Vytápěcí soustavy ve vysokých budovách

Statický přetlak

V daných vytápěcích soustavách by přetlak oběhové vody v dolní manometrické rovině neměl přesahovat 500 kPa, protože většina prvků vytápěcích soustav je konstruována na nejvyšší dovolený přetlak 600 kPa. Jedná se zejména o kotle, oběhová čerpadla, některé typy otopných těles a o drobné závitové armatury. Samozřejmě, že řada prvků je také konstruována na vyšší dovolený přetlak. Ale z hlediska maximální těsnosti veškerých spojů v soustavě je vhodné dovolený přetlak 600 kPa nepřekračovat. Většina spojů ve vytápěcích soustavách je totiž navíc zatěžována mechanickým napětím z dilatací potrubí.

Vliv statického přetlaku je možné omezit rozdělením vytápěcí soustavy na dvě výšková, neboli tlaková pásma. Na 1. pásmo mezi střední a nejnižší částí budovy a na 2. pásmo mezi nejvyšší a střední částí budovy (obr. 1). Zásadou je, aby vytápěcí soustava ve 2. pásmu nebyla přímo spojena se soustavou 1. pásma. Oddělení obou soustav se provádí výměníkem tepla. Každá soustava jednoho pásma musí být pochopitelně vybavena vlastním expanzním zařízením. Každý kotel a výměník tepla musí být vybaven pojistným zařízením.

Obr. 1: Vytvoření dvou tlakových pásem

V případě, kdy je teplo do budovy dodáváno z vnější primární tepelné sítě (obr. 1a), se musí zřídit výměníková stanice VS 1 v nejnižším podlaží 1. pásma a výměníková stanice VS 2 v nejnižším podlaží 2. pásma.

V případě, kdy je teplo do budovy dodáváno z vlastní kotelny umístěné v nejnižším podlaží 1. pásma (obr. 1b), se musí opět zřídit výměníková stanice VS 2 v nejnižším podlaží 2. pásma.
Pokud mají být výpočtové teploty oběhové vody totožné pro obě pásma, musí být v nejnižším podlaží 1. pásma zřízena směšovací stanice SS 1. Výpočtová teplota přívodní vody v kotlové části musí být pochopitelně vyšší než výpočtová teplota přívodní vody v obou pásmech.

Samotížný vztlak

V každé teplovodní vytápěcí soustavě vzniká za provozu samotížný vztlak. Vztlak je dán součinem výšky soustavy a rozdílu hustot zpětné a přívodní vody. Rozdíl vyplývá z rozdílných teplot zpětné a přívodní vody. V soustavách s přirozeným oběhem je samozřejmě vyšší samotížný vztlak žádoucí. V soustavách s nuceným oběhem čerpadly je vyšší samotížný vztlak nežádoucí. Během vytápěcího období se totiž mění teploty přívodní i zpětné oběhové vody, následně i rozdíl hustot vody a velikost samotížného vztlaku. Kolísání velikosti samotížného vztlaku následně ovlivňuje kolísání průtoků vody v potrubních úsecích a v otopných tělesech. To může mít za následek nadměrné průtoky do těles ve vyšších nadzemních podlažích (NP) a nedostatečné průtoky do těles v nižších NP, což vede k nerovnoměrnému vytápění objektu. U vytápěcích soustav s termostatickými radiátorovými ventily (TRV) vzniká ještě ve stoupačkách při velice malých průtocích vody vlivem činnosti TRV limitní samotížný vztlak. Tento vztlak je dán zvětšeným rozdílem teplot přívodní a zpětné vody, protože při malých průtocích vody dochází k nadměrnému ochlazení vody a tím k nízké teplotě zpětné vody.

Optimální výpočtový tlakový rozdíl na TRV pro budovy do 12 NP je dán hodnotou 4 kPa, která zaručuje i potlačení samotížného vztlaku. V následujících úvahách se předpokládá, že výpočtová hodnota tlakové ztráty úseku otopného tělesa bez TRV, tj. vlastního otopného tělesa a jeho přípojek, je zanedbatelná oproti výpočtové tlakové ztrátě, resp. tlakovému rozdílu na TRV. Celý úsek otopného tělesa s TRV potom bude reprezentován výpočtovou tlakovou ztrátou TRV.

Průběh tlakových rozdílů

Průběh tlakových rozdílů ve stoupačce o 12 NP a o výšce 30,8 m (obr. 2) stanovíme pro soustavu 90/70 °C. Průběh bez vlivu samotížného vztlaku je dán přímkou "bez". Přímka vychází z bodu, který je dán výpočtovým tlakovým rozdílem do TRV Δp_vn, resp. výpočtovým tlakovým rozdílem na patě stoupačky Δp_dn. Tímto rozdílem je kryta tlaková ztráta vlastního stoupacího potrubí Δp_pn. Po započítání středního samotížného vztlaku Δs_nom bude průběh dán přímkou "nom". Během otopného období bude průběh tlakových rozdílů vymezen přímkami s minimálním "min" a maximálním "max" samotížným vztlakem.

Obr. 2: Průběh tlakových rozdílů ve vertikální soustavě

Velikost samotížného vztlaku je dána obecným vztahem
Δs = 10^-3 . h . g . Δρ, kde

Δs je samotížný vztlak (kPa)
h - výška stoupacky (m)
g - zemské zrychlení (m . s^-2)
Δρ - rozdíl hustot zpětné a přívodní vody (kg . m^-3).

Pro soustavu 90/70°C je pro výpočtové teploty vody maximální rozdíl hustot Δρ_max = 12,4 kg . m^-3 (tab. 1). Na konci a na začátku otopného období jsou teploty vody 44/39 °C s minimálním rozdílem hustot vody Δρ_min = 2 kg . m^-3. Střední hodnota rozdílu hustot vody je Δρ_nom = 7,2 kg . m^-3.

Jednotlivé samotížné vztlaky potom budou:
Δs_max = 10^-3 . 30,8 . 9,81 . 12,4 = 3,75 kPa
Δs_min = 10^-3 . 30,8 . 9,81 . 2,0 = 0,60 kPa
Δs_nom = 10^-3 . 30,8 . 9,81 . 7,2 = 2,18 kPa.

Limitní vztlak ve vytápěcích soustavách vysokých objektů

U objektů s vytápěcí soustavou o výšce nad 30 m může být hodnota limitního vztlaku poměrně značná. Jeho nadměrná hodnota může přetížit TRV, což může vést ke vzniku nepříjemného hluku na ventilech. V limitním případě se blíží teplota zpětné vody teplotě okolí, např. 20 °C. Doporučuje se, aby se limitní vztlak určoval pro teplotu přívodní vody při venkovní teplotě t_e = 0 °C a pro teplotu zpětné vody 20 °C.

Pokud je výpočtový tlakový rozdíl na patě stoupačky udržován na hodnotě Δp_dn = Δp_vn, limitní vztlak se k této hodnotě přičítá, protože tlakové ztráty ve stoupačce jsou při nízkých průtocích téměř nulové. S rostoucí výškovou polohou otopného tělesa nebo horizontální větve limitní vztlak narůstá a nejvyšší hodnoty dosahuje v nejvyšším NP. Průběh tlakových rozdílů bude dán přímkou "lim".

Pro uvedenou vytápěcí soustavu je při vnější teplotě t_e = 0 °C teplota přívodní vody 68 °C a rozdíl hustot 19,5 kg . m^-3. Limitní vztlak je potom Δs_lim = 10^-3 . 30,8 . 9,81 . 19,5 = 5,90 kPa.

Vertikální vytápěcí soustava

Tato soustava se vyznačuje přímým připojením otopných těles na vertikální část potrubní sítě, čili na stoupačky (obr. 3a). Dimenzování průměrů potrubí stoupaček vychází z předpokladu, že výpočtová tlaková ztráta samotného stoupacího potrubí bude kryta střední hodnotou samotížného vztlaku. Jednotná tlaková ztráta TRV potom musí být kryta oběhovým čerpadlem. Výpočtový tlakový rozdíl na patě stoupačky proto bude Δp_dn = Δp_vn. Potlačení limitního vztlaku je možné pouze osazením přepouštěcího regulátoru tlakového rozdílu (RTR) do nejvyšších částí stoupačky (obr. 3a). RTR musí být dimenzován alespoň na 50 % výpočtového průtoku do stoupačky a nastaven těsně nad úroveň tlakového rozdílu daným průběhem "max".

Obr. 3: Řízení tlakových rozdílů

Horizontální vytápěcí soustava

Tato soustava se vyznačuje centrální stoupačkou a připojením otopných těles na horizontální části potrubní sítě v jednotlivých NP (obr. 3b).

Dimenzování průměrů potrubí stoupačky vychází opět z předpokladu, že výpočtová tlaková ztráta samotného stoupacího potrubí bude kryta střední hodnotou samotížného vztlaku. Jednotná tlaková ztráta horizontálních větví potom musí být kryta oběhovým čerpadlem. Výpočtový tlakový rozdíl na patě stoupačky Δp_dn proto bude roven výpočtové tlakové ztrátě horizontální větve Δp_zn.

Dimenze průměrů potrubí protiproudých horizontálních větví se stanovují tak, aby platila podmínka o výpočtové tlakové ztrátě každé větve

Δp_zn = Δp_vn + Δp_pn ≤ 10 kPa, kde

Δp_zn je výpočtová tlaková ztráta horizontální větve (kPa)
Δp_vn - výpočtový tlakový rozdíl na všech TRV (kPa)
Δp_pn - výpočtová tlaková ztráta potrubí větve (kPa).

Dále musí platit, že maximální provozní tlakový rozdíl na TRV

Δp_v ≤ Δp_vdov = 15 kPa.

U takto navržené větve stačí udržovat na jejím počátku tlakový rozdíl na hodnotě Δp_zn. Potom nedojde k překročení hodnoty Δp_vdov na žádném TRV, což je patrné z průběhů tlakových rozdílů (obr. 4a). Výpočtový průběh tlakových rozdílů (n) přejde vlivem minimálního průtoku při činnosti TRV na průběh tlakových rozdílů (m). Při něm se na všechny TRV přenese výpočtový tlakový rozdíl celé potrubní větve Δp_zn. V případě dimenzování průměrů souproudých (tichelmanských) horizontálních potrubních větví v jednotlivých NP musí být rovněž splněny obě uvedené podmínky. Znamená to zajistit udržování tlakového rozdílu mezi počátečním a koncovým bodem větve (obr. 4b), což je možné pouze v případech, kdy má větev tvar okruhu a oba body jsou dosažitelné pro impulzní potrubí RTR.

Potlačení limitního vztlaku v obou případech zajišťují RTR na počátcích větví (obr. 3b). Nejvhodnější jsou škrticí RTR.

Obr. 4: Průběh tlakových rozdílů v horizontálních soustavách

Závěr

Dosud se limitní vztlak v hydraulických výpočtech a při řešení řízení tlakových rozdílů soustav s TRV neuvažoval. U vysokých objektů s výškou soustavy větší než 30 m však může způsobovat nežádoucí hluk. Proto je vhodné použít uvedená řešení.