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

Pokusme se nejprve alespoň přibližně kategorizovat snahy o úspory tepla při centrálním vytápění budov. Začátek minulého století vtiskl centrálnímu vytápění pečeť "pohodlného a čistého" způsobu zajištění tepelné pohody, "vykoupeného vyšší spotřebou paliva". Jenže ta spotřeba byla oproti lokálnímu vytápění často až trojnásobná a přirozená lidská vynalézavost spustila snažení o její minimalizaci, které trvá dodnes.

Snaha o efektivitu vyjadřující stupeň "nákladů", které musíme k dosažení svého cíle investovat, způsobila, že boj o úspory paliv a energií je mnohem starší, než by počátkem svého vzniku odpovídal logice současné enviromentální strategie.

Začal začleněním prvního oběhového čerpadla, které nás zbavilo závislosti na gravitačním oběhu teplonosné látky a nutnosti ohřívat vodu na zbytečně vysokou teplotu. Čerpadla pak způsobila, že náhle z nedostatku hnací síly byl její přebytek a nastal opačný problém. Musely přijít armatury, abychom mohli topnou vodu usměrňovat k jednotlivým spotřebičům podle našich požadavků - a zrodilo se "vyvažování". K jeho úspěšné realizaci kupodivu nechybělo know-how, jak by se mohli domnívat mladší z nás. O tom, že není nutné upravovat hydraulické odpory uvnitř rozvodné sítě, změní-li se hydraulické podmínky na jejím počátku, se dokonce běžně vyučovalo i na středních školách. Starší z nás si navíc dobře pamatují, že se "vyvažovalo" vkládáním úseků potrubí se záměrně menším průměrem, odporovými clonkami, že existovaly tabulky s předpočítanými hydraulickými odpory Peetových šoupátek při různém počtu otáček, atd. Chyběly však vyvažovací armatury, speciálně konstruované pro tento účel. Boj o úspory tepla tak měl vždy nejen pasivní formu, kterou známe ze současného zateplování budov, ale i formu aktivní, o které budeme hovořit.

Na samém počátku byli H. Esdorn a A. Ritter

Tito významní němečtí odborníci byli na počátku vývoje a zavádění regulační techniky pověřeni nadčasovým úkolem, který z hlediska dnešní retrospektivy nemohl být úspěšně vyřešen - a také nebyl. Až do té doby byl vždy průtok teplonosné látky úměrný rozdílu mezi hnací silou čerpadla a konstantními vřazenými odpory a náhle zde byly prvky, které svůj hydraulický odpor dynamicky mění. Aby toho nebylo málo, tak ještě navíc změna hydraulických odporů těchto prvků nemá s hydraulickými poměry rozvodné sítě "nic společného" a řídí se zcela nezávislou fyzikální veličinou - teplotou vytápěných místností, která dále může (ale také nemusí) být výsledkem tepelného působení vlastní otopné soustavy. Úkolem bylo modelovat chování soustav s dynamickými prvky a definovat optimální pracovní podmínky její bezporuchové, ekonomické funkce.

Není pochyb, že kdyby tito světově uznávaní odborníci dostali stejný úkol dnes, jistě by jej vyřešili. Ale v době jejich řešení byla výpočetní technika v plenkách a ani ty nejlepší matematicko-fyzikální schopnosti na takový úkol nestačily.

Energetická "krize" 1979 - 1982

Postihla především východní Evropu a stala se tak dobrou průpravou ke změnám v myšlení lidí, i k podpoře kroků, které následovaly. Boj odborníků o úspory tepla lze dnes kategorizovat poměrně jednoduše.

1. generace - hydraulické vyvažování

Ještě v doznívající "krizi energetiky" přichází Robert Petitjean s "teorií hydraulického vyvažování". V oblasti teorie sice nepřekračuje "know-how přednášené na průmyslovkách", ale je jakýmsi náhradním řešením za "neúspěch" Esdorna a Rittera a síla nového přístupu je navíc i v něčem jiném. Vyniká osvětou působící až v Číně a hlavně - nepřichází s prázdnýma rukama. Skoro na všech vysokých školách i v kancelářích významnějších firem najdeme demonstrační vyvažovací panely, které názorně předvedou vyvážení hydraulického okruhu a přitom obsahují to nejdůležitější - perfektní vyvažovací armatury s dokonale zajištěným zázemím elektronického měření a vyhodnocení (jakby ne, když Petitjean byl "elektrikář"a navíc vynikající organizátor, což byly pro aplikace nových metod výborné předpoklady).

Jenže brzy se potvrdilo, že hydraulika je technologie pracující s proudícími kapalinami a v otopných soustavách prosté zajištění požadovaného proudění distribučního média ještě nezaručuje správnou distribuci patřičných energetických množství do koncových spotřebičů tepla. Lapidárně řečeno, ani ta nejlepší cirkulace teplonosné látky s nepatřičnými teplotami ještě vytápěním není a úspory tepla neřeší.

2. generace - hydronika

Při vědomí nedostatečnosti pouhé hydrauliky přichází hydronika s požadavkem, aby vyvážení průtočných množství podle "hydronicky" projektovaných hodnot zajistilo, že všechny koncové spotřebiče tepla obdrží navrhovaná průtočná množství, kterými bude zajištěn jejich požadovaný tepelný výkon. To sice též neřeší úspory tepla, ale žádoucím způsobem to odlišuje "vytápění od prostého vodovodu".

Hydronika tím může v základním vztahu (1) pro určení průtoků média

kde
G je hmotnostní průtok (kgh^-1), P tepelný výkon (W) a Cts (Jkg^-1K^-1) je měrná tepelná kapacita teplonosné látky, pracovat s konkrétními teplotními parametry tp a tz na prahu spotřebičů tepla a tím zajistit jeho přenos.

Nutno dodat, že výpočet průběhu parametrů tp a tz v rozvodné síti je možné provádět třemi různými způsoby, ale správný z nich je pouze jeden, při kterém je střední teplota teplonosné látky tsm na trase mezi zdrojem a spotřebiči tepla zachována (podmínka plné účinnosti kvalitativní regulace).

Samotné zajištění přenosu tepla ještě zdaleka neznamená jeho úspory regulačními procesy a rozdíly mezi průměrnými tepelnými zisky (cca 40% potřeby tepla na vytápění) a praxí prověřenými reálnými úsporami tepla regulační technikou (cca 10 - 15%) to potvrzují. V boji o úspory tepla hydronice tedy stále ještě chybí 25% až 30% úspor z tepelných zisků.

Samotný přenos tepla je totiž jen jednou z mnoha dalších podmínek pro dosažení hlavního cíle, kterým je skutečně ekonomické vytápění budov s aktivními úsporami tepelné energie regulační technikou.

3. generace - termohydraulika - aktivní úspory tepla

Dosažení aktivních úspor tepla v úrovni tepelných zisků vyžaduje naplnění všech podmínek energetické rovnosti, včetně řešení vztahů mezi řídicími a řízenými veličinami kombinovaných regulačních procesů a sdílení tepla mezi otopnou soustavou a vytápěným prostředím, jak jej komplexně řeší termohydraulika.

Termohydraulika pracuje se vztahem okamžitých tepelných ztrát místností (Qcj) k okamžitému tepelnému výkonu spotřebičů tepla (QTj), při zohlednění podílu tepelných ztrát vnitřními stavebními konstrukcemi (QZn), při okamžitých teplotních parametrech teplonosné látky (tpj , tzj) a s korigovanými průtoky média (Gkor), odpovídajícími úbytku tepelné energie na trase od tepelného zdroje k jednotlivým spotřebičům tepla. Navíc pracuje s okamžitými hodnotami obou řídicích veličin kombinovaných regulačních procesů, (tej) pro venkovní nebo jinou řídicí teplotu vzduchu kvalitativní složky regulace a (tvj) pro vnitřní řídicí teplotu vzduchu kvantitativní složky regulace tepelného výkonu, včetně zohlednění výkonové charakteristiky konkrétního druhu otopných těles (ex) v závislosti na průtokových a teplotních parametrech.

Provázanost proměnných znamená, že činnost obou složek kombinované regulace vytápění je zkoordinovaná a při znalosti hodnot všech proměnných nemusí zdroj produkovat nadbytek tepelné energie, aby zajistil žádanou úroveň vytápění v koncových bodech soustav a rozvodných sítí.

Současně jsou stabilizovány průtoky přenesením hlavního podílu regulace do podstatně účinnější kvalitativní složky a optimalizovány teplotní i průtokové parametry teplonosné látky pro potřeby vytápění zateplených objektů, při zachování původních průtoků před zateplením stavebních konstrukcí. Z termohydrauliky se tak stal dokonalý nástroj pro řešení oboru.

Optimalizace pracovních parametrů zdrojů, soustav a sítí odstraňuje neekonomické opakování zátopových stavů, s nadvýrobou tepla ve zdrojích následně omezovanou nebo i přerušovanou na prahu tepelných spotřebičů, přičemž se nadbytek nevratně vyrobené tepelné energie nevyužije k vytápění, ale pouze se transformuje do tepelných ztrát rozvodných sítí.

Optimalizace teplotních parametrů se přímo váže k velikosti otopných ploch, takže po zateplení stavebních konstrukcí budov - a při ponechání původních velikostí otopných těles - mohou otopné soustavy, rozvodné sítě i tepelné zdroje pracovat s historicky nejekonomičtějšími nízkoteplotními parametry teplonosné látky a s nejvyššími úsporami při výrobě, distribuci a účinně regulované spotřebě tepla.

Nízkoteplotní parametry též podstatně sníží dilatační namáhání materiálu, čímž prodlouží životnost všech tepelných zařízení, sníží uvolňování plynů, omezí hlučnost a umožní aplikace vysoce ekonomických technologií (kondenzační kotle, atd.), při snadném funkčním propojení komponentů multivalentních systémů (tepelná čerpadla, solární panely, atd.), souběžně pracujících s otopnou soustavou.

3. generace boje o úspory tepla umožňuje hydraulickému a hydronickému vyvažování, aby poprvé pracovalo s průtoky teplonosné látky, splňujícími současně funkční i ekonomické požadavky na vytápění. Totéž poskytuje i oboru M + R, pro který vyvinula nové algoritmy návrhu akčních prvků regulace s podstatně vyšší funkční spolehlivostí a s vyšší účinností regulace ve smyslu energetických úspor. Pouhé hydraulické nebo hydronické řešení otopných soustav by rozhodně žádnou "revolucí ve vytápění", nazýváno být nemělo.

Termohydraulika splňuje fyzikální podmínky úspor tepelné energie regulační technikou

Shrneme-li charakteristické vlastnosti termohydraulicky řešených soustav a sítí, pak splňují všech šest podmínek, při kterých jsou regulační technikou plně zpracovány tepelné zisky a využity k vytápění.

1. Podmínka: Průtoky teplonosné látky musejí garantovat požadovaný přenos tepla ke všem spotřebičům.
2. Podmínka: V celém otopném systému (včetně sítí) musí být shodná střední teplota teplonosné látky.
3. Podmínka: Tlakové ztráty musejí být funkčně přiřazeny k řídicím teplotám a teplota vody co nejnižší.
4. Podmínka: Poruchovou veličinou kombinované regulace tepelného výkonu mohou být jen tepelné zisky.
5. Podmínka: Obě složky kombinované regulace vytápění musejí pracovat zkoordinovaně.
6. Podmínka: Soustava musí být vyvážena v koncových bodech, nikoliv na počátku společně připojených (a termicky regulovaných) spotřebičů tepla, jak to činí hydraulické vyvažování.

Přímo projektované aktivní úspory tepla

Termohydraulický projekt komplexně řeší nejen hydraulické a termické podmínky optimální funkce dynamických soustav, ale hlavně vzájemné vztahy řídicích a řízených veličin regulačních procesů, včetně výchozího seřízení (set point) všech statických (vyvažovacích) i dynamických regulačních prvků a teplotních čidel, od kterého se automatické regulační procesy odvíjejí. Udržením správných průtoků eliminuje hlučnost.

Aktivační teploty vzduchu "tv" vytápěných místností řídící zdvih kuželek TRV, jsou stanoveny pro konkrétní tepelně technické vlastnosti budovy, stejně jako průběh teplotních parametrů "tpj" a "tzj" v závislosti na okamžité venkovní teplotě "tej".

Otopná soustava, rozvodná síť a všechny statické i dynamické regulační prvky pracují s průtoky "Gkor", kterými je korigován úbytek energie na trase od zdroje ke všem jednotlivým spotřebičům a které jsou určovány z reálných teplot "tpjr" a "tzjr" teplonosné látky. Takto zajištěným přenosem tepla jsou aktivována teplotní čidla TRV v úrovni zdvihů kuželek, při kterých reálné tlakové ztráty odpovídají projektovaným hodnotám a je zajištěn soulad mezi teplotami "tpj" a "tzj".

Investor, finální uživatel i dodavatel tepla, tím získávají soustavu s přesně definovanými a v praxi seřízenými vlastnostmi instalované regulační techniky, při kterých bude vykazovat nejvyšší lokálně dosažitelnou účinnost ve smyslu úspor vyráběné, distribuované a racionálně regulované spotřeby tepelné energie.

Regulační procesy v termohydraulických soustavách proto již nejsou zatíženy neekonomickými zkratovými průtoky s nevyužitím vyrobeného tepla u spotřebitelů, teplotní čidla jsou správně aktivována tepelným působením otopných soustav, které v provozu nehlučí a zdroje tepla mohou pracovat bez jinak nutné rezervy tepelné a hnací energie čerpadel, potřebné k vytápění koncových bodů soustav a sítí. Optimální pracovní parametry teplonosné látky na výstupu z tepelného zdroje jsou projektem jasně definovány a minimalizovány na úroveň ekonomického provozu.

Správnou aktivací lokálních teplotních čidel tepelným působením vlastní otopné soustavy jsou stabilizovány hydraulické poměry, tlakové ztráty soustav a sítí jsou funkčně přiřazeny k řídicím teplotám. Diference v průtocích se přitom projevují pouze v úrovni okamžitých tepelných zisků, což u klasicky projektovaných soustav nelze zajistit.

Principem své funkce a účinností regulační techniky jsou proto termohydraulické otopné soustavy zcela odlišné od klasicky projektovaných soustav.

Termohydraulicky řešená dynamická soustava v reálném provozu (bez působení tepelných zisků) poprvé zajišťuje podmínky pro dosažení požadované návratové teploty k bodu směšování, která je v souladu s hodnotami otopové křivky. Znamená to, že máme plnou kontrolu poměru mezi vyrobenou a spotřebovanou tepelnou energií v průběhu dynamického procesu regulace a můžeme zajistit její maximální provozní účinnost.

U klasicky projektovaných soustav účinnost regulace se vzdáleností od tepelného zdroje klesá, protože klesají počáteční parametry teplonosné látky a přibývá hydraulických poruch.

Co nám hydraulika ani hydronika nikdy neřekly a experiment ve Vídni a v Plzni

Byl to právě čistě hydraulický způsob myšlení v oboru, který způsobil, že nám hydraulika a hydronika nikdy neřekly, "co - a v jakém rozsahu - ve vytápění vlastně regulujeme". Protože platí "úspory = regulace", budeme se muset v příštích příspěvcích seriálu k tomuto fatálnímu nedostatku klasického projektování vracet a základní příčiny neúspěchu hydrauliky a hydroniky v úsporách tepla si důkladněji objasnit.

Ve Vídni se konal rozsáhlý experiment, o kterém se referovalo na mezinárodní konferenci v Grazu. Z experimentu vyplynulo, že zavedení TRV nejen nepřineslo žádné úspory, ale znamenalo dokonce 2% ztrátu. Při vyhodnocení nákladů na vytápění ve srovnatelných domech v Plzni nebyly v průměru zaznamenány žádné rozdíly před instalací TRV a po instalaci této regulační techniky.

Zatímco "hydraulické" pojetí oboru vysvětlení nepřineslo, termohydraulika dokáže tyto zkušenosti nejen vysvětlit, ale úspory tepla dokáže vyřešit.

U termohydraulicky projektovaných soustav se účinek regulačního zásahu, provedený ve zdroji, projeví shodně u všech spotřebičů společně připojených k síti. Účinnost lokální kvantitativní regulace i centrální nebo zónové kvalitativní regulace, se přitom blíží hodnotě 100% při nejnižší možné teplotě teplonosné látky na počátku rozvodné sítě, čímž současně klesají její celkové tepelné ztráty a je eliminován nadbytek výroby tepla ve zdroji. Schopnost kontrolovaně vyrábět, distribuovat a regulovat přímo vlastní TEPLO je ve vytápění nová a termohydraulika po důkladném prověření v praxi otevřela cestu ke skutečně ekonomickému vytápění.

Sdílený optimismus

Termohydraulické řešení bylo v praxi využito pro nedestrukční úpravy otopných soustav a rozvodných sítí při zachování původních hydraulických poměrů a původního seřízení regulační techniky po zateplení budov, pro nápravu funkce klasicky projektovaných soustav se současným přechodem na funkci termohydraulickou a je využíváno pro termohydraulické vyvažování primárních i sekundárních tepelných sítí.

Přibývá spolupracujících odborníků v oborech VZT, v oblasti projektování M+R i praktického vyvažování, kterým termohydraulika umožňuje navrhovat a seřizovat akční prvky regulace s řádově vyšší účinností regulačních procesů a uživatelům soustav a sítí garantovat vyšší úspory tepla.

Fyzikálně uceleným popisem chování dynamických soustav přináší termohydraulika do oboru vytápění sjednocující prvek a eliminuje roztříštěnost odborných názorů, vycházejících z neúplného hydraulického řešení. Sjednocující je i skutečnost, že v ekonomicky a enviromentálně tak důležité oblasti vytápění přináší úspory současně dodavatelům, distributorům i spotřebitelům tepelné energie.

Literatura

Galád, Ráž - STP, Komplexní studie zateplování budov, část ÚT - 2005

V další sérii článků uvedeme

Pod názvem "Termohydraulika pro 21.století - funkce a úspornost dynamických otopných soustav" poukážeme na možnost přesnějšího projektování a jeho vliv na úspory tepla.