Spaľovanie biomasy v teplovodných kozuboch s vysokou účinnosťou

Najprv by som chcel upozorniť, že keď v texte hovorím o kozube, myslím tým teplovodný kozub, ktorého plášť je chladený vykurovacou vodou (teda nie teplovzdušný kozub s vodným výmenníkom až na dymovode) a s akumulačnou nádržou (pretože teplovodný kozub bez nej nemá zmysel), a keď hovorím o kotle, myslím tým klasický kotol, v ktorom sa spaľuje kusové drevo (teda nie drevosplyňovací kotol, ktorý spaľuje na odlišnom princípe, ani paletové horáky) a bez akumulácie (99 % všetkých jestvujúcich inštalácií v ČR), a zdôrazňujem, že proti týmto kotlom nič nemám (spaľujú tiež biomasu), len ich porovnávam s kozubmi. A keď hovorím o biomase, mám tým na mysli predovšetkým kusové drevo, ktoré tvorí cca 99 % paliva v týchto kotloch a kozuboch.

Ak sa kúrenárskych odborníkov opýtate na podmienky spaľovania dreva, dozviete sa, že používanie dreva ako paliva je veľmi komplikované tým, že podiel splyňovaných častí je v ňom veľmi vysoký (vyše 70 %), a preto drevo horí dlhým plameňom a vznikajúce plyny majú navyše rôzne spaľovacie teploty. Podmienkou dokonalého spaľovania dreva je preto vysoká teplota, účinné zmiešavanie so vzduchom, nahrievanie sekundárneho vzduchu a dostatok priestoru na oxidáciu, aby všetky plyny dokonale zhoreli. Preto vo všeobecnosti kotly s väčšími operačnými priestormi spaľujú lepšie než tie malé. Pritom vlhkosť paliva nad 15 % znižuje účinnosť kúreniska a požadovaný výkon týchto bežných kotlov kolísa podľa klimatických pomerov počas vykurovacej sezóny medzi 20 až 110 %, čo však týmto kotlom vôbec nevyhovuje, pretože pri nich nemožno plynulo regulovať prísun paliva v čase, a preto ich výrobcovia nastavujú na konštantný menovitý výkon. Pri všetkých zariadeniach je totiž vždy výhodnejšie, ak ich možno trvalo prevádzkovať v pevnom režime, optimalizovanom a nastavenom už výrobcom, než neustále niečo merať, nastavovať a regulovať.

• Využíva viac primárneho spaľovacieho vzduchu (má vyššiu lambdu, ktorá udáva nadbytok spaľovacieho vzduchu), pretože množstvo vzduchu pod roštom nie je regulované).
• Sekundárny vzduch má dokonca čiastočne nahriaty (berie ho totiž z vykurovanej obytnej miestnosti, teda minimálne s teplotou 23 ^oC, a nie zo studenej kotolne v pivnici), čo nielenže zlepšuje spaľovanie (a tým aj účinnosť kozuba), ale vzhľadom na to, že podľa hygienických noriem treba každé tri hodiny kompletne vymeniť vzduch v obytných miestnostiach, kozub v tomto prípade funguje dokonca navyše aj ako rekuperátor vzduchu, čo nám úplne zadarmo určite pridáva ešte nejaké to percento účinnosti navyše, pretože inak by nám tento ohriaty vzduch bez úžitku unikol pri vetraní von oknom.
• Má väčší spaľovací priestor, teda aj viac miesta na účinné zmiešavanie so vzduchom.
• Jeho výkon je počas celého horenia a počas celej vykurovacej sezóny prakticky konštantný (a nie medzi 20 až 110 % menovitého výkonu ako pri kotle) a kozub navyše pracuje v optime výkonu, emisií aj účinnosti.
• Nemožno v ňom zmysluplne spaľovať iné než naozaj suché drevo (inak nevidno cez sklo na oheň a kozub dymí a smrdí priamo do obývačky).
• Jeho výkon je „regulovaný“ iba časom horenia (buď horí – alebo nehorí, a nie že priložíme menej dreva alebo uzavrieme prívod spaľovacieho vzduchu). Jeho projektovaný výkon preto môže byť oproti kotlu pre rovnaký dom až dvojnásobný, čo opäť prispieva k lepšiemu spaľovaniu.
• Nepotrebuje (aj vďaka väčšiemu priemeru komína a vhodnejšej geometrii kúreniska – plameň smeruje nahor a nie vodorovne ako pri kotloch) žiadny pomocný ventilátor na vstupe alebo na výstupe (ktoré pri kotloch navyše odoberajú rádovo niekoľko desiatok až stoviek wattov elektrickej energie a ďalej tým znižujú ich účinnosť, hoci „len“ o niekoľko percent, o ktoré však dosiaľ žiadny výrobca týchto kotlov deklarovanú účinnosť svojich výrobkov neznížil, čo je zásadná výpočtová chyba).
• A navyše sa nemôže nič rozbiť, nič pokaziť, je to skrátka „blbostivzdorné“ – lebo naopak čím zložitejšie zariadenie, tým vyššia pravdepodobnosť, že sa niečo pokazí. Preto tá obrovská výhoda kozuba, kde jediné, čo treba regulovať, je čas horenia, a to zvládne aj ten najlaickejší majiteľ kozuba.

Nevýhodou kozubov je len väčšia dĺžka plameňa vzhľadom na relatívne nízky výmenník kozuba a väčší objem dymových plynov vďaka vyššej lambde – ale to je práve argument za inštaláciu ďalších dodatočných výmenníkov, ktoré tento nedostatok hravo eliminujú.

Možno teda skonštatovať, že spaľovanie v kozuboch v praxi podstatne lepšie zodpovedá optimálnym podmienkam spaľovania biomasy, len si to zatiaľ nikto nestačil poriadne všimnúť a zo zotrvačnosti sa stále aj na ne aplikujú kúrenárske zvyklosti a zásady platné pre kotly, čo je chyba.

A na jednoduchý dôkaz vyššej účinnosti kozubov dokonca vôbec netreba poznať stechiometrické diagramy spaľovania, každý čitateľ si vystačí s jednoduchými „obchodníckymi“ výpočtami:

Pre názornosť: aj keby kozub pracoval dokonca s lambdou = 3, teda so zhruba trojnásobným množstvom potrebného spaľovacieho vzduchu než ten najkvalitnejší kotol na drevo pri svojom menovitom výkone (a pritom ani plynové kondenzačné kotly to zďaleka ešte nedokážu s lambdou = 1), bude oproti nemu vypúšťať o 100 % viac spalín, ktoré musel ohriať z 25 ^oC na výstupných 115 ^oC (tak to aspoň v praxi celú zimu fungovalo pri mojom kozube s dvoma ďalšími výmenníkmi a bez trojcestného ventilu). Číselne teda 2 M x 90 = 180 M (kde M je jednotkové množstvo spalín, napr. 1 m³, a 90 je rozdiel teplôt spalín pri ich vstupe do kozuba a ich výstupe z kozuba). Na druhej strane ak by sme mali mať pri kotle rovnaké straty spalinami pri ich polovičnom množstve, musíme ich ohriať na dvojnásobný rozdiel teplôt, teda z 5 ^oC (kotol si do obývačky nedáte a v pivnici v zime vyššia teplota nebýva) max. na 185 ^oC (číselne 180 M), čo je celkom bežná situácia pri jeho prevádzke na menovitý (teda vlastne plný) výkon, zvlášť ak spaliny prechádzajú na konci okolo výstupu vody, ktorá má teplotu 90 ^oC.

• plocha výmenníka kotla je podstatne menšia (a predovšetkým kratšia, a drevo predsa horí dlhým plameňom) než pri kozube s dvoma dodatočnými výmenníkmi na výstupe,
• rozdiel teplôt výmenníka pri kotle je 90 – 60 = 30 ^oC, no pri kozube až 105 – 30 = 75 ^oC, a výstupná teplota vody z kotla (90 ^oC) je práve pri výstupe spalín z kotla, takže nemôže ochladzovať jeho spaliny tak účinne, ako pri kozube, kde do jeho výmenníka na výstupe spalín priteká voda s teplotou len 30 ^oC (oproti kotlu ide vlastne o protiprúdový výmenník), pričom oboje podstatne zvyšuje účinnosť výmenníka kozuba oproti kotlu,
• (navyše) dokonalé nové kozuby sú už také sofistikované, že sa nadbytok vzduchu pri nich už príliš nelíši od hodnôt pri kotloch (samozrejme pri menovitom výkone).

Takže keď to všetko spočítame, je každému už na prvý pohľad jasné, že aj pri menovitom výkone má mnou uvádzaný kozub bez problémov väčšiu účinnosť než špičkový kotol na drevo, a ak prevádzkujeme kotol len na čiastočný výkon (čo v praxi robíme počas 95 % dĺžky jeho prevádzkovania), potom môže mať kozub v bežnej prevádzke (keďže vykuruje vždy na menovitý výkon) dokonca aj dvojnásobne vyššiu účinnosť než kotol.

Svoje tvrdenia opieram – vzhľadom na dosiaľ len všeobecne a nejednoznačne spracovanú teóriu – predovšetkým o moje osobné dvojročné praktické skúsenosti, keď som svoj kozub prevádzkoval pri rôznych zapojeniach, teplotách a prietokoch vykurovacej vody, mnohokrát opakovane meral teplotu na vstupoch a výstupoch všetkých troch výmenníkov, starostlivo sledoval 7 snímačov a riadil niekoľko elektroventilov a čerpadiel. Stačil som tak urobiť isto viac než 1000 meraní a až na základe ich vyhodnotenia a výpočtov napísať tieto príspevky.

Výsledkom je, že výkon oboch dodatočných výmenníkov (po 6 bm nerezovej rúrky s priemerom 28 mm, zapojených sériovo) podľa dĺžky plameňa (čo je typické práve pre spaľovanie biomasy) kolísa medzi 25 až 30 % celkového výkonu kozuba do vody, a ak kozub samotný má overenú účinnosť do vody 60 % (a dodatočné výmenníky sú až nad ním), celkový podiel účinnosti tohto kozuba v tomto zapojení do vody je vyše 80 %, pričom podiel účinnosti do vzduchu mi klesol čiastočným zaizolovaním dymovej komory kozuba maximálne o polovicu, teda z 20 na 10 až 15 %, takže celkovú účinnosť tohto kozuba možno s veľkou dávkou istoty odhadovať medzi 90 až 95 % (výstupné dymové plyny, ktoré majú pri kozuboch bežne teplotu vyše 350 ^oC, dokážem týmto zapojením ochladiť až na teplotu 100 až 150 ^oC, pričom zvyšné cca 2 kW komínových strát mi ešte stačia bez problémov vyhriať komín na vytvorenie dostatočného ťahu). Praktickým potvrdením podstatne vyššej účinnosti tohto zapojenia však je, že zatiaľ čo počas minuloročnej zimy som spotreboval vyše 20 prm dreva, počas tohoročnej (omnoho tuhšej) zimy v tom istom kozube len 12 prm – čo hovorí za všetko!

A to som na začiatku ani ja vôbec nepochyboval o tom, že nemožno ísť pod teplotu vratnej vody 60 ^oC, takže aj ja som vo svojom pôvodnom zapojení ponechal trojcestný ventil, ktorý udržuje teplotu vratnej vody do kotla na 60 ^oC. A pretože som aj ja párkrát videl pri kotloch na uhlie kvapky skondenzovanej vody, s obavami som ich vyzeral aj na stenách teplovodného kozuba, keď doň pri zakurovaní z akumulačnej nádrže pritekala voda s teplotou len 30 ^oC. A keď som ich nie a nie objaviť, snažil som sa im pomôcť aj tým, že som vychladil vodu v kozube na 5 ^oC a zakúril. A ono opäť nič! Až potom som našiel tú odvahu a nechal vymontovať ten trojcestný ventil. Keď som videl, ako mi klesla spotreba dreva a nádrž sa vyhrievala rýchlejšie, nechal som si vyrobiť prvý rúrkový výmenník (6 bm rúrky). A keď som si zmeral, že mi šetrí vyše 12 % paliva, nechal som si vyrobiť nad neho ešte druhý (tiež 6 bm rúrky), ktorý – hoci nad tým prvým – má dokonca väčší výkon (15 %, pravdepodobne vďaka lepšej geometrii). A keď sa dnes pozriem na rúrky výmenníka, žiadne stopy korózie tam po kondenzáte nenachádzam.

Ako je to teda možné, keď teória vraj jasne hovorí, že v takom prípade bezpodmienečne musí dôjsť k masívnej kondenzácii so všetkými z toho vyplývajúcimi negatívnymi následkami? Pokúsim sa to preto vysvetliť aj teoreticky. Kondenzácia spalín totiž závisí predovšetkým od teploty stien výmenníkov, a tá závisí predovšetkým od veľkosti tepelného príkonu (zo spalín) a od „tepelnej izolácie“ výmenníkov (teploty vody v nich). Tepelný príkon týchto stien (resp. výmenníkov) je však pri kozuboch vyšší než pri kotloch, a to predovšetkým vďaka ich prevádzkovaniu aj počas prechodnej časti vykurovacej sezóny na (konštantný) vyšší výkon, než pri ktorom sa začína kondenzácia pri bežných kotloch v dôsledku ich prevádzkovania počas polovice vykurovacej sezóny iba na okolo 20 % ich nominálneho výkonu. A ak k tomuto horšiemu spaľovaniu pri kotloch pripočítame ešte aj vplyv používania paliva s vyššou vlhkosťou a pri nedostatku vzduchu (teda lambde dokonca nižšej ako 1!), sú – aspoň podľa mňa – podmienky na zamedzenie kondenzácie pri kozuboch možno až o rád lepšie než pri kotloch. Preto pri kotloch, ak znížime teplotu vratnej vody pod 60 ^oC (teda ich „tepelnú izoláciu“), môže k tejto kondenzácii u nich ľahko dôjsť, zvlášť v prechodnom období (na jar alebo v jeseni), keď sa pri nich kombinujú všetky uvedené nepriaznivé účinky. To však vôbec nemusí automaticky znamenať (a ako napokon potvrdzuje v mojom prípade aj prax, ani to vôbec neznamená), že to isté platí aj pre kozuby, kde sa uvedené nepriaznivé podmienky spôsobujúce kondenzáciu nielenže nekombinujú, ale dokonca ani neprejavujú.

Podrobné výpočty a úsudky totiž jasne dokazujú, že nebezpečenstvo kondenzácie nehrozí ani kozubom s 95 % účinnosťou, teda s podstatne zníženou teplotou vratnej vody (nieto ešte tým horším, s vyššou teplotou vratnej vody a tým aj nižšou účinnosťou), čo sa naopak vôbec nedá tvrdiť ani o tých najlepších kotloch na drevo, a ich výrobcovia isto veľmi dobre vedia, prečo pri nich tak nekompromisne trvajú na minimálnej teplote vratnej vody 60 ^oC.

Názor odborníkov je jednoznačný – aj keby spaliny nejakým zázrakom nekondenzovali už v kozube, predsa musia skondenzovať aspoň v komíne, kde sa ešte viac ochladia, to je predsa logické. Takže sa na to pozrime podrobnejšie.

Vznik kondenzácie spalín v komíne tiež závisí predovšetkým od teploty vnútorných stien komínového prieduchu, ktorá závisí predovšetkým od veľkosti tepelného príkonu (zo spalín) a od tepelnej izolácie komína, a k jej zamedzovaniu sa pri znižovaní teploty spalín (kvôli zvýšeniu účinnosti) dosiaľ pristupovalo obmedzenou cestou zlepšovania tepelnej izolácie komínového prieduchu. Presný výpočet však ukazuje aj inú cestu. Budem pri ňom vychádzať pre názornosť z projektu môjho domu, ktorého výpočtové tepelné straty sú cca 8 kW, a budem predpokladať, že polovicu dní vykurovacej sezóny sa vykuruje s výkonom 0 až 4 kW a druhú polovicu s výkonom 4 až 8 kW.

20 kW kotol na drevo tak polovicu vykurovacej sezóny (na jar a v jeseni, teda počas 100 až 150 dní v roku) vykuruje s výkonom max. 4 kW, čo je max. 20 % z menovitého výkonu tohto kotla (číselne 4 : 20 = 0,2). Účinnosť tohto kotla pri jeho zaťažení pod 20 % bude nepochybne nižšia ako 50 %, teda výkonovo nižšia ako 2 kW (číselne 4 x 0,5 = 2), zvyšok, teda max. 2 kW (ak neuvažujem straty spôsobené neúplným spaľovaním) sú komínové straty. A ak tento výkon rozpočítame na m² plochy komínového prieduchu (teda presne na to, čo vlastne ohrievame) s priemerom 160 mm (porov. napr. kotly Verner) a dĺžkou 8,5 m (od pivnice až nad hrebeň strechy, vyústenie z kotla do komína pre istotu vo výške 1400 mm nad podlahou), potom nám vyjde jeho tepelný výkon do komína max. 0,47 kWm^-2 (číselne 2 : (Pí x 0,16 x 8,5) = 0,47). A to by som ešte správne mal počítať s menovitým výkonom tohto kotla 25 kW, ktorý lepšie zodpovedá výkonu pôvodného 20 kW plynového kotla, ktorý nemusí mať prirážku na prerušované vykurovanie, čo by výsledok ešte viac znížilo.

A teraz urobme ten istý výpočet pre kozub Aquatondo 29 s menovitým výkonom 33,6 kW. Oproti kotlu môj kozub vykuruje počas celej sezóny na plný menovitý výkon (hoci len od 12 hodín raz za dva dni až po 8 hodín raz za päť dní). Ak jeho účinnosť odhadnem na 95 % (a ak je nebodaj nadsadená, tým lepšie pre tento výpočet), zostáva na komínové straty cca 5 %, čo je 1,68 kW (číselne 33,6 x 0,05 = 1,68). Ak tento výkon rozpočítam na m² plochy komínového prieduchu, ktorý má v tomto prípade síce väčší priemer (200 mm), ale na druhej strane podstatne menšiu dĺžku (len 5,5 m – o 1 podlažie, pretože nie je v pivnici, ale na prízemí, a navyše zaústenie kozuba býva oproti kotlu min. 2 m nad podlahou), potom nám vyjde tepelný výkon do jeho komína na min. 0,486 kWm² (číselne 1,68 : (Pí x 0,2 x 5,5) = 0,486).

Ak teda porovnáme kotol a kozub z hľadiska vyhrievania komína (a práve o to nám v tomto prípade ide), potom možno s úplnou istotou skonštatovať, že väčšinu vykurovacej sezóny je na tom kozub lepšie (0,486 pri kozube oproti 0,47 pri kotle, čo je min. o 3 % viac). Pritom však zdôrazňujem, že som pri týchto výpočtoch bol, slovami stavbárov, vždy na strane vyššej bezpečnosti. V skutočnosti totiž býva pivnica vyššia než mnou uvažovaných 2,2 m a zaústenie kotla nižšie než uvažovaných 1400 mm, takže dĺžka komína pre kotol sa potom zvýši na min. 9 m, navyše kotol na drevo by mal mať správne projektovaný výkon ešte väčší než 20 kW kvôli prirážkam, teda ešte menší stupeň využitia, a jeho tepelný výkon do komína sa tu uvádza ako maximálny, v skutočnosti je však v intervale od min. cca 0,2 kWm^-2. V tomto prípade potom výpočtom dôjdeme až na údaj od 0,2 do 0,44 kWm^-2 pri kotle oproti konštantným 0,486 kWm^-2 pri kozube počas celého času jeho prevádzky, čiže kozub potom v tomto porovnaní ohrieva komínový prieduch oproti kotlu v najhoršom prípade minimálne o 10 % viac, bežne však aj o vyše 100 % viac. Takže nielen izoláciou komína možno zabrániť kondenzácii spalín v ňom, ale napr. aj používaním kozubov namiesto kotlov.

Obdobne som na odporúčanie odborníkov – kúrenárov kúpil po zlých skúsenostiach z prvej zimy, keď mi kozub pri prikladaní dymil aj do obývačky, komínový ventilátor, pretože podľa nich sa táto situácia mala ešte viac zhoršiť, keď vychladím spaliny na podstatne nižšiu teplotu a znížim tým vraj ťah komína. Nakoniec som napriek všetkým varovaniam nemusel tento ventilátor vôbec nainštalovať, pretože už mi do obývačky nič nedymí, a to aj napriek montáži dvoch ďalších výmenníkov a užšieho než odporúčaného priemeru komína! Svoju rolu tu pravdepodobne hrá zníženie objemu spalín ich vychladením na polovičnú teplotu a tým ich ľahší transport komínom aj pri menších rýchlostiach, pri ktorých stačí dostatočne účinne odovzdávať svoju tepelnú energiu plášťu komína.

Tieto výpočty jasne dokazujú, že nebezpečenstvo kondenzácie či zníženia ťahu v komíne rozhodne nehrozí ani kozubom s vysokou účinností (nieto ešte tým horším), zatiaľ čo aj tým najlepším kotlom na drevo minimálne počas polovice vykurovacej sezóny áno.