Vytápění biomasou v rodinných domcích s účinností přes 110% - sen a nebo realita?

Současné špičkové kotle na dřevo dosahují účinnosti od 80 % do maximálně 88 % při splnění emisní normy 3. třídy dle ČSN EN 303-5. Takové kotle 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 z SFŽP). Nikdo si však dosud plně neuvědomil, že vyžadované parametry platí pouze při trvalém provozování těchto kotlů v úzké oblasti jejich jmenovitého výkonu a to ještě jen s doporučeným kvalitním palivem.

Skutečnost v praxi je však diametrálně jiná. Konkrétně např. každý běžný rodinný dům 6+1 v Praze musí být projektován na minimální celodenní průměrnou venkovní teplotu -12 °C, ze které vycházejí jeho tepelné ztráty ve výši cca 10 kW za hodinu. K tomu je však třeba přičíst přirážku na zátop ve výši 30 až 50% (pro případ, že se obyvatelé vrátí ze zimní dovolené do nevytopeného domku), a ještě dalších 3 až 5 kW na příkon výměníku pro teplou užitkovou vodu. Kotel s nejbližším vyšším výkonem tak vychází na min. 20 kW, většina výrobců však obvykle nabízí tyto kotle až od výkonu 25 kW výše.

A jaká je skutečná potřeba tepla tohoto domku? V Praze je za posledních 40 let průměrná teplota v zimních měsících kolem 0 °C, v celé topné sezoně (cca 250 dní) pak několik stupňů nad nulou a ani v letošní zimě, kdy padaly 40leté rekordy, nikdy průměrné teploty nedosáhly oněch projektovaných -12 °C. Z toho všeho tedy plyne, že na jmenovitý výkon může být tento, dle závazných předpisů dimenzovaný kotel provozován maximálně jeden den za tisíc let (k tomu je totiž třeba se trefit do kombinace, že se obyvatelé vrátí ze zimní dovolené do vymrzlého domku právě v den, kdy průměrná teplota bude -12 °C, a ta je v Praze jednou za sto let, a k tomu ne každý obyvatel lyžuje)! A pouze v tento jediný den bude tento kotel pracovat s onou vysokou účinností a výbornými emisemi, pokud ovšem bude spalováno kvalitní suché dřevo s vlhkostí pod 20 %, což je většinou též jen iluze.

Z výše uvedeného plyne, že v reálném životě takto dle předpisů správně dimenzovaný kotel pracuje v průměru pouze na 20 až 25 % svého jmenovitého výkonu (pouze 5 kW místo 20 až 25 kW), tedy s účinností rozhodně pod 50 % (při nižších teplotách ohniště a nedostatku spalovacího vzduchu v důsledku přivření regulační klapky se účinnost každého kotle rapidně snižuje) a s emisemi nejméně o řád horšími (i kvalitní suché dřevo při nedokonalém spalování 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 tragickým omylem, že právě na takové kotle vyplácejí mnohé evropské země, včetně ČR, ještě státní dotace!

Lze tedy vůbec spalovat biomasu v rodinných domcích s vysokou (nejlépe dvojnásobnou) účinností a 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 šokuje, že je to možné právě jen v teplovodních krbech! Krby totiž nemají z dřívějška zrovna dobrou pověst úsporných tepelných spotřebičů, když u těch otevřených se účinnost spalování pohybovala kolem 10 až 20 %, u uzavřených pak až 60 %, a ani u těch nejnovějších teplovodních při jmenovitém výkonu nepřesahuje 80 % (např. AQUATONDO 29, z toho 60 % do vody a 20 % sáláním). Jejich nevýhodou navíc je, že je nelze v praxi provozovat nepřetržitě, neboť po pár hodinách vyhasnou a celou noc nikdo nebude chodit přikládat. 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 krb oproti kotlům pracuje trvale na jmenovitý výkon (tedy s vysokou účinností 80 % a s nízkými emisemi), ale může být dokonce bez problémů předimenzován ještě více jak kotel (geometrie většího ohniště oproti kotli navíc zajišťuje i vyšší účinnost).

Samozřejmě že s akumulací (a tedy též trvale při jmenovitém výkonu) může být provozován i běžný kotel, kdo by ale podle budíku (jinak nepozná, kdy má přiložit) chodil každou hodinu (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 přes skleněná dvířka 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 krbu, není nezbytná, takže žádný ekonomicky uvažující obyvatel to neudělá. Navíc krbové soustavy oproti kotlům je nutno provozovat s menším tlakem, což ale paradoxně umožňuje použití nízkotlakých akumulačních zásobníků, které jsou podstatně lehčí a levnější.

Další procenta účinnosti získáme u krbu tím, že zapomeneme na základní topenářskou zásadu a vynecháme termostatický trojcestný ventil, který má zajišťovat teplotu vratné vody do kotle minimálně 60 °C, aby v něm nedocházelo ke kondenzaci vody a tím k nízkoteplotní korozi. Tato zásada s určitostí platí jak pro kotle na uhlí (kde navíc díky síře v uhlí tam vzniká kyselina sírová, která záhy zničí kotel), tak pro kotle na dřevo (které by při nedostatku vzduchu dehtovaly), ale vůbec už neplatí pro 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 na rozdíl od kotlů pracují vždy s výrazným přebytkem vzduchu (nelze je totiž zcela utlumit přiškrcením vzduchu jako kotle), tedy s lambdou (udávající přebytek spalovacího vzduchu) kolem 3, což způsobuje, že rosný bod jejich spalin je v každém případě pod teplotou 30 °C, takže vůbec není nutné se obávat nějaké kondenzace. Zatímco u normálního kotle tak dole vtéká vratná voda o teplotě 60 °C a nahoře vytéká 90 °C, tak u krbu může dole vtékat vratná voda z akumulačního zásobníku 30 °C a nahoře vytékat teplá 70 °C. To má za následek nejen vyšší výkon krbového výměníku (vyšší teplotní spád), ale především vyšší vychlazení spalin na výstupu z krbu (při stejném výkonu krbu, tedy při ohřátí vody o 30 °C dokonce jen 60 °C místo 90 °C u kotle) a tím podstatné zvýšení účinnosti o cca 10 % na úkor komínových ztrát.

Tento proces však můžeme u 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 kouřové plyny dostanou v tomto výměníku do kontaktu s vratnou vodou o teplotě dokonce jen kolem 40 °C, čímž dojde k podstatnému zvýšení účinnosti krbu o dalších 10 %. Sálavá složka se tím zároveň sníží na 15 %, takže nedochází k přetápění obývacího pokoje. Při použití kaskády dvou výměníků se lze tak dostat dokonce až na teplotu vody 35 °C z výstupu tohoto výměníku a na celkovou účinnost tohoto krbu až přes 95 %.

Další zisky vznikají díky tomu, že je krb umístěn vždy ve vytápěném prostoru a ne ve sklepě, takže oproti kotli využijeme plně i jeho ztráty konvexí (prouděním, tedy nejen sáláním přes sklo), což jsou ještě další 2 %, která by jinak zůstala bez užitku ve sklepě. Abychom se však dostali na účinnost 100 %, museli bychom umět vychladit spaliny na 25 °C, a to přes veškerou snahu v praxi nelze, takže 3 % nám zmizí komínem. Přes účinnost krbu 97 % se tak již ale v žádném případě dostat nemůžeme.

A kde je tedy těch slíbených posledních 13 % do 110 % ? V palivu, a nepůjde již o účinnost krbu (která u žádného zařízení nemůže být vyšší než 100 %), ale o stupeň využití paliva (obdobně, jako tento pojem používáme u kondenzačních plynových kotlů). Zatímco při spalování zemního plynu k dalším tepelným ziskům využíváme nově i kondenzačního tepla spalin (tím, že vysrážíme ze spalin vodu, která vznikla chemickým procesem při jeho spalování), u krbů tento jev využít nemůžeme – jednak 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 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. Výhřevnost dřeva se totiž běžně uvádí při jeho vlhkosti kolem 25 % (za rok po kácení, když syrové má kolem 50 %), kdy má výhřevnost kolem 13 MJ/kg. Pokud toto dřevo necháme však schnout ještě další rok, dostaneme se na 15 % vlhkosti a tím zvýšíme jeho výhřevnost na 15 MJ/kg, tedy o 15 % . A tak se konečně tedy bez jakékoliv další práce (chce to jenom si počkat) dostaneme na onu v nadpisu avizovanou účinnost (přesněji stupeň využití paliva) přes 110 %.

A proč to tak tedy nedělají i majitelé kotlů? Jak jsme již uvedli výše, v kotlích shoří všechno včetně mokrého dřeva, takže jejich uživatelé si s vlhkostí dřeva hlavu nelámou (a na předpisy kašlou), 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 (o kelímcích od jogurtů nemluvě), jinak se mu sklo velmi rychle začoudí. A navíc topit jen kvalitním listnatým dřevem (to především kvůli hluku z praskání), které je bez pryskyřic, takže jeho spalováním vznikají čistší emise než u jehličnatého dřeva (při spalování pryskyřic vznikají navíc i aromatické uhlovodíky).

Z výše uvedeného plyne, že pro efektivního spalování zdaleka nejsou nejdůležitější jen technické parametry kotle (a už vůbec ne ty 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 energií bude pouze čtvrtinová!

A to nejlepší nakonec: Pokud si někdo i nadále ještě myslí, že v tomto našem návrhu jde jen o neskutečný sen, o pouhou teorii a ne realitu, stačí přijet se podívat na toto zařízení do rodinného domku v Praze 4 – Hrnčířích, kde bezproblémově funguje celou zimu dle výše uvedených zásad, a dokonce si může dotykovým teploměrem vše osobně přeměřit (z těchto důvodů je zatím ještě vše odkryté a nezaizolované – viz foto). A navíc uvidí i ten zázrak, jak se do běžné garáže o rozměrech 3 x 5,5 metru vejde nejen akumulační zásobník pro 2500 litrů vody o průměru 1,4 m, ale i nadále velký automobil s délkou přes 5 metrů. Zásobník samozřejmě využívá jednoduché a levné zařízení k vrstvení vody a naopak nepoužívá dnes tolik doporučovanou, ale nesmyslnou, komplikovanou a drahou ekvitermní regulaci topné vody. Uvidí současně i to, jak lze zvýšit tepelnou kapacitu tohoto akumulačního zásobníku zdarma o 25 % jeho bezproblémovým provozováním při teplotách až 105 °C (zatímco normální kotle pracují max. s 90 °C), či jak lze nahradit obrovské a drahé expanzní nádoby (dle normovaného výpočtu přes 440 litrů při zvětšení objemu vody o 117 litrů) jen těmi nezbytně nutnými a levnými pro 120 litrů. A naší výhodou je, že můžeme lehce a s jistotou porovnat rozdíly oproti klasickému zařízení a zapojení, které dodala renomovaná firma a které bylo provozováno ve stejném objektu v loňském roce, a které spotřebovávalo dvojnásobek paliva. Nyní stačí pouhých 8 hodin topení v krbu na jmenovitý výkon cca 30 kW (do vody, díky dodatečným 2 výměníkům) naakumulovat dostatek energie, takže další den ani při těch největších mrazech není třeba již v krbu topit.

Efekt předkládaného projektu pro úspory energií a snížení škodlivých emisí včetně CO₂ je ve své komplexnosti skutečně obrovský a nemá v současnosti v celé Evropě obdoby. Přitom jeho realizace je možná okamžitě a navíc ani nepředpokládá žádné další výdaje států.

Tento článek byl publikován v rámci spolupráce redakce časopisu Alternativní energie a CZ Biom.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu