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

Regulace tepelného výkonu změnou průtočného množství má v oboru vytápění obecně menší vliv než regulace změnou kvality teplonosné látky, přesto je řada oblastí kde se oprávněně používá a v koncových bodech (TRV) je dokonce klíčová. Kolegové z oboru "elektro" nás v chápání podstaty regulačních procesů většinou snadno předčí a to nejen pro své bohaté zkušenosti nabyté od roku 1965, kdy přibližně vznikl obor M+R. Z jejich dílny pochází množství inteligentních nápadů a schémat, korigujících naše "topenářské" nedostatky a dopracovali se až ke skutečně "inteligentní" regulaci, disponující dokonce samoučící schopností a prognostikou vývoje řídicích veličin v čase. Na samém vrcholu tohoto vývoje pak stojí systémy IRC a nákladné "inteligentní" systémy, snímající a regulující všechny parametry řízeného přenosu a zpracování tepla.

Jenže v celém tom navrhování jsou dva háčky. Proud teplonosné látky v potrubí je sice velmi podobný proudu elektronů v drátu, ale změna teplotních parametrů teplonosné látky na trase ke spotřebiči je ve vytápění významná. Daleko podstatnější však je, že i ty "nejinteligentnější" regulační okruhy realizují své regulační záměry pomocí akčních členů (obyčejných ventilů), na jejichž vlastnostech a výkonových charakteristikách úspěšnost regulace životně závisí.

Ukažme, jak termohydraulika ovlivnila návrh akčních členů kvantitativní regulace a jak pomáhá podstatně zvýšit účinnost a úspěšnost regulačních procesů, při současném zkrácení návratnosti finančních prostředků vložených do regulační techniky.

Obr.1 Jednoduchý okruh kvantitativní regulace výkonu

Akčním členem regulačního okruhu je běžný dvoucestný ventil a úkolem je regulovat tepelný výkon spotřebiče při konstantní výstupní teplotě ze zdroje tp = 90°C v rozsahu 15000 - 55250 W a při teplotě vratné vody tz = 70°C.

Klasický (hydraulický) návrh RV:

Soustava 90/70°C, Pmax = 55250 W, Pmin = 15000 W = 27,1% Pmax, Hdif = 30000Pa, ΔpOK = 13483 Pa, na regulační RV zbývá ΔpS = 30000 - 13483 = 16517 Pa, tsm = 79,44°C, Cts = 4196,4 J kg^-1K^-1, ts = 972,33 kg m^-3.

Požadovaný průtok "G", součinitel Kv a tlaková ztráta otevřeného ventilu ΔpO:

Z výrobní řady je zvolen RV DN 40 s Kv = 6,3 a s hydraulickou autoritou a = 0,519 (menší hydraul. autorita není v odborných textech, vycházejících z hydrauliky, doporučena).

Pozn.: Hydraulická autorita bývá občas chybně interpretována jako podíl tlakové ztráty otevřeného ventilu k tlakové ztrátě seřízeného ventilu.

Správné určení autority "a" je:

Lze ještě určit zdvih kuželky "hmax" pro "Qomax" např. pro lin. char.:

Splněním hydraulického kritéria a > 0,5 klasický návrh RV prakticky končí, aniž bychom mohli blíže ověřit, která z vyráběných regulačních charakteristik je pro daný účel nejvhodnější a zda navrženým RV opravdu dosáhneme splnění požadavků na regulaci.

Termohydraulický návrh RV:

Správný průtok regulovaným okruhem při tp = 88°C a tz = 71°C činí:

Při správném průtoku činí tlaková ztráta potrubí včetně spotřebiče ΔpOK = 18664,56 Pa a na regulační ventil RV zbývá jen 30000 - 18664,56 = 11335,44 Pa. Z výrobní řady musí být zvolen RV DN 40 s Kv = 10 m³ h^-1 a správné hodnoty Kv a ΔpO činí:

Hydraulická autorita tohoto RV však činí jen:

Menší hodnotu "Kv" s vyšší autoritou v okruhu zvolit nelze, protože diferenční tlak 30 kPa na počátku okruhu by byl nedostatečný.

Termohydraulika "hydraulicky" postavená kritéria správnosti návrhu nemá. Úkolem akčního členu v obr.1 není regulovat průtok a hydraulická kritéria, vztažená k autoritě ventilu, jsou proto nesmyslná. Místo autority je sledována skutečná závislost regulované veličiny (tepelného výkonu) na pracovním zdvihu kuželky a uplatňují se přitom dva jiné logické požadavky:

1. Aby závislost regulované veličiny na pracovním zdvihu kuželky byla linearizována.
2. Aby pracovní zdvih kuželky v rozsahu požadovaných výkonů byl větší než h = 0,15 a menší než h = 1.

regulační rozsah vyplývající ze zadání, tj. 55250 W = 100% a 15000 W = 27,15% v hydraulicky stabilní oblasti s jistou rezervou, tj. při zdvihu kuželky h < 0,2.

RV DN 40 - Kv = 10 m³ h^-1

Regulace průtoku: 39,51% - 106,08%
Regulace výkonu: 74,61% - 101,30%
Tj. 41224 W - 55971 W

Ventil s lineární charakteristikou není pro řešený okruh vhodný, protože nesplňuje podmínky zadání na rozsah regulovaného výkonu, ani logické požadavky na kvalitu regulace.

RV s lin. charakteristikou by navíc často pracoval v hydraulicky nestabilní oblasti zdvihu (h<0,2), s cyklicky se opakujícími korekcemi v krátkém časovém sledu a proto i s nízkou životností.

Všechny klasické metody návrhu RV se vztahují ke křivce průtoku, která z hlediska požadavků na návrh akčního členu regulace není důležitá.

Potřebnou vypovídací hodnotu zde poskytuje pouze křivka regulovaného výkonu, kterou hydraulické pojetí oboru neřeší a profesi M+R neposkytuje žádné podklady k jejímu určení.

Projektanti M+R proto právem žádají, aby výběr akčního členu regulace byl termohydraulickým výpočtem určen již v rámci předaných podkladů ÚT pro elektrické zapojení okruhu.

Obr.2 Regulační rozsah RV charakteristika lineární

V ekonomice vytápění budov platí "úspory = regulace tepla" a nikoliv "úspory = regulace průtoku".

Průtoky teplonosné látky jsou a vždy budou jen pomocnou veličinou, nikoliv nosným řešením oboru vytápění.

RV DN 40 - Kv = 10 m³ h^-1

Regulace průtoku: 11,11% - 106,08%
Regulace výkonu: 35,79% - 101,30%
tj. 19775 W - 55971 W

Ventil s parabolickou charakteristikou zajistí v řešeném příkladu kvalitnější regulaci a splňuje požadavek na pracovní zdvih kuželky h>0,15 při minimální hodnotě regulovaného výkonu Pmin.

Při regulaci minimálního výkonu ale zdvih kuželky zasahuje do hydraulicky nestabilní oblasti h<0,2.

Při čistě "hydraulickém pojetí oboru vytápění" by se zde hovořilo o linearizaci regulačního procesu, protože hydraulické výpočtové vztahy neumožňují křivku regulace tepelného výkonu sestrojit. V klasickém projektování tak nemá projektant M+R možnost, akční prvek regulace správně navrhnout.

Obr.3 Regulační rozsah RV charakteristika parabolická.

RV DN 40 - Kv = 10 m³ h^-1

Regulace průtoku: 7,88% - 106,06%
Regulace výkonu: 25,87% - 103,83%
tj. 14294 W - 57366 W

Ventil s ekviprocentní charakteristikou zde splňuje podmínky zadání ideálně.

Závislost regulovaného tepelného výkonu na zdvihu kuželky akčního prvku je linearizována v celém rozsahu regulace, která probíhá v hydraulicky stabilní oblasti h = 0,2 až h = 1.

O "hydraulické autoritě" bylo napsáno mnoho článků a knih, ale "hydraulické informace" platí jen pro hydraulické systémy, tedy nikoliv pro vytápění, které hydraulickým systémem není.

Akční člen regulace NEMUSÍ vykazovat hodnotu hydraulické autority "alespoň a = 0,5" a vyšší autorita než a = 0,3 by zde byla dokonce na škodu, protože by narušila ideálně linearizovaný funkční průběh regulace tepelného výkonu.

Při autoritě a = 0,3 může celý regulační okruh navíc pracovat s nižšími požadavky na čerpací práci a proto podstatně úsporněji, při své delší životnosti.

Obr.4 Regulační rozsah charakteristika ekviprocentní

Nemá-li hydraulika a hydronika k dispozici spolehlivou metodu pro navrhování akčního členu regulace vytápění, tím méně to můžeme požadovat od projektantů M+R, jejichž nosným oborem je "elektro".

"Inteligentní regulace" je však na správné funkci akčního členu životně závislá. Sama o sobě může "sebeinteligentněji" pohybovat kuželkou "nahoru - dolů", ale konečné důsledky takového pohybování kuželkou chybně navrženého akčního členu sama nenapraví. Otopné soustavy nefungují na principu distribuce a regulace teplonosné látky, ale tepla. Skutečně důležitá není křivka závislosti průtoku na zdvihu kuželky, ale křivka závislosti tepelného výkonu, kterou hydraulika a hydronika nedovedou určit a proto nemohou garantovat správný návrh nejdůležitějšího prvku celé regulace. Otopné soustavy i rozvodné sítě potřebují termohydraulické řešení a termohydraulický návrh akčních členů regulace.

Křivka závislosti regulovaného tepelného výkonu je jediným korektním kritériem správnosti návrhu akčního členu regulace, na kterém závisí účinnost, funkce, ekonomika i životnost regulačního okruhu vytápění.

Obr.5 Hodnoty pro tm při výpočtu křivky regul. výkonu.

Pro určení jejího průběhu v závislosti na zdvihu kuželky akčního členu jsou potřebné termohydraulické výpočty, ležící zcela mimo obory hydrauliky nebo elektro.

V oboru vytápění se při očekávaných úsporách tepla na funkci regulace plně spoléháme a její nejdůležitější komponenty proto nemohou být nadále navrhovány bez znalosti limitních požadavků na regulaci a bez jakékoliv kontroly funkčního průběhu výkonových charakteristik prvků, na nichž záleží efekt investovaných finančních prostředků nejvíce.

Nákladné systémy "inteligentní regulace" si zaslouží, aby jejich nejdůležitější komponenty byly navrhovány fyzikálně správně.

Hodnoty "tp" a "tz" na obr.5 jsou pro každý druh spotřebiče individuální a musejí být řešeny.

Inteligenci otopné soustavě uděluje inteligentní regulace. Inteligenci inteligentní regulaci uděluje termohydraulika

Regulace je naším jediným fyzikálně zdůvodněným prostředkem k dosažení úspor tepla při vytápění budov. Klasicky navržené regulační okruhy v soustavách IRC, ve zdrojích tepla, v rozvodných sítích i při regulaci solitérních spotřebičů, pracují s klasicky navrženými akčními členy. Ve všech těchto případech mohou tato nákladná zařízení pracovat mnohem efektivněji a ekonomičtěji a významně zkrátit dobu návratnosti prostředků, které do nich byly investovány. Ve všech těchto případech mohou být termohydraulickým řešením uděleny vysoce úsporné vlastnosti i stávajícím soustavám a rozvodným sítím.

Termohydraulika pomáhá šetřit teplo ve všech oblastech oboru vytápění

Po zkušenostech a výsledcích, jakých bylo dosaženo v oborech hydrauliky a hydroniky, termohydraulika soustředila veškeré úsilí na přímou práci s teplem. Pochopila, že úspory tepla řešené klasickými obory se nikdy nevyrovnají reálným tepelným ziskům, protože by to odporovalo fyzikálním zákonům. Teplonosná látka přestala být vnímána jako hlavní cíl návrhových výpočtů a stala se pouze tím, čím je a vždy byla, tedy pouze pomocnou veličinou. Různé teoretické přednášky, zaměňující regulaci průtoku s regulací tepelného výkonu, je proto potřebné správně vnímat a rozlišovat. Termohydraulika vznikla právě proto, aby pomohla roztříštěné názory v oboru vytápění sjednotit a ekonomiku vytápění skutečně vyřešit.

Vývoj algoritmů v oboru vytápění se začal ubírat úplně jiným směrem. Zatímco v klasickém pojetí se algoritmy zabývají teplonosnou látkou a výsledný efekt vytápění pouze předpokládají, termohydraulika pracuje s teplem a při řešení tohoto cíle je teplonosná látka pouze odvozenou hodnotou, kterou musí vykazovat příslušný nosič tepla. Termohydraulika i nadále pracuje se základními vztahy, ale kvantifikuje požadavky na vlastnosti teplonosné látky a v základních vztazích nahrazuje konstanty reálnými hodnotami. Je pochopitelné, že tento generální posun v myšlení a řešení oboru nemohl být veřejnosti předložen dříve, než se ztotožnil s výsledky naměřenými v praxi a než termohydraulika mohla odpovědět na otázky, na které klasické metody projektování odpověď nenašly. Nové algoritmy jsou součástí nové pracovní verze software.

Kvantitativní regulace je v dynamických soustavách řízena termicky a průtoky se pouhými hydraulickými výpočty a seřízením hydraulických poměrů neřídí

Ani ta nejpečlivěji hydraulicky vypočtená a podle těchto výpočtů seřízená otopná soustava se vůbec nemusí chovat podle našich představ, ale termohydraulicky navržená soustava se podle projektu chová.

Na našem trhu se ustálilo používání TRV s tzv. "předregulací".

Podkladem výrobců TRV jsou hodnoty průtokových součinitelů "Kv" v závislosti na nastavení "předregulace", které je výsledkem hydraulických výpočtů a je uvedeno v projektu.

Na obr.6 jsou uvedeny charakteristiky funkce TRV s "předregulací", z nichž vyplývá co výrobce myslí sdělením, že uvedená závislost "Kv" na nastavení "předregulace" platí pro proporcionální pásmo XP = 2K.

Obr.6 Výkonové charakteristiky TRV s "předregulací" - model

Vidíme, že projekt otopné soustavy pracuje pouze s jedinou závislostí hodnot "Kv" na nastavení "předregulace" a tato výrobcem uvedená závislost platí pro jediný zdvih kuželky TRV, kterého je v různých teplotách místností dosaženo různým seřízením termostatické hlavice.

Snižováním základní hodnoty seřízení termostatické hlavice tedy neekonomicky snižujeme průtok, přičemž teplota vody na vstupu do otopných těles klesá (již vyrobená energie se přeměňuje na tepelné ztráty v potrubí) a současně narůstají tepelné ztráty okolních místností, takže potřebujeme více tepla.

Zvyšováním základní hodnoty seřízení termostatické hlavice vytváříme zkratové průtoky, kterými většinou nedosáhneme odpovídající vnitřní teploty místnosti a tím správné aktivace teplotních čidel, takže stoupá teplota vratné vody vystupující z těles a vyrobená tepelná energie se bez plného využití k vytápění neekonomicky vrací zpět do tepelného zdroje, při dalším zvýšení tepelných ztrát tentokrát zpětného potrubí.

Zkratové průtoky jsou neekonomické a přímo ohrožují funkci soustavy.

Termohydraulicky řešená soustava pracuje ekonomicky, protože udržuje výrobcem určený vztah mezi řídicími teplotami a řízenými průtoky, při platných hodnotách "Kv" a tedy i při platných projektovaných hydraulických poměrech, které jsou přiřazeny k řídicím teplotám.

Ekonomický provoz otopných soustav vyžaduje plné využití vyrobeného tepla k vytápění a vyloučení zkratových průtoků teplonosné látky. "Přebytek" otopné plochy po zateplení budov tuto situaci poněkud zlepší, ale principy ekonomického termohydraulického řešení přitom musejí být zachovány, protože teplotní čidla musejí být tepelným působením otopné soustavy správně aktivována. Je tedy potřebné řešit nejen sdílení tepla mezi zdrojem a soustavou, ale i mezi soustavou, vytápěným prostředím a vnějším prostředím, jak to řeší termohydraulika.

Dva různé způsoby projektování - dva různé regulační ventily - dvě různé funkce zařízení - dvojí různé provozní úspory

Shrneme-li výsledky tohoto dílu seriálu, pak by při klasickém projektování byl v řešeném příkladu pravděpodobně navržen regulační ventil RV DN40 Kv = 6,3 m³/h s parabolickou charakteristikou, jehož průtoková charakteristika se nejvíce blíží lineárnímu průběhu. Ani ta nejdražší a "nejinteligentnější" regulace by však s tímto ventilem požadovaného rozsahu a kvality regulace nedosáhla, protože splnění všech podmínek zadání vyžaduje návrh regulačního ventilu RV DN40 Kv = 10 m³/h, s charakteristikou ekviprocentní.

Klasická (hydraulická) návrhová metoda se tak ve svých kritériích "nestrefila" nejen do požadovaného funkčního průběhu regulace, ale ani do výběru ventilu podle výrobní řady.

Vidíme, že se v oblasti projektování dynamických soustav máme stále co učit, což je spíše kladem než záporem. Ještě větším kladem však je, že dnes už máme metodu, která nám takové pochopení funkce dynamických soustav umožňuje a můžeme se vyhnout dřívějším omylům.

Termohydraulicky navržený ventil ušetří v hydraulicky stabilní oblasti zdvihu kuželky o 35,79-25,87 = 9,92% více tepelné energie, při menším počtu regulačních kroků a vyšší kvalitě regulace, takže i s delší životností regulačního okruhu. Těchto dalších cca 10% energie znamená úspory "navíc" nad rámec zvýšení o 25% až 30% úspor tepla z tepelných zisků termostatickými ventily. Kompletní termohydraulické řešení přitom přináší úspory tepla nejen u bytové regulační techniky (TRV) a ve zdrojích tepla, ale i při jeho distribuci rozvodnými sítěmi a dílčí úspory tepla se sčítají. V určitých případech je pak možno AKTIVNÍMI ÚSPORAMI TEPLA zdarma ušetřit obdobné množství tepelné energie, jako zateplováním budov.

Stačí jen jinak nastavit armatury!

V našem boji o úspory tepla jsme zatím vždy museli vynaložit obrovské úsilí, abychom pokročili o krůček vpřed. Astronomické částky, investované do vývoje a výroby termostatických ventilů, nám ze 40% tepelných zisků přinesly 10% - 15% úspor tepla. Nyní stačí jen jinak nastavit armatury, jejich seřízením správně aktivovat teplotní čidla a získáváme vyšší úspory tepla bez investic, zcela zdarma.

Na ostatních postupech, ani na uživatelském využití regulační techniky, se přitom nemění nic. Změna je pouze v tom, že soustava v základním projektovaném stavu pracuje s fyzikálně správnými parametry, se zajištěnými regulačními procesy, s plnou účinností regulačních prvků a proto ekonomicky. Změna je tedy v tom, že základní seřízení regulační techniky je provedeno tak, aby mohla tepelné zisky vnímat jako poruchovou veličinu regulačních procesů a mohla je přeměnit na úspory tepla.

Podklady

Galád V. - Výsledky měření provozních parametrů v dynamických soustavách
Matějček J. - Zkušenosti ze soudně znalecké praxe
Műller V. - Zkušenosti z řešení okruhů kvantitativní regulace
Ráž J. - Dvoucestné regulační ventily a termostatické ventily - nové výpočtové vztahy

Literatura

Bašta J. - TZB info - Regulační armatury - teoretická základna