovat moderní teplovodní krb na dřevní biomasu.

Obr. 1: Moderní interiérový krb s krbovou vložkou a zabudovaným teplovodním výměníkem

K nejlevnějším palivům u nás stále ještě patří hnědé uhlí, to ale není ekologické vzhledem k vysokým emisím škodlivých látek, které vznikají při jeho spalování v malých kotlích. Za ekologická paliva je možno proto z hlediska emisí považovat především zemní plyn a pak biomasu (dřevo, peletky, obilí, rostliny apod.), která je navíc obnovitelným zdrojem energie. Nejlepší kotle na biomasu dosahují dle výrobců účinnosti až 93 % při splnění emisní normy 3. třídy dle ČSN EN 303-5. Takové kotle dokonce splňují i limity pro ekologicky šetrný výrobek (v ČR dle směrnice č. 13/2002 MŽP ČR) a lze na jejich pořízení obvykle poskytnout v mnoha evropských zemích státní finanční podporu (v ČR od Státního fondu životního prostředí). Tabulkově nejvyšší účinnosti, přesněji stupně využití paliva při nejnižších emisích však dosahují v současnosti jen kondenzační plynové kotle - dokonce až 109 %.

Obr. 2: Teplovodní výměník umístěný v zadní části krbu

Obr. 3: Akumulační nádrž o objemu 2500 litrů instalovaná v garáži

Oproti tomu krby, které také spalují ekologické zdroje (biomasu), nemají zrovna pověst úsporných tepelných spotřebičů: Ty otevřené mají totiž účinnost spalování jen do 10 %. U uzavřených teplovzdušných dvouplášťových sice vzrostla až na 70 %, u peletkových krbů až na 80 %, ty ale zase nejsou vhodné jako jediný zdroj tepla pro celý rodinný domek. Pro tento účel lze smysluplně využít pouze teplovodní krby, jenže ani u těch nejlepších zatím nepřesahuje tabulková účinnost při jmenovitém příkonu 82 %.

Chybná metodika měření

Málokdo však ví, že účinnosti se zpravidla počítají a měří ve zkušebně tak, že se od množství energie ve spáleném palivu prostě odečte ta energie, která projde jako spaliny komínem či jako kondenzát do kanalizace, což lze celkem snadno změřit. Při tom ne všechna tepelná energie vzniklá spálením paliva odejde z kotle jako využitelná energie topnou vodou do radiátorů či do bojleru a nebo jako ztráty kouřovými plyny či nedopalem komínem ven. Jen např. prouděním a sáláním ztrácí těleso kotle asi 2 % svého výkonu, která neprojdou ani topnou vodou a ani komínem, ale ztrácí se bez užitku u kotlů v kotelně či ve sklepě. Dále je třeba vzít v úvahu, že prakticky všechny moderní kotle se při svém provozu neobejdou bez ventilátorů, které zajišťují správné proudění spalin při regulaci jejich výkonu, a jejichž příkon činí zpravidla další 1 % výkonu kotle, které je též třeba odečíst.

Především ale tyto všechny kotle odebírají spalovací vzduch z kotelny, tedy v zimě s teplotou i kolem 0 °C, přičemž plynové kotle, které mají samostatný přívod čerstvého vzduchu z exteriéru, mívají v zimě dokonce ještě nižší teplotu nasávaného vzduchu, zatímco teplota spalovacího vzduchu při jejich zkouškách ve zkušebnách je dána předpisy na 20 + 5 °C – ostatně také kde by ty zkušebny v létě vzaly studený vzduch, že?

Z toho je evidentní, že jestliže nasávaný vzduch má teplotu o nejméně 20 °C nižší, tak i výsledná teplota spalin při spálení stejného množství paliva musí být o stejnou hodnotu nižší, čímž je ale nižší i rozdíl teplot spalin a topné vody na výměníku kotle, což musí nutně podstatně snížit výslednou účinnost tohoto kotle v reálných podmínkách o dalších několik procent z jeho tabulkové účinnosti, o čemž však jejich výrobci v honbě za zákazníky taktně mlčí.

Reálná účinnost je nižší

Z výše uvedených důvodů bychom tedy měli snížit výrobci udávanou bombastickou účinnost jejich kotlů nejméně o 10 %. Tím se sníží tabulková účinnost u kotlů na dřevo z výrobci deklarovaných až 93 % někam k reálným 80 %, a ani u těch nejlepších plynových kondenzačních kotlů se v důsledku výše uvedených redukcí určitě nedostaneme přes 100 %, přestože jejich výrobci se chlubí u nich využitím paliva (díky využití kondenzačního tepla vody chemicky vázané v plynu) až na 109 %. Navíc, aby tyto kondenzační kotle měly výrobci uváděné vysoké parametry, tak musí pracovat s teplotním spádem topné vody 40/30 °C, což splňuje pouze podlahové topení, které vzhledem k jeho vysoké ceně má zatím jen malý zlomek rodinných domků. Ale i tam tyto kotle musí minimálně několikrát za den ohřívat i zásobník s teplou užitkovou vodu pro koupání a sprchování, tedy s teplotou min. 60 °C, a v tom případě po tuto dobu absolutně nemohou pracovat v režimu kondenzačním, ba dokonce ani nízkoteplotním, ale pouze v režimu klasického plynového kotle, tedy s účinností jen kolem 80 %. Takže když si to rozpočítáme na celkovou dobu jejich provozu, tak i u nich se dostaneme v nejlepším případě sotva na úroveň 95 % účinnosti.

Obr. 4: Tím vším lze topit v teplovodním krbu bez škodlivých emisí (tj. v souladu se zákonem)

Navíc výrobci uváděné parametry platí pouze při trvalém provozování těchto kotlů v úzké oblasti jejich jmenovitého výkonu, popř. teplotního spádu, a to ještě jen s doporučeným kvalitním palivem.

Na podkladě těchto skutečností lze snadno vypočítat, že na příklad v Praze i optimálně a dle platných předpisů správně navržený plynový kotel v rodinném domě pracuje v průměru pouze na 20 až 25 % svého jmenovitého výkonu (například pouze na 5 kW místo 20 až 25 kW, a nejméně dva měsíc v roce dokonce s výkonem 2 až 3 kW. U kotlů na dřevo (o kotlích na uhlí nemluvě) je situace ještě horší, jejich účinnost při běžném teplotním režimu klesá i pod 50 % (při nižších teplotách ohniště a nedostatku spalovacího vzduchu v důsledku přivření regulační klapky se účinnost každého kotle rapidně snižuje) a jejich emise jsou nejméně o řád horší než ty tabulkové, které uvádějí jejich výrobci. I kvalitní suché dřevo při nedokonalém spalování totiž dehtuje, a když k tomu ještě přičteme, že v tomto kotli „bez problémů“ shoří i vlhké nekvalitní, ale podstatně levnější dřevo a často i výhřevný kelímek od jogurtu, který je navíc zdarma, tak o tom, co vychází z komína nelze mít žádné iluze! Je proto omylem, že právě na takové kotle vyplácejí mnohé evropské země, včetně ČR, ještě státní dotace, ať už pod hlavičkou plynofikace obcí nebo podpory obnovitelných zdrojů energie!

Obr. 5: Zapojené teplovodního krbu do soustavy vytápění a ohřevu TUV v rodinné domě

Šance pro teplovodní krby

Lze tedy vůbec spalovat nějaké ekologické palivo v rodinných domcích s vysokou účinností a s nízkými emisemi a dokonce levnějšími zařízeními a navíc při dobrovolném dodržování vysoké kvality paliva bez nutnosti sankcí přísných zákonů, vyhlášek a norem? Šokující odpověď zní ano, ještě více však udivuje, že je to možné právě jen v teplovodních krbech! Ty totiž oproti kotlům nejen že nemají žádné ventilátory, kde by se ztrácelo bez užitku až 1 % výkonu krbu, ale navíc jsou umístěny vždy ve vytápěném prostoru a ne ve sklepě, takže u nich nemůže docházet ani k žádným ztrátám prouděním či sáláním, neboť obojí se využívá k vytápění obytných místností a neztrácí ve sklepě či kotelně, jako je tomu u kotlů. Krby navíc oproti kotlům odebírají i spalovací vzduch přímo z obytných místností, tedy předehřátý na 22 °C, tedy na předpisovou teplotu zkušeben, takže není ani zde třeba nic odečítat. Přitom tak pracují vlastně jako nejlevnější a nejúčinnější výměník tepla zkaženého vzduchu, který bychom jinak museli dle hygienických předpisů odvést bez užitku ven okny, nebo pracně drahým rekuperačním výměníkem vypouštět ven a jím ohřátý čerstvý vzduch zase přivádět zpět do místností.

Akumulace místo regulace

Jejich zdánlivou nevýhodou ale je, že jejich výkon nelze ztlumit a ani nijak automaticky regulovat a tím je při vytápění rodinných domků provozovat nepřetržitě, neboť pokud i po celou noc nikdo nebude chodit přikládat, tak po pár hodinách vyhasnou. Tato nevýhoda se však rázem změní ve výhodu, pokud krb topí do akumulačního zásobníku – u krbu to však není, oproti kotlům, otázka volby, ale přímo nutnosti. Tím pádem musí být zajištěno, že během několika hodin se dostatečně vyhřeje dům i akumulační zásobník, takže nejen že teplovodní krb oproti kotlům pracuje trvale na svůj tabulkový jmenovitý výkon, tedy stále s vysokou účinností 80 % a s nízkými emisemi, ale může být dokonce bez problémů předimenzován ještě více jak běžný kotel, přičemž geometrie většího ohniště oproti kotli navíc zajišťuje i vyšší účinnost a nižší emise.

Samozřejmě že s akumulací (a tedy též trvale při jmenovitém výkonu) může být provozován i každý jiný kotel, kdo by ale podle budíku (jinak nepozná, kdy má přiložit) chodil každou půlhodinu (na plný výkon palivo v něm shoří rychle) přikládat do sklepa (neboť do obýváku si kotel nedá) otýpku štípaného dřeva, když do krbu stačí jen několikrát za večer dle potřeby (což včas vidí) přiložit půlmetrová nerozštípaná polena. A to nemluvíme o ekonomické stránce věci, kdy akumulační nádrž stojí totéž co kotel a zaplatila by se tak až po mnoha letech a zde, oproti teplovodnímu krbu, není nezbytná, takže žádný ekonomicky uvažující obyvatel to neudělá.

Obr. 6: Možnost zapojení krbových kamen s teplovodním výměníkem do otopné soustavy se zabezpečením proti přetopení (zdroj: Haas+Sohn)

Bez trojcestného ventilu

Další podstatné zvýšení účinnosti oproti tomu tabulkovému získáme však u teplovodního krbu tím, že zapomeneme na základní topenářskou zásadu a vynecháme termostatický trojcestný ventil, který má zajišťovat teplotu vratné vody do kotle na minimálně 65 °C, aby v něm nedocházelo ke kondenzaci vody a tím k nízkoteplotní korozi, která by ho záhy zničila. Tato osvědčená zásada s určitostí platí jak pro kotle na uhlí (kde navíc díky síře v uhlí tam vzniká kyselina sírová), tak i pro kotle na dřevo (které by navíc při nedostatku vzduchu dehtovaly) a pro klasické plynové kotle, ale vůbec už neplatí pro teplovodní krby a je proto s podivem, že si toho dosud nikdo nevšiml a ze setrvačnosti se vždy tento ventil používá i u nich. Krby totiž zaprvé na rozdíl od kotlů pracují vždy s větším přebytkem vzduchu, protože je nelze totiž zcela utlumit přiškrcením vzduchu jako kotle. Tím pracují nejen trvale s podstatně vyšší teplotou spalin než výkonově zaškrcené kotle, ale navíc i s lambdou, udávající přebytek spalovacího vzduchu, větší než 1, což na jedné straně snižuje rosný bod jejich spalin a na druhé zvyšuje teplotu výměníků a komínu. Především však díky možnosti akumulace pracují (topí) oproti ostatním kotlům bez akumulace i na jaře či na podzim vždy na plný výkon, takže i těch zbývajících pár procent ztrát, které odchází bez užitku do komína, stačí spalinové cesty (stěny kotle, výměníky a vnitřní plášť komínu) vyhřát na takovou teplotu, která je plně dostatečná k tomu, aby na nich nic nekondenzovalo.

Tento proces však můžeme u teplovodních krbů ještě prohloubit. Oproti kotlům mají totiž kouřovou komoru a do ní je možné vložit další výměník, a vratnou vodu vést nejprve do něj a až z něj pak do krbu. Tím se vystupující kouřové plyny dostanou v horní části tohoto výměníku do kontaktu s vratnou vodou o teplotě dokonce jen kolem 30 °C (místo 90 °C u kotlů), čímž dojde k jejich lepšímu vychlazení a tím k dalšímu podstatnému zvýšení účinnosti takového teplovodního krbu.

Do krbu jen suché dřevo

Zatímco při spalování zemního plynu k dalším tepelným ziskům využíváme navíc i kondenzačního tepla spalin tím, že vysrážíme ze spalin vodu, která vznikla chemickým procesem při spalování plynu, u krbů tento jev využít nemůžeme. Jednak chemicky je ve dřevě oproti zemnímu plynu vázáno jen malé množství vody, takže spalováním suchého dřeva tolik vody nevzniká, ale naopak vznikají jiné produkty, které by vedly k masivnímu zanášení krbu a výměníků (dehet, popel, saze).

V tom případě naší snahou tedy musí být, především nevnášet do procesu spalování dřeva další vodu, kterou bychom nejprve museli ohřívat na 100 °C a pak ještě odpařit a odvést do komína, to vše za velkých a zbytečných tepelných ztrát.

A zde má dřevo oproti ostatním palivům jednu specifickou vlastnost – totiž že o jeho výhřevnosti si do určité míry může rozhodovat jeho uživatel sám. Pokud dřevo necháme pod přístřeškem schnout ještě další rok, můžeme se dostat až na 15 % vlhkosti a tím zvýšíme jeho výhřevnost na 15 MJ/kg. A tak se konečně tedy bez jakékoliv další práce - chce to jenom si počkat - dostaneme na onu v nadpisu avizovanou nejvyšší účinnost (přesněji normovaný stupeň využití paliva) až 110 %.

A proč to tak tedy nedělají i majitelé kotlů? V kotlích totiž shoří všechno včetně mokrého dřeva, takže jejich uživatelé si s vlhkostí dřeva hlavu nelámou, neboť i když má menší výhřevnost, je zase levnější, tak proč by kupovali dražší suché, a nebo rok čekali. Krbař však na vybranou nemá – pokud totiž chce i po hodině topení ještě vidět skrz sklo na oheň (a kvůli tomu si krb pořídil), nezbývá mu, než dobrovolně, bez nějakých nařízení, topit výhradně suchým dřevem, jinak se mu sklo velmi rychle začmoudí. A navíc topit jen kvalitním listnatým dřevem (ani ne tak kvůli hluku z praskání jehličnatého dřeva, jako spíše tmavému kouři), které je bez pryskyřic, takže jeho spalováním vznikají mnohem čistší emise než u jehličnatého dřeva, kde při spalování pryskyřic vznikají navíc i škodlivé aromatické uhlovodíky. Nicméně pokud by i výrobci kotlů na biomasu převzali některé výše uvedené zásady, především vynechání termostatického trojcestného ventilu za podmínky provozu těchto kotlů na plný výkon, tedy do akumulačních zásobníků, a používání jen kvalitního suchého paliva, pak by i tyto kotle (především pak peletové) mohly svou účinností překonat kondenzační plynové kotle (navíc při spalování obnovitelných zdrojů energie) a přiblížit se svou účinností teplovodním krbům.

Závěr a doporučení

Ze všeho výše uvedeného plyne, že pro efektivní spalování zdaleka nejsou nejdůležitější jen technické parametry kotle (a už vůbec ne ty tabulkové při jmenovitém výkonu, které dosud jako jediné jsou při přidělování dotací uvažovány a kontrolovány), ale především jeho roční stupeň využití, potenciál možností jeho úprav a zapojení, dále jeho umístění, kvalitní obsluha a v neposlední řadě i dobrovolné dodržování kvality a druhu paliva. Pokud by se podařilo dostat do povědomí všech majitelů rodinných domků, chat a chalup tyto výše uvedené principy, které by se podpořily dosavadními státními příspěvky na kotle, dosáhlo by se bez jakýchkoliv dalších finančních nákladů či donucovacích legislativních prostředků minimálně poloviční úspory paliv z obnovitelných zdrojů při podstatném snížení škodlivých emisí. A estetický prožitek z plápolajícího ohně by byl ještě bonusem navíc.

A to ještě není vše! Toto zařízení je totiž ještě navíc roznětkou pro další obrovské úspory tepelné energie ze synergického efektu – kdo si totiž pořídí teplovodní krb, musí si pořídit i akumulační zásobník s výměníkem pro teplou užitkovou vodu. Tím však má již zároveň zaplacenou a nainstalovanou (tedy jaksi zdarma) právě tu nejdražší část pro solární ohřev teplé užitkové vody a pro solární přitápění na jaře a na podzim. Stačí tedy už jen připojit ke stávajícímu zařízení levné sluneční kolektory s jednoduchou regulací a vše je hotovo a úspory energií se rázem ještě zdvojnásobí, takže výsledná spotřeba paliva bude sotva čtvrtinová!

(Pokud si někdo i nadále ještě myslí, že v tomto článku jde jen o neskutečný sen, o pouhou teorii a ne realitu, tak toto zařízení bezproblémově již 5 let funguje dle výše uvedených zásad v rodinném domku v Praze 4 – Hrnčířích).