Aktivní úspory tepla metodou termohydraulického řešení pro 21. století - III. díl

Úvodní článek našeho seriálu uvedl v souvislostech některé možnosti podstatného zvýšení úspor tepla při vytápění budov a při provozu tepelných zařízení a poukázal na rozdíl mezi předpokládanými a reálnými úsporami tepla v otopných soustavách osazených regulační technikou. Řídící veličinou pro většinu regulačních obvodů v oblasti vytápění je teplota. Je zřejmé, že právě regulační technika dává do souvislosti termickou a hydraulickou složku fyzikálních principů topenářské praxe a odtud se odvíjejí postupy TERMOHYDRAULIKY.

Vezměme jako určitý model v úvahu standardní tepelnou distribuční sít podle obrázku č. 1 s horkovodním zdrojem, jednou horkovodní potrubní sekcí, která prostřednictvím výměníkových stanic VS postupně paralelně napájí několik teplovodních sítí. Každá teplovodní síť zásobuje koncové objekty O, které obsahují lokální dvojzónové předávací stanice (zvláštní ekviterma pro severní/jižní fasádu) a na topných tělesech jsou osazeny termostatické ventily.

Obr. 1 - model distribuční soustavy

Z hlediska regulace jsou centrální zdroj i jednotlivé výměníkové stanice osazeny ekvitermním řízením náběhové vody. Toto řízení je ve většině případů realizováno PID regulátorem, který se pouze snaží udržet teplotu náběhové vody na hodnotě dané jeho setpointem, tj. požadovanou hodnotou. Tento setpoint je většinou stanoven na základě více či méně zdařile vytvořené ekvitermní charakteristiky, v některých speciálních případech má konstantní hodnotu.

Je to sice notoricky známo, ale je třeba si uvědomit, že hlavním úkolem jednotlivých stupňů ekvitermní regulace rozmístěných v distribuční soustavě je snížení teploty přenosového media na takovou hladinu tak, aby množství přenášeného tepla odpovídalo momentálnímu požadavku spotřebičů a současně byly omezeny tepelné ztráty na minimum.

Ekvitermní regulace by tedy měla zajišťovat dodávku tepla od zdrojové části ke spotřebičům v takovém množství a kvalitě, které odpovídá jejich momentálnímu požadavku a hydraulickým možnostem přenosové soustavy. Toto požadované množství tepla jednotlivými spotřebiči se v čase dynamicky mění podle vnějších ale i vnitřních podmínek.

Jako hlavní vnější podmínka se v současných systémech uvažuje pouze venkovní teplota. Správně by sem měly být zahnuty i další povětrnostní vlivy, jako je rychlost větru, srážky atd., které rovněž ovlivňují spotřebu tepla. Zahrnutí těchto veličin do regulačních procesů se již sporadicky začíná prosazovat. Vnitřními podmínkami jsou potom různé časové programy útlumů vytápění, okamžité tepelné zisky z přímého osvícení sluncem, tepelné zisky z běžného provozu domácností, obytných prostor, průmyslových provozů apod. V současné praxi to vypadá tak, že na sníženou potřebu tepelného výkonu pro vytápění následkem tepelných zisků zareaguje vždy pouze nejbližší předchozí regulační stupeň, ale tato informace se po distribuční síti již dále zpětně nešíří a tak se vyšší regulační stupně stále snaží "fedrovat" své předpokládané množství tepla, jako by se nechumelilo.

Z předchozího je zřejmé, že jednotlivé ekvitermní regulační stupně v soustavě jako řídící veličinu zpracovávají zpravidla pouze jeden signál (výjimečně více) s fyzikálním významem teploty. Slepě předpokládají jakési hodnoty projektovaného průtočného množství, ke kterému vztahují velikost přenášeného výkonu.

1.modelový příklad:

Pojďme se nyní podívat na náš model odzadu, to je od posledního regulačního stupně, termostatických ventilů. V základním, to je projektově uvažovaném ideálním stavu (to je všechny termostatické hlavice jsou nastaveny na výpočtové zdvihy kuželky Xp = 2K a ve všech místnostech je opravdu výpočtově předpokládaná teplota = termostatické hlavice nevykazují žádnou regulační akci) má soustava i projektem stanovené průtočné množství. Ekvitermní regulátor zóny udržuje teplotu náběhové vody vztaženou právě k tomuto průtoku na takové hodnotě, která odpovídá požadovanému tepelnému výkonu vycházejícímu z ekvitermní charakteristiky. Předpokládejme dále, že tato ekvitermní charakteristika byla správně stanovena na základě podrobné energetické bilance objektu.

V první modelové situaci předpokládejme, že dojde k výrazným tepelným ziskům v obytných prostorách, např. při pečení posvícenské husy k nedělnímu obědu. Termostatické hlavice začnou škrtit průtok soustavou, což bude mít za následek výrazné vychlazení zpátečky, ale i přívodního potrubí. Po jisté době vychlazení začnou termostatické ventily opět otvírat a celý cyklus se opakuje a vede k rozkmitání zóny. Opakované natápění a vychládání zóny vede k ekonomickým ztrátám

Vybavíme-li ekvitermní regulátor zóny teplotním čidlem pro měření teploty zpětné vody a vhodným algoritmem pro jeho vyhodnocení, omezí tento regulátor teplotu náběhové vody, sníží množství dodávané energie, dojde opět k otevření termoventilů a tím k normálnímu hydraulickému chování soustavy. Toto opatření vede k úsporám nákladů.

Ve druhé modelové situaci, která navazuje na první, si představme, že zkoumáme pětipatrový obytný objekt, ve kterém alespoň v jednom patře dotčené zóny bydlí alespoň jedna "normalizovaná babička", které táhne na nohy, a která díky tomu přestaví všechny termostatické hlavice z výpočtové hodnoty na maximální teplotu. Uvádíme to zde jako příklad naprosto chybné manipulace s otopnou soustavou, nicméně současné technologické prvky to ve většině případů umožňují. Následkem toho dojde k výrazným, třeba i pětinásobným nadprůtokům jejími otopnými tělesy. Otopná tělesa nejsou schopna předat do okolí přivedený topný výkon a teplota zpátečky výrazně narůstá. Na takovou "anomálii" však náš "inteligentní" ekvitermní regulátor zóny musí být rovněž připraven a vhodně zareagovat snížením teploty náběhového média.

2.modelový příklad:

Pojďme nyní pokročit (už však jenom stručně - abychom neunavovali dlouhou aritmetickou rozcvičkou) o jeden regulační stupeň proti směru šíření tepelné energie a podívejme se na to, jak se chovají dva ekvitermní regulátory v kaskádě za sebou. Situace bude popsána poněkud zjednodušeně, pouze za účelem popisu principu. Uvažujme ekvitermní regulaci realizovanou elektronickým ekvitermním regulátorem a nějakým blíže nespecifikovaným výkonným členem. Můžeme si jí představit jako termohydraulický čtyřpól popsaný podle obrázku č. 2, kde t je teplota topného média na příslušném pólu a m je odpovídající průtočné množství. Předkládaná varianta platí pouze pro případy, kdy platí m₂ ≥ m₁

Obr. 2

Při přihlédnutí k tomu, že vstupním i výstupním portem protéká topné médium s toutéž měrnou tepelnou kapacitou a dále za zjednodušujícího předpokladu, že fyzikální parametry topného média jsou konstantní, můžeme psát:

popřípadě:

Označme si výraz jako směšovací poměr SP. Tato veličina vyjadřuje poměrnou velikost požadovaného výkonu za směšovacím uzlem. Nyní si představme kaskádové zapojení regulačních stupňů např. tak, že první stupeň je osazen v blokové výměníkové stanici, a regulační stupně na druhé úrovni jsou v předávacích místech zásobovaných objektů (obr.3). V našem zjednodušeném příkladu si zakreslíme na druhé úrovni pouze jeden regulační obvod a zanedbáme chladnutí podél potrubní trasy.

Obr. 3

Platí, že m₁₂ - Σm₂₁ pro všechny připojené regulační stupně na druhé úrovni.

Ve výměníkové stanici je okamžitá hodnota m₁₂ průtočného množství na výstupu měřena a tak je možno tuto informaci poskytnout regulačnímu algoritmu. Je zřejmé, že z poměru maximální, popř. výpočtově stanovené a okamžité aktuální hodnoty m₁₂ je stanovitelná hodnota SP stupňů na druhé úrovni, tudíž míry energetických požadavků těchto stupňů.

Při veškerých předchozích úvahách je třeba mít na zřeteli jednak to, že pro zjednodušení nebylo bráno v úvahu chladnutí média podél dopravní trasy a dále dopravní zpoždění informace šířené vratným médiem. Vzájemným spolupůsobením termické a hydraulické složky však takováto regulace udržuje hydraulickou složku (rychlost v potrubí) v patřičných rozumných mezích a tím je i rychlost doručení zpětné informace přijatelná.

Pokud čtenář četl tento příspěvek pozorně, jistě mu přišlo na mysl, že předkládaný způsob vazeb jednotlivých regulačních stupňů s sebou nese i určitý následek, který by mohl být za určitých okolností považován za negativní a sice to, že požadavky všech paralelně zapojených následných regulačních stupňů se průměrují. Ve většině případů (za předpokladu technologicky podobných spotřebičových celků) to však vylučuje individuální plýtvání energií - nedovoluje to jednotlivci příliš se odlišovat od průměru, což u hromadného zásobování tepelnou energií může být považováno spíše za výhodu.

Obecný závěr: Tento příspěvek měl za cíl ukázat, že pro zvýšení úspor energie na vytápění je třeba vzít v úvahu zpětné šíření informace řídících signálů po distribuční síti, a že není vždy nutné používat zvláštních datových kanálů, ale využít informace nesené ve zpětném topném médiu. Celá tato problematika je však velmi složitá, jednotlivé případy jsou řešeny podle konkrétních podmínek za přispění heuristických metod a v rámci tohoto popularizujícího článku není zdaleka možné ani zmínit všechny základní aspekty. Na popsaném principu je zrealizováno několik aplikací na úrovni objektů a výsledky jsou vyhodnocovány.

V rámci rozsahu tohoto příspěvku jsme se rovněž nezabývali konkrétními akčními členy směšovacích obvodů a jejich regulačním rozsahem. O tomto v některém z dalších článků tohoto seriálu.