Otopná tělesa trubková koupelnová

Úvod

Nabídka trubkových koupelnových otopných těles (OTTK) na současném trhu je široká - co do tvaru, velikosti i úpravy povrchu. Možnosti jejich použití v různých otopných soustavách i způsoby připojování k rozvodnému potrubí si s ostatními druhy těles nijak nezadají. Vodorovné uspořádání trubek má jistě své výhody i nevýhody, na ně jsme ale poukázali již v předchozích dvou částech příspěvku. V nich jsme se letem-světem pokusili vysvětlit, jaký vliv může mít například průtočné množství vody (tedy i ochlazení vody) a způsob připojení (tj. umístění vstupu a výstupu vody) na tepelný výkon těchto těles (ČI 1/2003 a 4/2003). Všechno, co zde bylo o OTTK již uvedeno, bychom dnes rádi ještě doplnili o vliv tzv. jednobodového připojení na proudění vody a tím i na tepelný výkon.

Jednobodové připojení

Jednobodové připojení otopného tělesa není již žádnou novinkou. Je použitelné všude tam, kde jsou splněny všechny následující předpoklady:

je k dispozici na trhu vhodná jednovtoková armatura, konstrukční řešení tělesa takové připojení umožňuje, v technických podkladech, jež výrobce poskytuje k danému typu tělesa, jsou obsaženy tepelný výkon i hydraulické vlastnosti tělesa s jednobodovým připojením pomocí konkrétní armatury uvedeného typu, případně seznam typů jednovtokových armatur s prohlášením, že se při jejich použití tepelný výkon tělesa při srovnání s běžným připojením (například "zdola-dolů") nemění.

Komentář k bodu 1.
Armatury pro jednobodové připojení otopných těles dnes vyrábějí téměř všichni významní výrobci armatur pro otopné soustavy. Jejich konstrukce zahrnuje ventil (s hydraulickým přednastavením nebo bez něho), obtok ventilu (s konstantním či nastavitelným hydraulickým odporem - např. clonou) - zejména pro použití v jednotrubkové otopné soustavě a hlavně - speciální řešení vstupu a výstupu teplonosné látky.

Musí být takové, aby mezi nimi za provozních podmínek nedocházelo ke zkratovému zpětnému proudění. Obvykle toho lze dosáhnout pomocí prodloužené přívodní trubky o ponorné délce L_t, zasunuté do otopného tělesa. A právě tato délka bývá u různých typů jednobodových armatur odlišná a pro daný typ tělesa nemusí být vždy nejvhodnější.

Obr. 1. Otopné těleso trubkové koupelnové - schéma jednobodového připojení

Ventil je obvykle možné ovládat jakýmkoliv způsobem - ručně, termostatickým regulátorem či jiným druhem pohonu, stejně jako je tomu u všech ostatních typů ventilů.

Je patrné, že přívlastek "jednobodové" se týká pouze připojení této armatury k otopnému tělesu; přívodní a zpětné rozvodné potrubí jsou k armatuře připojeny každé samostatně.

Komentář k bodu 2.
Konstrukční řešení OTTK bývá jednoduché. Těleso má ve většině případů svislé boční komory, plnicí funkci rozdělovače a sběrače. Do nich jsou na obou stranách zaústěny vodorovné trubky (příp. jiné profily), a to buď čelně (svým plným vnitřním průřezem), nebo tečně (s propojovacími otvory velmi malými - např. 4 až 6 mm). V částech 1. a 2. příspěvku jsme pro ně zavedli termíny OTTK s "malým" nebo "velkým" hydraulickým odporem vnitřních cest. Jedná se o hydraulický odpor tělesa, do něhož nejsou zahrnuty odpory vnějšího vstupního a výstupního otvoru pro potrubí přípojek.

Největší podíl na "vnitřním hydraulickém odporu OTTK" tak mají odpory propojovacích otvorů vodorovných trubek se svislými komorami příp. další vřazené vnitřní odpory, méně se uplatňuje tření při proudění vody vodorovnými trubkami.

Připojení jednovtokové armatury do některé ze svislých bočních komor OTTK je z hlediska montáže také jednoduché. Postačí vnitřní závit na dolním okraji komory - vstupní ponorná trubka armatury bývá zasunuta rovnoběžně nebo souose s komorou (obr. 1).

Komentář k bodu 3.
Obchodně zdatný a po technické stránce informovaný výrobce otopných těles uvádí ve svých technických podkladech většinou všechno, co projektanti pro svoji práci potřebují. Je-li přitom ještě svědomitý, byly jeho údaje ověřené zkouškami. Ti méně svědomití pak rádi v nejlepším případě pouze "opisují" u konkurence. Aby zde ale nedošlo k nedorozumění: tepelný výkon a některé další stanovené provozní vlastnosti otopných těles musí být před uvedením na trh ověřené vždy - viz zákon č. 22/1997 Sb. a třeba ještě návazné nařízení vlády č. 163/2002 Sb. pro stavební výrobky.

Jednobodové připojení může za určitých podmínek změnit proudění otopné vody v OTTK natolik, že se jeho tepelný výkon sníží více, než připouští ČSN EN 442-3 (tj. max o 4 %).

Obr. 2. Princip jednobodového připojení OTTK - rozložení teplot vody a průtoku

Proudění vody v OTTK v místě jednobodového připojení je schématicky vyjádřeno na obr. 2, kde:

MD	je definiční hmotnostní průtok vody z rozvodného potrubí do armatury	(kg/h)
MT	hmotnostní průtok vody skutečně přiváděné do OTTK	(kg/h)
Mz1	hmotnostní průtok vody proudící event. zpět do zkratu - mezi ústím přívodní ponorné trubky o délce Lt a otvorem v armatuře pro výstupní vodu z tělesa, umístěným v patě trubky	(kg/h)
Mz2	hmotnostní průtok vody proudící event. rovněž zpět do zkratu, ale pouze případnými netěsnostmi způsobenými nevhodným konstrukčním řešením nebo provedením spojů vnitřních dílů armatury
t1	vstupní teplota vody pro jednoduchost je uvažována stejná do armatury i do OTTK (zanedbáme určité ochlazení vody v trubce o délce Lt)	(°C)
t2	výstupní teplota vody z armatury do otopné soustavy	(°C)
t2T	výstupní teplota vody z OTTK - na výstupu z vnitřní přestupní plochy tělesa	(°C)
c1	měrná tepelná kapacita vody na vstupu do armatury	(J/(kg.K))
c2	měrná tepelná kapacita vody na výstupu z armatury do otopné soustavy	(J/(kg.K))
c2T	měrná tepelná kapacita vody na výstupu z vnitřní přestupní plochy tělesa	(J/(kg.K))
Lt	délka přívodní ponorné trubky - součást armatury	(mm)

Pouze laboratorními zkouškami je možné ověřit, zda u konkrétního typu OTTK, připojeného konkrétním typem jednovtokové armatury, dochází ke zpětnému proudění vody do zkratu a zda při tom dochází ke snížení tepelného výkonu. Laboratorními zkouškami lze také zjistit optimální délku ponorné trubky L_t takovou, aby použití armatury bylo pokud možno univerzální pro všechny typy a velikosti OTTK nabízené výrobcem.

Vzorek armatury č.	Délka ponorné trubky	Odchylka jmenovitého tepelného výkonu ΔQN (%)
1	Lt1 (= Lt min)	- 1,6
2	Lt2	- 1,2
3	Lt3	- 0,6
4	Lt4	- 3,2
5	Lt5	- 1,2
6	Lt6 (= Lt max)	+ 0,4

Tab. 1 - Vliv jednobodového připojení na tepelný výkon - výsledky zkoušek

Příklad průběhu zkoušek a jejich výsledky
Ve zkušební laboratoři TZB v Centru stavebního inženýrství a.s. v Praze se v rámci zakázky uskutečnily zkoušky dvou různých vzorků OTTK, o výšce /délce = 1830/600 mm (jednoho s malým a druhého s velkým vnitřním hydraulickým odporem), připojených jednobodově pomocí šesti různých typů armatur. Největší výška těles byla volena s ohledem na nejvyšší vnitřní přirozený vztlak vody (viz předchozí dvě části článku). Zkoušky byly zaměřeny na:

zjištění vlivu jednotlivých armatur na jmenovitý tepelný výkon OTTK, odvození optimální délky Lt přívodní ponorné trubky pro výrobce těles.

Z pochopitelných důvodů zde nemůžeme být zcela konkrétní, a tak si jednotlivé - konstrukčně odlišné armatury od různých výrobců označíme pouze číslicemi 1 až 6 a délky jejich ponorných trubek (rovněž různé) v rozmezí L_t1 (= L_{t min}) až L_t6 (= L_{t max}).

Obdobně označíme:
Č. 1 - vzorek OTTK s malým vnitřním hydraulickým odporem (čelní zaústění trubek),
Č. 2 - vzorek OTTK s velkým vnitřním hydraulickým odporem (tečné propojení trubek).

Zkoušky tepelného výkonu byly prováděny za jmenovitých provozních podmínek ve smyslu normy ČSN EN 442-2 s teplotami t₁/ t₂/ t_D = 75/65/20 °C (t_D je vztažná teplota vzduchu ve zkušební komoře).

Vzorek OTTK č. 1

Výsledky zkoušek tohoto vzorku jsou uvedeny v tab. 1, kde ΔQ_N (%) je odchylka jmenovitého tepelného výkonu OTTK s jednobodovým připojením od jmenovitého tepelného výkonu Q_N téhož tělesa, připojeného běžným způsobem "zdola-dolů".

Z výsledků zkoušek uvedených v tab. 1 vyplývá, že žádná z použitých armatur nezpůsobila větší snížení jmenovitého tepelného výkonu OTTK s malým vnitřním hydraulickým odporem, než připouští ČSN EN 442-3 (tj. o 4 %).

Je třeba připomenout, že jako u všech zkoušek, tak i zde se kromě vlivu ponorných délek L_t projevují u výsledků ještě např. "ctnosti i nectnosti" konstrukce jednotlivých typů armatur a nejistoty měření.

Vzorek OTTK č. 2

Výsledky zkoušek OTTK s velkým vnitřním hydraulickým odporem jsou uvedeny v tab. 2. Z nepříznivého výsledku uvedeného v tab. 2. vyplývá, že u OTTK s velkým vnitřním hydraulickým odporem má délka přívodní ponorné trubky L_t významný vliv na snížení jmenovitého tepelného výkonu. S ohledem na to a na výsledky, dosažené s různými jednovtokovými armaturami u OTTK 1. typu (viz tab. 1), byl postup zkoušek OTTK 2. typu pozměněn tak, že místo zjišťování vlivu všech šesti typů armatur na tepelný výkon byla hledána optimální délka přívodní ponorné trubky L_t, a to se stále stejnou armaturou. Kromě L_t1 zde byl pak měřením se stejným OTTK měřen tepelný výkon ještě se třemi dalšími, odlišnými délkami L_t, zvolenými ve spolupráci s výrobcem otopného tělesa. Výrobce jednovtokové armatury č. 1 dodal k tomuto účelu potřebnou trubku stejného průměru.

Vzorek armatury č.	Délka ponorné trubky	Odchylka jmenovitého tepelného výkonu ΔQN (%)
1	Lt1 (= Lt min)	- 20,5

Tab. 2. Vliv jednobodového připojení vybranou armaturou na tepelný výkon - výsledky zkoušek

Optimální délka L_{t opt} byla z výsledků zkoušek následně vyhodnocena matematickou interpolací tak, aby změna jmenovitého tepelného výkonu vzorku OTTK č. 2 byla v souladu s požadavkem ČSN EN 442-3. Vyhodnocená délka L_{t opt} může být dodávána jako univerzální - pro obě vyráběné alternativy OTTK a všechny jejich velikosti s jednobodovým připojením.

Zjištěnou optimální délku ponorné trubky zde - opět z pochopitelných důvodů - neuvádíme.

Závěr

Z výsledků zkoušek by snad bylo možné odvodit i některé obecnější poznatky, týkající se vlivu konstrukčních vlastností těles i jednovtokových armatur a zúčastněných fyzikálních veličin (teplot vody a vzduchu, průtočného množství vody, měrných tepelných kapacit vody atd.) na zatékání vody do OTTK a na sdílení tepla, nebylo to však cílem tohoto příspěvku. Příspěvek je určen pro širší technickou veřejnost, ne pro konstruktéry otopných těles či jednovtokových armatur. Cílem příspěvku bylo pouze upozornit na určitou záludnost jednovtokového připojení trubkových koupelnových otopných těles a na povinnosti, které z toho vyplývají pro výrobce (event. prodejce) těles. Jedna povinnost z toho vyplývá i pro projektanty: požadovat na výrobcích (dodavatelích, prodejcích) otopných těles v případě potřeby i údaje o vlivu jednobodového připojení na jmenovitý tepelný výkon a na tlakové ztráty, nemají-li sami převzít plnou zodpovědnost za event. následná provozní překvapení.

Příspěvek také naznačil, že nejjednodušším řešením je ověření tepelného výkonu OTTK ve zkušební laboratoři, a to s jakýmkoliv způsobem jeho připojení.

Literatura
Protokol o zkoušce č. TH 607-00 a návazná měření. (Centrum stavebního inženýrství a.s. Praha, Zkušební laboratoř TZB).
Příspěvek vznikl a protokol o zkoušce i výsledky návazných měření byly použity s laskavým svolením objednatele zkoušek - KORADO a.s., Česká Třebová a zaměstnavatele - CSI a.s., Praha.