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

Výzkum se často provádí tak, že se v laboratorních podmínkách simulují fyzikální procesy a k empiricky naměřeným hodnotám se hledá teorie. V našem oboru vytápěnou budovu obklopit laboratorními podmínkami nemůžeme a přirozeně pak vznikají různé omyly a mýty. Ve vytápění proto existují problémy, které se žádným měřením vyřešit nedají a musejí počkat, až vše vyřeší vyspělejší technologie a výpočty.

Až do příchodu termohydrauliky existoval mýtus, že termostatické prvky v dynamických soustavách automaticky vykompenzují přebytky a nedostatky v zásobování jednotlivých spotřebičů teplem, a že vyvážením a stabilizací diferenčního tlaku na počátku je problém dynamických soustav vyřešen. Lapidárně řečeno - kde je tepla přebytek, TRV průtok omezí a kde se tepla nedostává, zvýšeným průtokem se dosáhne požadované úrovně tepelné pohody. Věřilo se, že stabilizací hydraulických podmínek na počátku a nastavením nominálních hydraulických odporů na prahu otopných těles, se nakonec příslušné množství teplonosné látky rozdělí mezi jednotlivé spotřebiče tepla bez extrémních nadprůtoků (vyvolávajících nadměrnou hlučnost při současném nevyužití vyrobené tepelné energie) a bez deficitů, způsobujících nedostatečnost vytápění.

Protože neexistoval žádný matematický model, o který by se takový předpoklad mohl opřít, "hydraulická teorie" vytápění se spokojila s vírou a pojistila se povolením uživatelských manipulací s termostatickými hlavicemi, které se staly komerčně využívanou "výhodou volby individuální teploty při vytápění" pomocí TRV.

Tyto omyly "hydraulické teorie" omlouvá nejednoduchá zpětná vazba mezi tepelným působením otopné soustavy a funkcí prvků lokální kvantitativní regulace (TRV). Návrh správně fungující a úsporné dynamické soustavy totiž musí vyloučit deficitní provozní stavy "N", znázorněné na obr.1 až obr.3.

Obr.2 Rozdělení topné vody při aktivaci teplotních čidel

Z obr.1 je zřejmé, že lokální deficit tepelné energie prakticky nelze zvýšeným průtokem nahradit. V oblasti přebytku energie "P" mohou TRV šetřit teplo z tepelných zisků, ale v oblasti nedostatku energie "N" nikoliv. V oblasti "N" se totiž tepelnými zisky pouze dohání deficit aktivační teploty do úrovně nastavení hlavice a k žádnému omezování průtoku v závislosti na působení tepelných zisků nedochází.

Zajištění plných úspor tepla v celém průběhu otopné sezóny proto vyžaduje správnou aktivaci čidel tepelným působením soustavy.

Na rozdíl od hydrauliky a hydroniky, termohydraulika umožnila propojit dílčí znalosti do uceleného obrazu správné funkce dynamických soustav při udržení projektované vnitřní teploty a doplněním chybějících rovnic nastavit podmínky jejich ekonomického provozu. Konstanty proto byly nahrazeny reálnými proměnnými.

Na obr.1 totiž není demonstrována "stará známá závislost výkonu radiátoru na průtoku", ale individuální závislost teploty konkrétní místnosti na tepelném působení vlastní otopné soustavy, která je u každé místnosti jiná a teorie hydraulického řešení (včetně vyvažování) tuto skutečnost nepochopila a zanedbala.

Nedostatečná aktivace teplotních čidel vlastním působením otopné soustavy, znázorněná na obr.2 a 3, pak přináší řadu funkčních problémů, které "hydraulické chápání a řešení oboru" nedokáže napravit. Bude-li například na obr.2 u nejníže položeného tělesa z jakýchkoliv důvodů dosaženo aktivační teploty vzduchu pouze 18,05°C (třeba omezením vytápění v sousedních bytech, nesprávným nastavením otopové křivky, atd.), tak kuželka tohoto TRV zůstane trvale v úrovni zdvihu 1,25 mm (místo 0,5 mm) a vznikne tím trvalý zkratový průtok, ohrožující funkci ostatních otopných těles. Teoreticky může téměř veškerá voda proudit jen tímto tělesem a regulátor diferenčního tlaku bude nadále pracovat se "správným" průtokem a "správnou" tlakovou ztrátou, stejně jako jakákoliv vyvažovací armatura instalovaná na počátku potrubí společně připojených otopných těles a tuto vážnou poruchu žádná "hydraulická metoda" neodstraní.

Zkratové průtoky přitom uživatelům otopných těles většinou nezajistí požadovanou vnitřní teplotu místnosti ani v případě, že ručním zásahem otevřou termostatické hlavice naplno a hydraulické podmínky pro funkci soustavy se tím jen zhorší. V uvedeném, příkladu se topná voda v tělese se zkratovým průtokem ochladí z 50°C pouze na 48,01°C a nákladně vyrobené teplo se vrátí do tepelného zdroje bez využití u spotřebitelů, přičemž jeho velká část se přemění pouze na tepelné ztráty v potrubních rozvodech. Tělesa se zkratovými průtoky navíc vykazují zvýšenou hlučnost. Pracovní zdvih kuželek není montážní firmou kontrolovatelný a skutečná příčina nedostatků tak většinou zůstane neodhalena.

Mohli bychom předložit řadu dalších důkazů, že ani nejpečlivěji "hydraulicky vyřešená" dynamická soustava nemusí fungovat správně a dokonce ani nemůže vykazovat úspory tepla regulační technikou v úrovni tepelných zisků. Individuální platnost hodnot na obr.1 až obr.3 pro každou konkrétní místnost znamená, že z nich nelze odvodit obecně platná pravidla ani měřením ani klasickým "hydraulickým" řešením. Hydraulika, pracující s pouhým prouděním kapalin v potrubí, prostě nezajišťuje ani správnou funkci dynamických otopných soustav ani ekonomiku vytápění a přednáškami o hydraulice energii "pod kontrolou" nemáme.

Klasicky řešené otopné soustavy ale přesto fungují ... ?

Ony nefungují. Záleží totiž na tom, co si pod pojmem "funkce" představujeme. Každou otopnou soustavu zprovozníme, když ji "napumpujeme" zbytečným přebytkem tepelné a hnací energie čerpadel, případně ještě v koncových bodech propojíme cirkulačními můstky a vyrobená tepelná energie se bez využití u spotřebitelů bude neekonomicky vracet zpět. Z pohledu dnešních možností termohydrauliky tedy o správnou funkci nejde a ekonomika vytápění klasickým projektováním není řešena vůbec.

Ekonomická výroba, distribuce a racionálně regulovaná spotřeba tepelné energie vyžadují zajištění nejen vlastní funkce, ale hlavně úspornosti vytápění budov. Hydraulické návrhové algoritmy zde zcela selhaly, protože řeší pouze distribuční množství teplonosné látky, ale s teplem vůbec nepracují.

Kdo šetří, má za tři ...

Popsané nedostatky se podařilo vyřešit způsobem, který je ze všech nejlevnější a přitom neklade žádné nároky na konstrukční změny regulačních prvků ani na zavedené pracovní postupy při montáži nebo při vyvažování otopných soustav a rozvodných sítí. Navíc způsobem, který nestaví dodavatele a spotřebitele tepla do pozice protichůdných zájmů a přináší úspory všem.

Vše se odehrává v té nejlevnější fázi realizace boje o úspory tepla, která všechny zúčastněné zatěžuje nejméně. Chceme-li skutečně úspornou otopnou soustavu nebo rozvodnou síť, potřebujeme jen jiný projekt. Potřebujeme, aby obsahoval takové seřízení regulační a vyvažovací techniky, při kterém budou všechna teplotní čidla správně aktivována tepelným působením vlastní otopné soustavy a v provozním stavu s nejvyšší četností vnějších teplot budou vyloučeny všechny neekonomické zkratové průtoky.

Potřebujeme, aby obě složky celkové kombinované regulace vytápění pracovaly zkoordinovaně, abychom správné vytápění všech koncových bodů mohli zajistit s nejnižšími možnými hodnotami tepelné energie na počátku soustav a sítí, abychom vyloučili zbytečnou nadvýrobu tepla v tepelných zdrojích, stabilizovali hydraulické poměry v sítích a vyloučili neekonomické průběžné opakování "zátopových stavů" soustav a sítí, které jsou zdrojem dilatační hlučnosti, výrazného snížení životnosti dilatačním namáháním materiálu i zbytečně opakované akumulace tepla do kovových částí otopných zařízení, která se po přerušení odběru tepla vzápětí přemění jen na zbytečné tepelné ztráty bez využití u spotřebitelů.

A konečně potřebujeme takové projektové řešení, které nám současně umožní okamžitý přechod na nový odběr tepla (například po zateplení budov), aniž bychom museli na hydraulickém vyvážení a na původním seřízení regulační techniky cokoliv měnit. To vše hydraulika ani hydronika neřeší, ale termohydraulika ano.

Tajemství velikosti otopných těles - funkční závislosti na obr.1 lze libovolně změnit

Termohydraulika umožňuje pracovní oblasti "P" a "N" posunout až do úrovně, kdy se kvantitativní regulace na prahu otopných těles projeví na vnitřní teplotě místnosti podstatně významněji a z termostatického ventilu se místo "omezovače teploty" do jisté míry stane skutečný regulátor.

Při ponechání původní velikosti otopných těles po zateplení budov tak můžeme buď optimalizovat (snížit) teplotní parametry teplonosné látky na minimální úroveň ve smyslu úspor tepla, nebo část těchto úspor "obětovat" na zvýšení komfortu lokální kvantitativní regulace (TRV) a skutečné volby vnitřní teploty.

Termohydraulika se tím stala mocným návrhovým prostředkem, který otopným soustavám a sítím umožňuje udělovat prakticky libovolné funkční a ekonomické vlastnosti.

Tyto i další možnosti se odehrávají výlučně v projektovém procesu a začalo doslova platit rčení, že "otopná soustava není taková, jaké obsahuje prvky, ale jak byla vyprojektována". I ty nejpokrokovější a nejdražší prvky lze totiž projektovat buď "hydraulicky", nebo s přímým řešením přenosu a ekonomického zpracování vlastního tepla, se kterým tyto prvky pracují a kvůli kterému byly do soustavy začleněny. Otopné soustavy, soustavy IRC, výměníkové stanice, kotelny i primární a sekundární rozvodné sítě, mohou dnes pracovat v optimalizovaných podmínkách výroby, přenosu a regulace tepla, nikoliv pouze teplonosné látky.

Co s klasicky vyprojektovanými a seřízenými soustavami ?

Termohydraulické soustavy se liší jiným seřízením regulační techniky. Každá klasická soustava nebo rozvodná síť proto může touto jednoduchou úpravou získat termohydraulické vlastnosti a výhody. Náročnost řešení se nepromítá do montážních prací, ani do jiných běžných postupů. Každá otopná soustava nebo rozvodná síť může svou regulační technikou ihned začít šetřit teplo AKTIVNĚ. Zatímco hydraulické metody funkci regulační techniky pouze předpokládají, ale neřeší, termohydraulika úspory tepla přímo projektuje.

Termohydraulickým výpočtem se určí optimální hodnoty seřízení stávající regulační techniky, teplotních čidel a funkčních závislostí regulace, které se pro praktický provoz nastaví.

Ale takové nastavení nám přece zajišťuje "inteligentní regulace" ...

O tomto dalším mýtu budeme hovořit v příštích částech seriálu. "Inteligentní" regulace skutečně "inteligentně" pohybuje kuželkami svých akčních prvků "nahoru a dolů", ale o skutečných důsledcích této činnosti rozhodují právě vlastnosti akčních prvků, které žádná "inteligentní" regulace nemůže sama správně navrhnout, ani optimalizovat. Protože opravdu platí "úspory = regulace", ukážeme si, jak termohydraulika dokáže úspěšnost nákladné "inteligentní" regulace významně zvýšit a podstatně zkrátit návratnost nákladů na tuto důležitou součást ekonomického vytápění.

Jaké závěry vyplývají z termohydrauliky pro běžnou praxi?

Termohydraulika představuje komplexní matematicko fyzikální model, který popisuje chování dynamických otopných soustav v reálném provozu, potvrzené praktickými měřeními. O jeho výstupy se proto můžeme opřít jak v oblasti diagnostiky a nápravy funkce stávajících otopných zařízení, tak při optimalizaci pracovních podmínek a parametrů soustav, zaměřených na ekonomický provoz. Můžeme z něho získávat podklady pro výrobu regulační techniky s dokonalejšími výkonovými charakteristikami, stejně jako odvozovat fyzikálně správná pravidla pro běžnou projektovou praxi nebo montáž a takových závěrů přináší termohydraulika mnoho.

Ale abychom byli konkrétní - jen z obr.1 až 3 například vyplývá:

1. Účinnost kvantitativní regulace ve vytápění silně klesá se snižující se teplotou topné vody a musíme proto věnovat podstatně větší pozornost právě kvalitativní složce celkové kombinované regulace.
   
   
2. Hydraulické vyvážení ani regulátory diferenčního tlaku, nezajišťují správnou funkci soustav za posledním vyvažovacím prvkem a negarantují, že v soustavě nenastanou neekonomické zkratové průtoky ohrožující jak ekonomiku vytápění, tak i vlastní funkci. Musíme proto řešit provozní seřízení hlavic TRV, kterým je pracovní zdvih kuželek v projektovaných teplotních podmínkách vymezen.
   
   
3. Musíme finálním uživatelům vysvětlovat, že hlučnost TRV je často způsobena nedosažením aktivační teploty při omezeném nebo přerušeném vytápění sousedních bytů. V této souvislosti si musíme též uvědomit, že správná funkce regulátorů diferenčního tlaku je při jejich nastavení možná jen při správném průtoku, takže s uzavíráním otopných těles se vyváženost soustav negativně mění.
   
   
4. V oblasti projektování bychom dnes již neměli používat software pracující pouze s jednotným teplotním spádem na počátku i v přípojných bodech spotřebičů tepla. Soustavy i sítě by měly být dimenzovány s tzv. korigovanými průtoky teplonosné látky, které při zachování její střední teploty kompenzují úbytek tepelné energie na trase od zdroje ke spotřebičům. Pro tyto korigované průtoky by mělo být určováno i provozní seřízení všech vyvažovacích a regulačních prvků v každém bodě rozvodní sítě.
   
   
5. Musíme vycházet z toho, že každá místnost reaguje na změny přívodu tepelné energie jinou teplotní odezvou, a že existují místnosti, kde přerušené vytápění vyvolá pokles teploty sotva o 1°C, zatímco v jiné místnosti může za stejných podmínek poklesnout teplota o 20°C i více. Z toho pak vyplývá značná nespolehlivost teorie regulace tepelného výkonu podle údajů tzv. "referenční místnosti".
   
   
6. Strmost křivek v obr.1 závisí nejen na teplotě topné vody, ale i na poměru instalované otopné plochy k tepelným ztrátám dané místnosti při nejnižší projektované vnější (výpočtové) teplotě. U místností s tzv. "nominální" otopnou plochou je tato strmost vždy nižší, než u místností s nadbytkem otopné plochy. "Nadnominální" otopná plocha je tedy potřebná jak pro "volbu individuální vnitřní teploty", tak hlavně pro využití vysoce ekonomických nízkoteplotních parametrů po zateplení budov.
   
   
7. Tepelné ztráty místností i regulace tepelného výkonu, jsou dnes záležitostí samostatných oborů stavební tepelné fyziky a M+R. Ale tyto obory jaksi "zapomínají proč vznikly a k čemu mají sloužit". Výpočty tepelných ztrát dnes řeší detaily s nepodstatným vlivem na vytápění (kvůli kterému je provádíme), ale ten nejdůležitější údaj - aktivační teplotu, ovlivňující tepelnou roztažnost čidel a tím i funkci dynamických soustav a ekonomiku vytápění, neřeší vůbec. Pokud se aktivační teplota vzduchu v poslední době ve výpočtech objevila, nepracuje se s ní správně a nadále se počítá s přirážkou na vyrovnání vlivu chladných stěn, navíc je tato teplota v legislativě předdefinována v jiných hodnotách. Podobně se obor M+R vůbec nezabývá termostatickou regulací, která určuje funkci i ekonomiku dynamických soustav nejvíce, ale řeší pouze regulaci dynamickou, jejíž akční prvky přitom navrhuje podle nesprávných kritérií "hydraulické autority" a s chybnými průtoky teplonosné látky, které požadovaný přenos tepla nezajišťují.

Ve výčtu poznatků termohydrauliky, využitelných v běžné praxi, bychom mohli pokračovat nejen v závislostech již dříve tušených (klasickými výpočty však neřešitelných), ale i v oblasti poznatků zcela nových, například v zajištění zkoordinované činnosti obou složek kombinované regulace, v nové metodice návrhu akčních prvků regulace, ve výpočtovém stanovení požadované aktivační teploty vzduchu konkrétních místností, atd. Mohli bychom podrobně analyzovat nové návrhové postupy, které v okruzích dynamických soustav zabrání nebezpečným zkratovým průtokům a odvodit řadu provozních pravidel pro uživatele dynamických otopných soustav. Význam termohydrauliky pro obor vytápění a pro dosažení aktivních úspor tepla v úrovni tepelných zisků, je proto klíčový a umožňuje generální posun v myšlení při řešení oboru.

Příčiny neekonomického provozu vytápění - kvalita a úspornost vytápění nejsou otázkou průtoku

I když bude na obr.2 proudit nejníže položeným otopným tělesem 400% projektovaného množství topné vody teplé 50°C při vnější teplotě te = +9°C a při nastavení termostatické hlavice na 20°C, nebude podle obr.1 v místnosti teploty 20°C nikdy dosaženo a trvalý zdvih kuželky bude podle obr.3 činit 1,25mm místo 0,5 mm. Abychom v tomto případě mohli ve zbývajících výše položených třech tělesech zajistit normový tepelný výkon, museli bychom přiváděné množství topné vody na patu stoupací větve zvětšit o zkratový průtok. Celkově bychom tak na patu stoupačky museli přivést cca 218,36+ 3* 54,59 = 382,13 kg h^-1, přičemž zkratový průtok 218,36 kg h^-1 ve spodním tělese bychom k dosažení požadované úrovně vytápění vlastně nevyužili. Pokud by zkratový průtok byl způsoben například uzavřením těles v sousedním bytě, trval by tento neekonomický stav do doby obnovení řádného vytápění sousedního bytu.

Pokud by ale příčina byla centrální (například nadměrnými tepelnými ztrátami potrubních rozvodů nebo nesprávnými parametry otopové křivky pro te = +9°C), nedosáhli bychom normových teplot v bytech žádným zvýšením průtoku a museli bychom přivádět vodu o vyšší teplotě, čímž bychom spotřebovali podstatně vyšší množství energie v celé síti.

Z toho je zřejmé, že teplotní a průtokové parametry na prahu otopných těles musejí být správné, že musí být zabráněno zkratovým průtokům správnou aktivací teplotních čidel, a že soustava nemůže být provozována mimo rámec projektovaných podmínek, tedy s libovolným uzavíráním otopných těles. Dále je zřejmé, že takové podmínky nemůže zajistit žádná legislativa, ale musejí být vyřešeny termohydraulickými výpočty v rámci zpracování konkrétního projektu. Termohydraulické výpočty však žádná legislativa nepožaduje, běžný komerční software neumožňuje a kolečko neekonomického vytápění budov se uzavírá.

Méně úsilí legislativě a mnohem více úsilí technickým výpočtům při zpracování projektu

Na mnoha konkrétních příkladech bychom mohli ukázat, že v oboru vytápění nelze absenci fyzikálně správných výpočtů nahrazovat předdefinovanými parametry a hodnotami zakotvenými v legislativě, ale tyto výpočty je potřebné v řešených projektech skutečně provádět. Mohli bychom dokázat, že v oboru vytápění je ze všeho nejdůležitější určení správné koncepce, kterou je však bez optimalizačních modelových výpočtů stanovit obtížné, nebo i zcela nemožné. Jen těžko si lze představit takovou legislativu, která by "od zeleného stolu" pouhým souborem direktiv (navíc opřených o pouhou hydrauliku nebo hydroniku) mohla vyřešit ekonomiku vytápění a cíle enviromentální strategie oboru. Ale úprava legislativy už není v silách autorů seriálu. Proto si myslíme, že by odborníci měli být novými informacemi vybaveni a veřejnost informována obecně srozumitelnou formou, aby nových možností mohlo být využito ve prospěch všech.

V prostoru, který nám byl pro tyto informace poskytnut, však chceme udržet ryze informační charakter našich příspěvků a příliš neobtěžovat čtenáře rovnicemi. Smyslem našich příspěvků je informovat širokou veřejnost o tom, že v boji o úspory tepla má dnes investor i uživatel klasické soustavy k dispozici řádově účinnější nástroje a prostředky, než jakými jsou klasické "hydraulické" řešení oboru vytápění a klasická regulace nebo vyvažování pouhého průtoku teplonosné látky. Vyvážení a regulace parametrů "pouze na počátku" tedy správné nejsou a musejí být přeneseny hlavně do koncových bodů soustav a sítí. Nemůže přitom jít o pouhou regulaci průtoku, ale musí jít o regulaci tepla. Optimistický přístup k řešení úspor tepla termohydraulikou se tím pro dodavatele i spotřebitele tepelné energie plně otevřel a je reálný. Skutečně účinnou cestou k úsporám tepla je fyzikálně správný projekt a nikoliv pouze "hydraulické" navrhování stále nových výrobků, kterým se jejich úsporných vlastností plně využít nedá. Kritika klasického projektování by bez nových metod byla prázdná i laciná, a navíc zde o kritiku nejde. Jde o to, že obor našel příčiny současných nedostatků, vyřešil je a nabízí využití nových možností, dokonale prověřených praxí.

Literatura

Galád, Ráž - STP, Komplexní studie zateplování budov, část ÚT - 2005
Ráž J., Genath B. - SHT "Echte Innenraum - Temperaturregulung mit Thermostatventilen"

V dalších příspěvcích uvedeme některá výstupní data klasického a nového projektování, porovnáme jejich hodnoty a zhodnotíme jejich praktický význam pro úspory tepla.