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

ÚVOD

Úvodem je třeba poznamenat, že předmětem tohoto příspěvku není problematika měření a prokazování průtoku teplonosné látky ve vyhláškou požadovaných mezích ± 15 % nominální hodnoty, což je, bohužel, pouze jedním z mnoha stavů otopné soustavy, jak uvidíme dále.

Zajisté je na místě otázka, proč tomu tak je a kde hledat příčiny. Obecná odpověď bude možná znít poněkud "lakonicky", ale je jednoduchá. Otopné soustavy se chovají přirozeně, fyzikálně a tedy termohydraulicky a když tyto podmínky nerespektujeme, máme problémy. Čím více se odchylujeme od fyziky, tím více máme problémů.

V posledních letech se masívně zaváděla regulační a měřicí technika, která přímo nastavila zrcadlo, ve kterém se problémy objevily v plné nahotě. V některých případech lze osazování seřizovacích a regulačních ventilů považovat až za brutální, tedy osazovanou i tam, kde to nemá opodstatnění. I když například výpočet otopné soustavy neprokázal nutnost osazovaní prvků na patě stoupačky, řada montážních firem se řídila pravidlem, že je třeba seřizovat a regulovat těleso, patu stoupačky a patu domu automaticky.

Dokonce jsem několikrát slyšel od "topenářů", že ať tu předregulaci nastavíte jakkoliv, otopná soustava funguje. Ano, musí fungovat, když má již od počátku v sobě založené několikanásobné rezervy v dispozičních tlacích a určité rezervy ve výkonech těles. Ale nejsou to jen tyto rezervy, jsou to i značné "přebytky" teplotního potenciálu otopné vody, což je dáno vysokou teplotou otopné vody. S těmito rezervami sice otopné soustavy pracují, ale ptáme se jak efektivně, jak hospodárně a jak, jak, jak??? Otázek by bylo hodně. Odpověď je jednoduchá, otopná soustava se chová vždy termohydraulicky.

KDE VŠUDE MŮŽEME NAJÍT CHYBY A NEDOSTATKY

• Otopná plocha - těleso je předimenzováno zpravidla rezervami vyplývajícími s předpisů (např. různé nepřesné koeficienty přirážek), rezervami v zaokrouhlení výkonové řady podle modulů daných výrobcem a také rezervami projektanta. Co z toho plyne? Po většinu času provozu tělesa nepotřebujeme množství tepla daného výkonem tělesa, ale o něco méně. To méně znamená o tolik, o kolik jsou menší skutečné tepelné ztráty, ale také o tolik méně, jaký máme tepelný zisk z vnitřních a vnějších zdrojů tepla (vaření, pečení, žehlení, oslunění, atd.) Mimochodem, dnes je již významným zdrojem tepla například plazmový televizor, který poskytuje podle velikosti obrazovky 250 až 600 W !!!
  
  
• Termoregulační ventil - musí mít dvě funkce, a to funkci omezovače průtoku a regulátoru teploty v místnosti.
  
  
• Stoupačka - její osazení seřizovacími či jinými automatickými regulátory do značné míry ovlivňuje termohydraulické stavy v otopné soustavě. Později uvedeme jak. Setkal jsem se také s projektem a realizací, kde byly a jsou osazeny paty stoupaček přepouštěcími ventily se zdůvodněním, že je třeba eliminovat přebytky, aby prý soustava nehlučela. Bohužel, hlučela a hlavně ty přepouštěcí armatury.
  
  

  Značný význam má z termohydraulického hlediska i dimenzování trubek stoupaček, jelikož jejich dynamická tlaková ztráta může mít významný podíl a tedy i značný vliv, který se zesiluje, pokud se mění průtok. Délka (výška) stoupačky není rovněž zanedbatelná, jelikož významně ovlivňuje ochlazování teplonosné látky "po cestě", což se musí projevit ve výkonu tělesa (těleso s nižší teplotou otopné vody má nižší výkon, z toho plyne poněkud odlišné množství otopné vody než v případě tělesa s teplejší otopnou vodou).

  Značný vliv stoupačky se projeví zejména u špatně řešených otopných soustav u zateplených domů, kde se ponechává původní teplota otopné vody, což vede k podstatnému snížení průtoku a tedy i dynamických tlakových ztrát, teplotní gradient se rapidně zvýší a ve vyšších podlažích se soustava dostane do stavu, ve kterém by postačila k překonání hydraulických odporů pouze gravitační síla, tedy provoz například bez čerpadla. V nižších podlažích tomu tak není a najednou máme problém hydraulické stability otopné soustavy. Nemluvě o tom, že pokud byly armatury voleny s určitým průtokovým činitelem daným na určitou hodnotu kv a nejsou-li znovu seřízeny, pracují zcela mimo požadovaný rozsah, tedy de facto přestanou být seřizovacími armaturami, a k čemu byla taková investice si určitě každý odpoví sám. Ještě horší je stav u samočinných regulátorů, které se snaží například stále udržet nastavenou tlakovou diferenci, i když bychom při rapidně snížených hydraulických odporech otopné soustavy potřebovali tyto diference snížit úměrně průtoku. Tedy opět potřebujeme něco přeregulovat a nově seřizovat, pokud to již osazená armatura umožňuje a není také mimo rozsah svých seřizovacích možností.

  Obdobný pohled můžeme aplikovat také na ležatý rozvod, zejména tam, kde chybějí řádné tepelné izolace potrubí a tepelné ztráty způsobují významnější pokles teploty otopné vody.

• Pata domu (sekce, vchodu) - bývá neuralgickým bodem spojení otopné soustavy domu a zdroje tepla či dodavatelské sítě. Zde vznikají v případě nedostatečného řešení termohydraulických poměrů značné disproporce, zejména pokud jde o dispoziční tlak. U starších předávacích stanic s napojením na dodavatelskou otopnou soustavu je použito značně předimenzovaných armatur (šoupata a ruční regulační ventily), které mají velmi malou autoritu a začínají regulovat až při velmi nízkém zdvihu. V tomto bodě již také dochází k hlučnosti armatur, aby se toto odstranilo, často je třeba zapojit do regulace ještě další armatury, tedy například šoupata na přívodu a zpátečce a ruční regulační ventil.
  
  

  V těchto případech je pak velmi obtížné udržet stabilitu podmínek, jelikož se veškeré výkyvy v dodavatelské soustavě bezprostředně promítnou do otopné soustavy domu. I když je soustava seřízena, tedy má nějakou předepsanou hodnotu kv, z podstaty věci vidíme, že například při zvýšení tlakové diference na dvojnásobek, se průtok zvětší cca 1,4 x. Při zvýšení tlakového rozdílu cca o 20 % se průtok změní automaticky o cca necelých 10 %. Zdá se vám ta změna průtoku zanedbatelnou, asi ano, ale nesmíme zapomenout, že ve skutečnosti to bývá zpravidla doprovázeno zvýšenou teplotou otopné vody a tedy přebytek tepla v otopné soustavě je pak značný, z měření se ukazuje tento přebytek (vlivem průtoku a teploty) ve výši 15 - 40 %. Jde o hodnoty zejména v teplejším období roku, při výpočtových venkovních teplotách se přebytek blíží nule (výjimečně může nastat i nedostatek tepla).

  Nejspíše si řada čtenářů odpoví, ale přece máme termostatické ventily, které nedovolují přetápění. To je sice pravda, ale o používání termostatických ventilů uživateli lze toho napsat také hodně a výsledek měření v grafu č. 1 ukazuje něco jiného.

  Jak vidíme, vyřešení parametrů (teplotní křivky a hydraulické podmínky) na patě domu určují funkci vnitřní části otopné soustavy. Pokud se nepodaří v rozumné míře stabilizovat ekvitermní výkon otopné soustavy, nelze zajistit správnou funkci otopné soustavy.

  Není zřídkavým jevem, když je na patě domu z dodavatelské sítě diferenční tlak 100 kPa. V tomto případě stačilo pro správnou funkci vnitřní části otopné soustavy cca 9 kPa. Uškrtit tak veliký tlakový rozdíl na jedné armatuře pak často přináší již zmíněný problém s hlučností.

  Na patě jiného objektu bylo v průběhu otopné sezony zaznamenáno, že se dispoziční tlak z dodavatelské sítě měnil od 80 kPa ke 35 kPa. Otopná soustava domu vyžadovala podle původního projektu 32 kPa. V počátku byly na patách stoupaček naměřeny tlakové diference až 65 kPa.

EKVITERMNÍ KŘIVKA

Dále se již nebudeme zabývat zdroji tepla, distribučními sítěmi, atd., kde je problematika obdobná. Největší vliv na odběratelské otopné soustavy má dodavatelská ekvitermní otopná křivka, která však nikdy nebude vyhovovat všem objektům napojeným na tuto síť - zdroj. Ekvitermní křivka je vždy individuální pro napojený vytápěný objekt a nelze ji volit. Nejlépe je stanovit ji pomocí termohydraulického výpočtu, což je nad rámec tohoto příspěvku.

Největším problémem v poslední době je, že si výpočtové hodnoty otopné soustavy po zateplení domu volí projektanti, dá se říci, téměř libovolně, což je hrubá chyba. Je mnoho projektů, kdy se investor vůbec nezabývá dopady na otopnou soustavu po zateplení objektů. Pak se totiž stává, že je zachována teplota otopné vody, po zateplení nám však stačí třeba poloviční výkon a teplotní spád, odpovídající sníženému výkonu stoupne i na 35 - 40 K. Průtok klesne také asi na polovinu, tlakové ztráty se sníží cca na 1/4, seřizovací armatury zůstanou bez nového seřízení a stanou se zcela zbytečnými. Původně seřízené TRV ale stále mají nastavení na původní cca dvojnásobný průtok, tedy umožňují v nové situaci nejméně dvojnásobné zkratové průtoky a veškerá regulace se přenese pouze na termostatickou hlavici. V zimním období vznikají vlivem velkého teplotního rozdílu velké samotížné síly, což vede k hydraulické nestabilitě po výšce stoupaček.

Ukázkovou nezodpovědnost projevil například projektant tím, že v konkrétním projektu se po zateplení rozhodl, že původní výpočtový teplotní spád 92,5/67,5 °C změní na 90/70 °, ale zcela opomenul, že v dané lokalitě je jmenovitý teplotní spád dodavatelské sítě 80/60 °. Jak asi takový projekt funguje? Původní teplotní rozdíl 25 K nahradil rozdílem 20 K asi ze setrvačnosti myšlení. Vůbec nepostřehl, že se sice pro stejný teplotní spád 20 K se z hlediska množství cirkulující vody nic nemění, ale že je při spádu 80/60 nižší střední logaritmická teplota tělesa, než u teplotního spádu 90/70 °C a tudíž výkon téhož tělesa není stejný. Je-li výkon tělesa při původním teplotním spádu ΔT = 1 (100 %), potom při spádu 80/60 je to jen cca 78 %. Tedy v zatepleném domě, kde tepelná ztráta klesla na 50 % je původní těleso silně předimenzováno, jelikož má výkon při dodavatelských parametrech 78 %. Při vstupní teplotě 80 °C má totiž původní těleso požadovaný výkon 50 % při teplotě vratné vody cca 40 °C. Z tohoto vidíme, že namísto teplotního spádu 20 K máme naráz 40 K a tudíž se nám průtok zmenšil na polovinu. A nyní si již umíme odpovědět na otázku, zda byly správně navrženy všechny seřizovací armatury, když si projektant "zvolil" teplotní spád 20 K. Asi není třeba dále komentovat.

A nyní si někteří čtenáři řeknou, proč o tom píši, když jde o nějaký omyl, či chybu. Musím říci, že nejde o žádnou ojedinělou chybu. A nyní mi odpusťte možná troufalost, téměř každý projekt je nějak deformován řadou pravidel a předpisů a zvyklostí, či školení a proto projektant ne zřídka určí celou otopnou soustavu po zateplení přeregulovat. A nyní se ptám, proč?, když umíme použít termohydraulický výpočet a pro již známá průtoková množství na patě objektu umíme stanovit nové ekvitermní křivky, aniž bychom museli cokoliv přeregulovat (termostatické ventily těles a patní seřízení stoupaček a domu)? Lidově řečeno, vezmeme šroubovák a otočíme "čudlíkem", či bez šroubováku kolečkem na ekvitermním regulátoru. Nevýhodou je stav, kdy na patě objektu tuto možnost nemáme a musíme takové zařízení doplnit. Má to však obrovskou výhodu, lze nastavit individuální ekvitermní křivku objektu a je jen na uživatelích takových zařízení, jak budou šetřit a hospodárně vytápět.

ZÁVĚRY

• Na obrázku 1 je vidět, že se stoupající venkovní teplotou narůstá v místnosti teplota vzduchu, což dokazuje velký přebytek tepla v místnosti, který není nijak eliminován, což může být důsledkem nastavení hlavice z doby, kdy přebytek tepla byl nulový anebo nebyl tak vysoký a nastavení hlavice odpovídalo požadované teplotě v místnosti.
  
  

  
  Obrázek 1 - Vzrůstající teplota vzduchu interiéru přebytkem tepla

• Na obrázku 2 je patrné, že je v důsledku přebytku tepla těleso mimo provoz po dobu cca 50 % dne. Svědčí o tom zejména nízká teplota vratné vody z tělesa, která se blíží teplotě v místnosti (v tomto stavu je nulový, nebo tak malý průtok, že se voda v tělese silně vychladí).
  
  

  
  Obrázek 2 - Měření teploty na tělese (červená -vstup; zelená- výstup)

• Z měření na stávajících otopných soustavách a zjištění popsaných výše v textu a z obrázků je průkazné, že se otopné soustavy skutečně chovají fyzikálně - termohydraulicky a nikoli tak, jak "chceme". Když se znovu podíváme výše, kde popisujeme těleso, stoupačku, atd., vidíme, že je mnoho faktorů a příčin, které mají vliv na funkci otopné soustavy a negativně se do ní promítají. Výsledkem je ponaučení, že čím více se odchylujeme od termohydraulického chování otopných soustav tím, že neúměrně "volíme" okrajové podmínky, tím více máme problémů při jejich provozu a užívání.
  
  
• Zásadní nedostatky vidím v tom, že zaužívané postupy a zvyklosti nejsou dostatečně přesné pro dokonalejší využití regulační techniky a dosažení vyšší efektivnosti úspor tepla a čerpací energie se všemi dopady na okolní přírodu a člověka.