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

Zatímco někteří odborníci svou účast na vývoji termohydrauliky přivítali, jiní ji odmítli s odůvodněním, že její vliv na výsledky návrhových výpočtů bude zanedbatelný, zkrátka "není čas na prkotě". Jenže výsledky hydraulických výpočtů řešící jen distribuci a regulaci teplonosné látky, jsou zcela jiné než výsledky řešení distribuce a regulace vlastního tepla.

Na ukázku jsme vybrali příklad, na kterém jsou rozdíly výsledků dobře patrné a lze demonstrovat jejich vliv na funkci i ekonomiku otopného systému, jako celku.

Obr.1 Porovnání výsledků termohydraulického a klasického výpočtu seřízení regulační techniky.

Zajištění správné aktivace teplotních čidel pro úspory tepla a pro správnou funkci soustavy v příkladu zobrazené stoupací větve vyžaduje hydraulické vyvážení pro součtový průtok ΣG = 616,38 kg h^-1 a individuální poměr zatékání do jednotlivých otopných těles i při jejich stejném tepelném výkonu.

V termohydraulicky řešených otopných soustavách proto neexistují "opakované stoupačky" a okruhy všech otopných těles jsou řešeny individuálně. Celkově požadované oběhové množství teplonosné látky v soustavě přitom samozřejmě není "dvojnásobné" jako v této ukázce, protože hodnoty korigovaných průtoků "G" se ve směru k tepelnému zdroji stále snižují. Jejich individuální hodnoty mají však klíčový význam pro dimenzování vnitřních i vnějších potrubních sítí, i pro seřízení všech vyvažovacích a regulačních armatur.

Z příkladu je zřejmé, že hodnoty korigovaných průtoků jsou úměrné úbytku přenášené tepelné energie na trase mezi zdrojem a jednotlivými spotřebiči, což může vyvolat mylnou domněnku, že termohydraulické řešení je pouhým uplatněním "dávno známého výpočtu ochlazení teplonosné látky".

Výpočet ochlazení vody proudící potrubím byl skutečně prováděn již "Bánským projektem" a od roku 1976 byl dokonce řešen i na programovatelných kalkulátorech SR-56, TI-58, TI-59 a HP-67, tedy přibližně na dnes neuvěřitelném 1kB operační paměti !

Tyto výpočty však nesplňovaly základní požadavek na zachování střední teploty mezi zdrojem a koncovými spotřebiči a jejich uplatnění by znamenalo zvětšování otopných ploch se vzdáleností od tepelného zdroje. Skutečné řešení muselo počkat na zavedení osmibitových počítačů (ZX-Spectrum, ATARI 800 nebo 130 a C-64), které svou kapacitou 64 kB již zvládly 15 úseků potrubí, včetně nově zavedených rovnic pracujících s prakticky zachovanou střední teplotou teplonosné látky a také se závislostí chladnutí na rychlosti a druhu proudění (αi), která je u neizolovaných potrubí stoupacích větví významná.

Ke skutečnému termohydraulickému řešení však výpočty ochlazení vody a z nich vyplývajících průtoků nestačí a zbývalo vyřešit řadu dalších problémů, které zde pro stručnost pouze naznačíme:

1) Závislost průtokových součinitelů Kv na nastavení tzv."druhé regulace" termostatických ventilů je většinou laboratorně měřena (a výrobci TRV v katalozích publikována) při jediném zdvihu kuželky, reprezentovaném udáním proporcionálního pásma XP. Například XP = 2K znamená, že při tepelné roztažnosti teplotního čidla 0,25 mm K^-1 činí pracovní zdvih kuželky 2 x 0,25 = 0,5 mm a pro platnost výrobcem uvedených hodnot Kv v závislosti na nastavení "druhé regulace" musí být tento zdvih kuželky dodržen. V individuálních teplotních podmínkách vytápěných místností je pracovní zdvih kuželek vymezen nastavením termostatických hlavic. Ale pro výpočet nastavení hlavic, které by při projektované vnitřní teplotě místností zajišťovalo jednotný zdvih kuželek a tím i projektované tlakové ztráty celé soustavy, chybí další dva důležité údaje. Je to určení hodnoty nastavení hlavice pro řídicí teplotu a vlastní hodnota řídicí teploty pro danou místnost.

V termohydraulickém řešení bylo proto nutné doplnit výpočet tepelných ztrát místností o určení multivalentních řídicích teplot vzduchu a dimenzionální výpočet potrubí doplnit o seřízení termostatických hlavic, kterým jsou projektované tlakové ztráty otopné soustavy přiřazeny k projektovaným vnitřním teplotám místností, podobně jako velikosti otopných ploch. V souvislosti se zavedením vnitřní výpočtové teploty vzduchu "tv" bylo současně nutné v ČSN 06 0210 odstranit přirážku na vyrovnání vlivu chladných stěn a celý výpočet tepelných ztrát místností dále zpřesnit použitím hodnoty "tv" při výpočtech potřeby tepla pro přirozené i nucené větrání, včetně zpřesnění hodnot M a B.

2) Bylo nutné vyřešit podmínky pro zkoordinovanou činnost lokální kvantitativní regulace (TRV) a zónové nebo centrální kvalitativní (ekvitermní) regulace. Protože lokální teplotní čidla reagují shodně na tepelné zisky i na přebytek tepla dodávaný vlastní otopnou soustavou, bylo nutné tyto dvě veličiny "odfiltrovat" zavedením základního výpočtového stavu dynamické otopné soustavy, do kterého se - narozdíl od praktického měření a vyvažování - okamžité lokální tepelné zisky nepromítají. Ve vytápění totiž není možné měřit a seřizovat průtoky při nasazených termostatických hlavicích, které vlivem lokálně působících okamžitých teplotních podmínek, nezajišťují jednotný zdvih kuželek. Když si "čistě hydraulické chápání oboru" tuto skutečnost konečně uvědomilo, přišlo s požadavkem na vyvažování "při sejmutých hlavicích", čímž ovšem zase vyvažovalo soustavy statické (nikoliv dynamické) a navíc při plném (nikoliv pracovním) zdvihu kuželky. Nekontrolovatelný zdvih kuželek má přitom na vyvažované průtoky řádově větší vliv než nastavení tzv. "druhé regulace", natož pak drobné odchylky výrobních tolerancí, jejichž "řešením" hydraulické vyvažování dnes "obhajuje svou existenci".

Správné seřízení všech vyvažovacích a regulačních prvků prostým odvozením průtoků z naměřených okamžitých tlakových ztrát, ovlivněných okamžitými hodnotami řídicích teplot, v praxi zajistit nelze a pro stav bez působení tepelných zisků proto musí být stanoveno výpočtově. Termohydraulika pak pro případné kontrolní měření může hydraulickému vyvažování poprvé poskytnout správné hodnoty požadovaných průtoků teplonosné látky, ale problém kontroly a aretace základního pracovního zdvihu kuželek by v tomto případě musel konstrukční úpravou řešit výrobce TRV, kterému termohydraulika může poskytnout příslušné podklady.

Optimistické je, že termohydraulické řešení soustav a sítí umožňuje okamžitý přechod od hydraulického vyvažování k vyvažování termohydraulickému, bez jakýchkoliv nároků na změny přístrojového vybavení nebo pracovních postupů a to je významný kvalitativní skok pro firmy, které se vyvažováním zabývají.

3) Byly zpřesněny výpočty tepelného výkonu otopných těles, do kterých se promítají hodnoty "tv" jednotlivých místností.

4) Byl zpřesněn výpočet dilatace teplotních čidel a zaveden výpočet nastavení termostatických hlavic pro zajištění pracovního zdvihu kuželek při individuálních hodnotách teploty vzduchu "tv" a teplonosné látky "tp" na prahu spotřebičů tepla.

5) Praktické zajištění zkoordinované činnosti obou složek celkové kombinované regulace pracuje s individuálními otopovými křivkami, které garantují, že na prahu zdroje nedojde ke zbytečné nadvýrobě tepelné energie a teplotní parametry distribuované teplonosné látky budou ve vztahu k okamžité potřebě tepla minimální.

6) Byl zaveden přesný výpočet individuálních otopových křivek pro běžné i kaskádové řešení kvalitativní regulace a subregulace, respektující konkrétní požadavky solitérních i společně regulovaných spotřebičů tepla, včetně výpočtu správného hydraulického vyvážení směšovacích okruhů pro vyloučení deformace provozních charakteristik směšovacích armatur.

7) V oblasti kvantitativní regulace bylo zcela upuštěno od kritérií vztažených k regulovanému průtoku a byl zaveden nový výpočet akčních členů regulace, s kritérii vztaženými k regulaci tepla.

8) Metodiku navrhování termohydraulických otopných soustav bylo nutno koncipovat tak, aby jednou vyřešená otopná soustava nebo rozvodná síť mohly pracovat s libovolnými nároky na požadovaný tepelný výkon, při zachování původního seřízení vyvažovacích a regulačních prvků. Tento úkol patřil k méně náročným a jeho vyřešení umožňuje okamžitý nedestrukční přechod na nový provozní stav, například po zateplení stavebních objektů.

Ve výčtu zpřesněných výpočtů z běžných vstupních dat by bylo možné pokračovat, ale pro dodavatele, distributory i spotřebitele tepelné energie je podstatnější výsledek a přínos termohydrauliky ve všech oblastech hospodaření s tepelnou energií. V hydraulice jsme měli pod kontrolou průtoky, v hydronice jakési ochlazení topné vody, ale v termohydraulice máme pod kontrolou TEPLO, od jeho minimalizované výroby, přes optimalizovanou distribuci, až po racionálně regulovanou spotřebu s maximálním využitím u všech uživatelů.

Komplexní termohydraulické řešení tím umožňuje generální posun v myšlení nejen na úrovni teoretických úvah, ale okamžité nasazení dokonale osvědčené metody v praxi. Je určena pro navrhování všech druhů otopných soustav kde je nositelem tepla topná voda, ale také pro úpravy dříve projektovaných otopných soustav a sítí, kterým lze udělit termohydraulické vlastnosti ve smyslu AKTIVNÍCH ÚSPOR TEPLA regulační technikou.

Aktivní úspory tepla znamenají, že regulační technika může vnímat změny řídicí veličiny "tv" způsobené tepelnými zisky, jako poruchovou veličinu fyzikálně definovaných regulačních procesů, jejichž výchozí bod (set point) je dán základním seřízením regulačních prvků a teplotních čidel. V základním provozním stavu (bez vlivu tepelných zisků) je tepelným působením vlastní otopné soustavy zajištěna základní projektovaná teplota "tv" vytápěných místností. Případná změna této řídicí veličiny působením tepelných zisků, pak vyvolá adekvátní reakci regulačních prvků, úměrnou velikosti "poruchové veličiny" a téměř veškeré tepelné zisky se tak mohou transformovat do úspor tepla. "Poruchovou veličinou se přitom rozumí rozdíl mezi projektovanou teplotou vzduchu "tv" vytápěné místnosti a okamžitou teplotou vzduchu v místnosti.

Vliv způsobu řešení na funkci a ekonomiku otopného systému

Výpočet pro zajištění úspor tepla v obr.1 obsahuje nastavení termostatických hlavic "NH", které při teplotách vzduchu "tv" garantuje jednotný zdvih kuželek TRV , při kterém platí výrobcem publikované hodnoty nastavení "N" v závislosti na průtokových součinitelích "Kv" a proto platí i projektované tlakové ztráty soustavy, přiřazené k hodnotám řídicích teplot. Přiřazení tlakových ztrát k řídicím teplotám je základní podmínkou správné funkce a ekonomického provozu dynamických soustav, která při klasickém projektování splněna není a proto se úspory tepla pohybují pouze od cca 15% až do 0%, jak potvrdil již dříve zmíněný vídeňský experiment. Výsledky vídeňského experimentu, přednesené na mezinárodní konferenci v rakouském Grazu, tehdy dokládaly dokonce "záporné úspory tepla" v hodnotě - 2%, i když tepelné zisky se pohybují v hodnotách kolem +40% a termohydraulika, jako jediná, je schopna tento jev vysvětlit.

U "hydraulicky ani hydronicky" projektovaných soustav nebyly korektním měřením úspory tepla v úrovni reálných tepelných zisků nikdy prokázány a přes veškerou snahu se stále opakují i funkční nedostatky. Příčinou je nedosažení aktivačních teplot "tv", potřebných k zajištění projektované výsledné teploty ti = 20°C, na obr.1 vpravo. Při průtocích v pravé části obr.1, by TRV mohly začít šetřit teplo teprve v případě, kdyby hlavice byly nastaveny na nižší požadovanou vnitřní teplotu místností a kdyby uživatelskými manipulacemi s termostatickými hlavicemi v soustavě nebyly vytvářeny zkratové průtoky.

Zkratové průtoky ohrožují funkci a ekonomiku vytápění ze všeho nejvíce, protože omezují schopnost "šetřit teplo" všem regulačním prvkům za zkratem a nevratně vyrobené teplo se z jednotlivých zkratů bez plného využití u spotřebitelů vrací zpět do tepelného zdroje. Úsporná soustava být zkratována nesmí.

Opakované zátopové stavy

Spotřebovat palivo můžeme buď "jízdou naplno s občasným zastavením", nebo plynulou jízdou optimální rychlostí. V obou případech můžeme být v cíli ve stejném čase, ale spotřeba paliva stejná nebude a vytápění budov není výjimkou. Po každém omezení nebo přerušení vytápění musíme k opětnému dosažení požadované vnitřní teploty nejprve znova akumulovat teplo do všech kovových částí vlastního zařízení ÚT ve vnitřních i vnějších rozvodných sítích, do všech stavebních konstrukcí i do nábytku, zkrátka do veškerého zařízení, které jsme předtím nevratně vyrobeným teplem zahřáli a pak nechali vychladnout.

Vše záleží na časovém rozložení a otázka "kdy se vlastně přerušované vytápění vyplatí", zvedá odborníky ze židlí dodnes. Aby mohla být seriózně zodpovězena, musí se nejprve zvolit doba otopné přestávky, musí se určit pokles součtové teploty na jejím konci a pro zvolenou dobu zátopu se musí určit požadovaný tepelný výkon, kterým musíme na příslušnou místnost působit, aby byla obnovena původní vnitřní teplota.

Takové výpočty byly v roce 1980 prováděny v bývalém VVÚ-SZP RNDr Radko Škaloudem a vyšlo z nich, že po osmihodinové topné přestávce s poklesem součtové teploty místnosti na hodnotu tm = 32°C, lze za 1 hodinu obnovit původní tepelnou pohodu výkonem 279%.

Protože žádné tepelné zařízení s takovou rezervou výkonu projektováno není a protože se pro úspory tepla výhodně dlouhá topná přestávka v trvale obydlených objektech nevyskytuje, z výpočtů jednoznačně vyplynula ekonomická výhodnost plynulého nepřerušovaného vytápění, dodnes kritizovaná těmi, kteří celý princip nepochopili.

Dnešní stavební objekty s více izolovanými konstrukcemi jsou na tom poněkud lépe, ale stále platí, že opakované zátopové stavy jsou ekonomicky nevýhodné. Funkční křivky chladnutí a ohřevu místnosti, i výkonu otopného tělesa nejsou lineární a jednoduché úvahy v této oblasti jsou vždy zkreslené, protože každá místnost vykazuje jinou funkční závislost úrovně tepelné pohody na přívodu tepelné energie otopnou soustavou (což právě zcela ignoruje "hydraulické a hydronické pojetí" oboru).

Ale představme si, že polovina bytů přeruší vytápění a zbývající byty budou pro udržení své původní teploty potřebovat zvýšený výkon otopných těles. Uživatelé bytů s nepřerušeným vytápěním tedy zvýší průtok otopnými tělesy, ale otopná tělesa s nominální otopnou plochou nebudou schopna předat do místností výkon úměrný teplotnímu deficitu. Teplo se tedy do místností nepředá a přiváděná tepelná energie se ve formě zvýšené teploty vratné vody bude vracet zpět do zdroje tepla, bez adekvátního využití v tepelných spotřebičích. Takto navrácená energie byla vyrobena zbytečně a také zbytečně ke spotřebičům dopravena. Chceme-li tedy skutečně šetřit teplo, pak těmto neekonomickým provozním stavům musíme zabránit.

Je evidentní, že skutečné úspory tepla při vytápění budov vyžadují nový přístup a rozšíření okrajových podmínek řešení všech otopných zařízení o zpracování faktorů, které sdílení tepla mezi otopnou soustavou a vytápěným prostředím fyzikálně ovlivňují. Pro skutečné úspory tepla je právě komplexní řešení vztahů mezi otopnou soustavou a vytápěným prostředím, kterým se hydraulika ani hydronika nezabývají, naprosto klíčové. Analýzou energetických nároků na vytápění jednotlivých místností bychom zjistili, že doporučení zakotvená v legislativě - například rozdělení soustavy na dvě samostatně regulované zóny "podle fasád" nebo určení vnitřní teploty vzduchu vytápěných místností pouze "podle počtu ochlazovaných stěn", atd. - mohou být zcela mylná právě proto, že se opírají o nekomplexní řešení oboru a vycházejí z neúplných poznatků hydrauliky a hydroniky o funkci vytápění.

Termohydraulika umožnila podmínky ekonomické funkce vytápění nejen definovat, ale v individuálně projektovaných dynamických soustavách vždy vyřešit a termohydraulický projekt obsahuje důležitou dimenzi navíc - řeší úspory tepla regulační technikou, odstraňuje hlučnost a garantuje bezporuchovou funkci.

Lidé boj o úspory tepla vyhrají

Termohydraulické řešení s plnou aktivací teplotních čidel tepelným působením otopné soustavy, se zkoordinovanou funkcí obou složek kombinované regulace, s minimalizací vyráběného tepla pro okamžité potřeby uživatelů, se stabilizací hydraulických poměrů v sítích, s vyloučením zkratových průtoků a s téměř 100% účinností všech regulačních procesů udržením shodné střední teploty u spotřebitelů i v tepelném zdroji, otevřelo cestu ke skutečným úsporám tepla regulační technikou a k oprávněnému optimismu v oblasti zásobování teplem.

Požadovaného efektu vytápění v koncových bodech soustav a sítí můžeme dnes dosáhnout nižší teplotou teplonosné látky na počátku a jednoduchými úpravami soustav po zateplení stavebních objektů můžeme dokonce přejít na nízkoteplotní parametry teplonosné látky s historicky nejúspornějším přenosem tepla, a to jak v sekundárních, tak i v primárních rozvodných sítích.

Obor vytápění opět pokročil a naplnění požadavků enviromentální strategie dnes řeší v nejdůležitější oblasti optimálního využívání nevratně vyrobeného tepla, při jehož úsporách dosáhl fyzikální hranice možností.

Termohydraulické řešení ušetří i čerpací práci v oblasti dynamické regulace větších spotřebičů tepla, jakými jsou například výměníkové stanice nebo velké spotřebiče opatřené kvantitativní regulací výkonu, protože umožní navrhovat akční prvky s nižší hydraulickou autoritou. O tom v dalších částech seriálu pojednáme podrobněji při řešení kvantitativní regulace.

Podklady

Galád V. - Výsledky měření provozních parametrů v dynamických soustavách
Matějček J. - Zkušenosti ze soudně znalecké praxe

Literatura

Ráž J., Genath B. - SHT "Vermutlich machen wir vieles falsch"
Ráž J., Genath B. - SHT "Echte Innenraum - Temperaturregulung mit Thermostatventilen"
Ráž J. - SHT "ETM kontra traditionell"