1. Úvod

Kdyby se s tím nebylo možné setkat, tak by tomu nikdo nevěřil. Například krásný nový moderní automatický kotel na dřevěné pelety, nový komín a kotel nefunguje, neustále padá do poruchy. Po telefonu sdělená jen základní data vložená do dále popsaného orientačního výpočtu komínu ukazují, že kotel za daných podmínek bez poruchy ani fungovat nemůže. A přesto má provozovatel na sestavu kotel – spalinová cesta kladnou revizní zprávu. Jak je to vůbec možné?

Když i v oboru zpracovatelů revizních zpráv spalinových cest mohou působit prakticky beztrestně neodborníci, pak je žádoucí, aby i laická veřejnost schopná provádět jednoduché matematické úkony se základním pochopením problematiky, měla množnost si alespoň orientačně ověřit, zda jejich komín a uvažovaná kamna či kotel plní základní předpoklady.

Tento článek si proto klade za cíl osvětlit především laické veřejnosti problematiku nutných výpočtů v rámci návrhu spalinové cesty (komínu), a to především pro spotřebiče na pevná paliva s atmosférickým odvodem spalin (bez použití ventilátoru), tedy např. krbová kamna, krbové vložky, kotle na pevná paliva apod.

Požadavky na komíny rostou

Během poslední dekády, v letech 2010 až 2020, došlo k významným změnám v technologii provádění staveb obecně, ale staveb pro bydlení zvláště. Mimo jiné došlo k uzavření obálky budovy při současném snížení energetických nároků. Změnily se tedy podstatným způsobem i požadavky na energii pro vytápění objektů, a to jak z hlediska množství, tak z hlediska regulovatelnosti. I za těchto podmínek zůstávají zdroje získávající energii spalováním stále mezi nejpoužívanějšími, jak v pozici hlavního zdroje (kotel, krb s výměníkem, …), tak v pozici zdroje doplňkového nebo záložního (krbová vložka nebo kamna).

Vzhledem k tomu, že se jedná o zdroje spalovací, je vždy s jejich instalací spojena i realizace spalinové cesty, tedy odvodu spalin a přívodu spalovacího vzduchu, přičemž pro dosažení ideálních provozních podmínek připojeného spotřebiče je nezbytně nutné provedení spalinové cesty optimalizovat. Na tuto optimalizaci nelze aplikovat dříve hojně používané poučky nebo tabulky, které v principu vycházely ze zcela odlišných provozních i okolních podmínek. V současné době je tedy legislativně (např. vyhl. 268/2006 Sb. nebo zákon 133/1985 Sb. v aktuálním znění) zakotvena povinnost stavebníka (majitele nemovitosti) zajistit před zprovozněním spotřebiče revizní zprávu spalinové cesty, přičemž z další legislativy (vyhl. 34/2016 Sb., EN 15 287, ČSN 73 4201) lze dovodit, že součástí této zprávy musí být normovaný výpočet, provedený v principu dle EN 13 384.

Projektanti, kominíci a revizní technici používají pro výpočet specializovaný software, který ale není obecně určen pro laickou veřejnost. Přesto dochází v poslední době ke zvýšenému zájmu o tuto problematiku právě mezi laickou veřejností a není proto bez zajímavosti přiblížit alespoň základní principy tohoto výpočtu, které umožní, velice, a zdůrazňuji ještě jednou, velice orientačně zjistit základní funkčnost a případnou optimálnost, nebo naopak potenciální rizikovost provedení spalinové cesty, a tedy přeneseně celé vytápěcí soustavy.

Podmínky výpočtu podle normy

Dle zmíněné normy ČSN EN 13 384 se výpočet spalinové cesty provádí ve třech základních oblastech:

• splnění tlakové podmínky (zajištění dostatečného „komínového tahu“)

• splnění teplotní podmínky (zajištění dostatečné teploty spalin zabraňující kondenzaci)

• splnění podmínky minimálního průtoku (zajištění minimální rychlosti proudění spalin).

Navíc by měl být proveden základní výpočet z hlediska požární ochrany:

• dodržení maximální teploty volného povrchu.

A tam, kde není pro dané provozní podmínky k dispozici systémové řešení ještě:

• simulace teplotního pole v prostupu komínu obálkou budovy.

Zjednodušeně lze říci, že výpočtem tlakové podmínky získáme minimální účinnou výšku komínu, výpočtem průtoku maximální průměr komínu a výpočtem teplotní podmínky minimální tloušťku izolace komínu.

Z hlediska základní, maximálně zjednodušené orientace při návrhu spalinové cesty se obvykle počítají pouze výška a průměr komínu, a to z tlakové a průtokové podmínky.

Jak tedy tyto základní parametry orientačně stanovit?

2. Výpočet výšky komínu z tlakové podmínky

Pro tento výpočet potřebujeme znát minimálně základní parametry připojeného spotřebiče:

• teplotu spalin [°C]

• minimální požadovaný tah komínu předepsaný výrobcem [Pa]

Vyjdeme ze vzorce pro výpočet disponibilního „statického“ tahu, tedy maximálního podtlaku v komínu vyvolaného prouděním spalin díky jejich vyšší teplotě a tedy nižší hustotě (objemové hmotnosti) ve srovnání s okolním prostředím:

P_st = h . g . Δρ (1)

 

 

kde je

P_st

disponibilní statický tah komínu [Pa]

h

účinná výška komínu (od připojení spotřebiče po ústí) [m]

Δρ

rozdíl měrných hustot spalin a okolního vzduchu [kg/m³]

g

tíhové zrychlení [m/s²]

 

 

a pak je tedy

Δρ = ρ_vzduchu − ρ_spalin (2) [kg/m³]

 

 

Odvozením z (1) a dosazením z (2) získáme orientační vztah pro minimální účinnou výšku komínu:

h_min =  P g . (ρ_vzduchu − ρ_spalin) (3)

 

 

do kterého můžeme následně dosadit:

g = 9,81 [m/s²]
ρ_vzduchu = 1,20 [kg/m³]
ρ_spalin = pro teplotu cca 150 °C = 0,85 [kg/m³]
ρ_spalin = pro teplotu cca 200 °C = 0,75 [kg/m³]
ρ_spalin = pro teplotu cca 250 °C = 0,68 [kg/m³]
ρ_spalin = pro teplotu cca 300 °C = 0,62 [kg/m³]
ρ_spalin = pro teplotu cca 350 °C = 0,57 [kg/m³]
ρ_spalin = pro teplotu cca 400 °C = 0,53 [kg/m³]
P = min. komínový tah dle předpisu výrobce, nejčastěji v rozsahu 10 až 15 [Pa]

 

 

Například ve výpočtu pro krbová kamna Romotop ALPERA, u kterých výrobce deklaruje požadavek na tah 12 Pa a teplotu spalin na hrdle 332 °C (volíme střední hodnotu mezi 0,62 a 0,57 kg/m³) a můžeme dosadit:

h_min =  P g . (ρ_vzduchu − ρ_spalin)  =  12 9,81 . (1,20 − 0,60)  = 2,04 [m]

 

 

Pro výpočet byla použita hodnota 332 °C, což je výrobcem deklarovaná teplota spalin za hrdlem spotřebiče. Alternativně by bylo možno použít rovněž průměrnou teplotu spalin deklarovanou výrobcem 247 °C, což způsobí, že finálně vyjde vyšší minimální účinná výška. Konkrétně se při změně teploty změní hustota spalin z  0,60 na 0,68 [kg/m³], což v uvedeném případě znamená, že se změní vypočítaná h_p (minimální provozní výška) z 3,40 m na 3,92 m. O tom, kterou hodnotu zvolit, je možné diskutovat. Většina výrobců však uvádí hodnotu jen jednu. V případě orientačního výpočtu je možno zvolit kteroukoliv, nebo spočítat obě alternativy.

Výsledek vypadá „zajímavě“, ale zvídavější čtenář má určitě pochybnosti – a oprávněně. Uvedený výpočet platí totiž pouze pro hypotetický a v praxi nerealizovatelný stav, kdy všechno funguje bez ztrát. Získali jsme tedy pouze limitní hodnotu s vypovídací hodnotou asi v tom smyslu, že komín s nižší účinnou výškou fungovat nebude nikdy. Do vzorce [3] tedy musíme doplnit tlakové ztráty:

h_provozní =  P_minimální + P_ztráty g . (ρ_vzduchu − ρ_spalin) (4)

 

 

kde je

P_minimální

min. komínový tah dle předpisu výrobce spotřebiče [Pa]

P_ztráty

celkové tlakové ztráty [Pa]

 

 

Do ztrát přitom zahrnujeme veškeré tlakové ztráty ve vedení přívodu vzduchu, ve spotřebiči, kouřovodu a odvodu spalin. Velice zjednodušeně můžeme tlakové ztráty rozdělit do čtyř skupin:

• ztráty místními odpory – každý prvek (trubka, koleno, výměník, redukce, klapka, atd …) má výrobcem nebo tabulkově definovanou hodnotu ztráty buď přímo formou tlakové ztráty v [Pa] nebo formou součinitele místního odporu (zeta) [–].

• ztráta tlakovou diferencí mezi přívodem vzduchu a odvodem spalin – vzniká v situaci, kdy v prostoru přívodu spalovacího vzduchu je jiný tlak než atmosférický (vně stavby). Tato situace nastává nejčastěji v případě, že spalovací vzduch je přiváděn z interiéru budov a jeho tlak může být ovlivněn dalšími spotřebiči (ventilátory, digestoř, rekuperace, …).

• ztráta třením – vzniká jako vnitřní ztráta při proudění spalin. Primárně je závislá na rychlosti proudění, průměru komínu a součiniteli tření.

• ztráta na vertikálním vedení – týká se především ztráty vzniklé „komínovým efektem“ v případě vertikálního přívodu spalovacího vzduchu. Ztráta se pak vypočte dle [1].

Celkový výpočet ztrát je v konkrétní situaci poměrně složitý a v praxi se proto využívá softwaru, kde jsou jednotlivé tabulkové hodnoty již předdefinovány a postačí tedy zadat konstrukční parametry konkrétní spalinové cesty.

Pro obvyklé domovní spotřebiče (krby, kamna, vložky, kotle) s horizontálním přívodem vzduchu z exteriéru lze zjednodušeně odhadnout celkové tlakové ztráty na 4 až 8 [Pa]. Při vertikálním přívodu vzduchu je nutné tlakovou ztrátu dále navýšit buď výpočtem ztrát vertikální části vedení dle (1), nebo u běžných rodinných domů přičíst cca 1 Pa na každý metr vertikálního vedení.

Vraťme se tedy ke konkrétní situaci, kdy jsme výpočtem stanovili minimální účinnou výšku komínu 2,04 m a doplňme ztráty odhadem např. 8 Pa:

h_provozní =  P_minimální + P_ztráty g . (ρ_vzduchu − ρ_spalin)  =  12 + 8 9,81 . (1,20 − 0,60)  = 3,40 [m]

 

 

Finálním výsledkem, spíše tedy kvalifikovaným odhadem, je zjištění, že pro daný spotřebič Romotop ALPERA potřebujeme komín s minimální účinnou výškou cca 3,4 m.

3. Výpočet dimenze (průměru) komínu z podmínky průtoku

Pro tento výpočet potřebujeme znát minimálně další parametr připojeného spotřebiče, a to:

• hmotnostní průtok spalin [g/s]

Tento parametr udává výrobce každého zařízení ve svých technických listech a lze z něj vypočítat objem spalin dosazením do vzorce:

V_spalin =  V_hmotnostní ρ_spalin (5) [m³/s]

 

 

kde je

V_hmotnostní

  hmotnostní průtok spalin udávaný výrobcem spotřebiče [g/s]

ρ_spalin

  měrná hustota spalin [g/m³] !!!

 

 

V tomto případě je třeba věnovat zvýšenou pozornost jednotkám, protože výrobci spotřebičů udávají hmotnostní průtok i v [kg/hod], [kg/s] občas i [g/hod]. K přepočtu mezi jednotkami hmotnostního průtoku lze použít pomůcku Převodník jednotek na TZB-info.

V případě, že by údaj o hmotnostním průtoku spalin nebyl z jakéhokoliv důvodu k dispozici, lze při výpočtu objemu spalin vyjít z tabulkových hodnot udávajících objem spalin na jednotku paliva. Tyto tabulky jsou k dispozici v hojném množství na internetu, a přestože se hodnoty často liší, obvykle vedou ke smysluplnému výsledku. Pro výpočet se pak použije jednoduchý vzorec:

V_spalin =  V_jednotkový . m 3600 (6) [m³/s]

 

 

kde je

V_jednotkový

objem spalin vzniklých spálením jednotkového množství paliva (nejčastěji vztaženo na kg) [m³/kg]

m

množství paliva spotřebovaného za hodinu provozu [kg/hod]

 

 

Pozn.: Pro kusové dřevo je poměrně často používána jednotková hodnota 15 [m³/kg], tedy 15 m³ spalin vzniklých spálením 1 kg dřeva.

Pro výpočet plochy průduchu komínu pak můžeme použít základní vzorec pro rychlost proudění:

v =  V_spalin S (7) [m/s]

 

 

kde je

v

rychlost proudění spalin [m/s] – dle ČSN 73 4201 min. 0,5 m/s

V_spalin

objem spalin, který jsme vypočítali [m³/s]

S

plocha komínového průduchu [m²]

 

 

Vzhledem k tomu, že neznámou a námi hledanou veličinou je plocha, upravíme vzorec (7):

S =  V_spalin v (8) [m²]

 

 

Jako výsledek již obdržíme plochu průduchu komínu, ze které můžeme při znalosti jeho tvaru vypočítat rozměry. Vzhledem ke skutečnosti, že nejčastější tvar komínového průduchu je kruh (čtverec se dá na kruh hydraulicky přepočítat), upravíme vzorec pro výpočet plochy kruhu do tvaru, kdy neznámou je poloměr tohoto kruhu, tedy:

(9) [m]

 

 

kde je

d

průměr komínu [m]

S

plocha průduchu [m²]

π

Ludolfovo číslo – 3,14 [–]

 

 

Pokud se vrátíme k praktickému příkladu krbových kamen Romotop ALPERA dle předchozího výpočtu, můžeme použít další údaje v technickém listu spotřebiče – např. hmotnostní průtok 6,4 [g/s] nebo spotřebu dřeva 2 [kg/hod].

Po dosazení do rovnice (5) získáme objem spalin (POZOR – v hmotnostním průtoku používáme gramy, takže i hustota spalin musí být dosazena v gramech):

V_spalin =  V_hmotnostní ρ_spalin  =  6,4 600  = 0,0107 [m³/s]

 

 

Můžeme rovněž provést „kontrolu“ výpočtem dle (6):

V_spalin =  V_jednotkový . m 3600  =  15 . 2 3600  = 0,0083 [m³/s]

 

 

Pokud máme k dispozici obě hodnoty, jako v uvedeném případě, volíme pro další výpočet tu vyšší, v našem případě tedy 0,0107 m³/s.

Nyní již dosadíme vypočítaný objem spalin do vzorce (8), přičemž použijeme hodnotu rychlosti proudění v = 0,5 m/s dle ČSN 73 4201 jako limitní nejnižší povolenou:

S =  V_spalin v  =  0,0107 0,5  = 0,0214 [m²]

 

 

Tím jsme vypočítali plochu průduchu, ze které dle vzorce (9) spočítáme maximální průměr komínu:

[m]

 

 

POZOR – vzhledem ke skutečnost, že jsme ve výpočtu použili minimální normovanou rychlost proudění spalin, je výsledný spočítaný průměr maximálním možným!!

Poměrně jednoduchým výpočtem jsme se tedy dobrali výsledku, že pro námi definovaný spotřebič Romotop Alpera je vhodné navrhovat komín s účinnou výškou větší než 3,4 m a s průměrem vnitřní vložky menším než 160 mm.

POZNÁMKA: V případě, že tímto orientačním výpočtem vyjde dimenze menší než je spalinové hrdlo spotřebiče nebo menší než 140 mm pro pevná paliva (kusové dřevo, uhlí), je spalinová cesta legislativně NEVYHOVUJÍCÍ. V tomto případě je nutné volit průměr komínu roven větší z těchto dvou hodnot (spalinové hrdlo nebo DN 140) a provést kompletní normovaný výpočet dle ČSN EN 13 384. Pokud ani tento výpočet nevyjde, nelze daný spotřebič připojit.

4. Výpočet teplotní podmínky

Při praktickém návrhu komínu se počítá ještě podmínka teplotní, která zjednodušeně požaduje, aby teplota spalin vzniklých spalováním daného paliva byla po celé délce spalinové cesty vyšší než teplota rosného bodu těchto spalin. Výskyt kondenzace zásadně limituje výběr konstrukce komínového systému.

Výpočet teplotní podmínky je poměrně složitý, a tudíž nad rámec tohoto článku. Nicméně obecně lze říci, že:

• čím bude vyšší teplota spalin, tím spíše bude podmínka splněna

• čím je komín lépe izolován (plášť má větší tepelný odpor), tím lépe bude splněna teplotní podmínka

• čím je komín delší, zejména v nevytápěném prostoru (nad střechou), tím obtížnější bude splnění teplotní podmínky

• čím vyšší bude rosný bod spalin, tím obtížnější bude splnění teplotní podmínky – nejnižší rosný bod mají pelety cca 35 °C, následuje kusové dřevo cca 45 °C a nejvyšší má hnědé uhlí, podle obsahu síry obvykle 80 až 130 °C.

Z uvedeného je patrné, že teplotní podmínka je, tak říkajíc protikladem podmínky tahové, protože čím je komín vyšší, tím lépe vychází podmínka tahová, ale zhoršuje se podmínka teplotní.

Současně je z hlediska bezpečnosti podmínkou limitní, protože při spalování pevných paliv (zejména uhlí) vytváří kondenzát potenciálně nebezpečné směsi a sloučeniny (nevzniká jen voda, případně kyseliny jako při spalování zemního plynu).

Je proto fatální chybou, že někdy není výpočet teplotní podmínky prováděn. Pro faktickou složitost, jak výpočtu, tak správné volby zadávacích dat, není ani takový výpočet obsažen v některých softwarech. V tom případě není splněna základní legislativní podmínka, tedy kompletní výpočet v rozsahu dle ČSN EN 13 384 a i podrobněji provedený výpočet, než je v tomto článku, musí být považován pouze za orientační a částečný. Tak, jako výpočet v tomto článku.

Závěr

V uvedeném textu bylo použito množství zjednodušení a samozřejmě nelze uvedený postup aplikovat v limitních, nestandardních situacích.

Nejsou zvažovány například

• konkrétní požadavky na přívod vzduchu pro spalování při různých způsobech přívodu vzduchu

• a jiné další, které ovlivňují tlakové podmínky výpočtu komína.

Pro orientační výpočet představuje jejich definování pro laika nezanedbatelný problém. Problematika výpočtu přívodu vzduchu je v článku maximálně zjednodušena s cílem udělat si orientační představu, která dává zhruba v 80 % případů relevantní výsledek

Nicméně i takto zjednodušený způsob výpočtu může pomoci potenciálnímu stavebníkovi, kterému ukáže, že komín nelze navrhnout (tím méně optimalizovat) bez znalosti spotřebiče a že ne každý spotřebič lze připojit do jakéhokoliv komínu. Například i tehdy, pokud by měl pochyby na základě rad kominíka. Jinými slovy:

Nic jako „univerzální komín“ reálně neexistuje.

V praxi se lze poměrně často setkat i s problémy následujícími po výměně spotřebiče. Pokud se k této výměně přistoupilo podle hesla „když to fungovalo předtím, bude to fungovat vždycky“, bývá výsledkem často nemilé překvapení. Například pokud je spotřebič, který pracoval s teplotou spalin přes 300 °C nahrazen moderním, s teplotou spalin pod 150 °C. I tyto problémy je možné předvídat použitím zjednodušeného výpočtu.

POZOR – Pouze a jedině při výpočtu a splnění všech tří výpočtových podmínek lze spalinovou cestu považovat za provozuschopnou. Postup uvedený v tomto článku takovým výpočtem není a slouží jen pro orientaci.