Řízení průtoku otopných soustav

Možnosti úspor energie spotřebované oběhovým čerpadlem

Masové použití oběhových čerpadel s plynulou regulací otáček (a tedy jejich výkonu) na konstantní tlakovou diferenci ve spojení s hromadnou instalací termostatických ventilů u nás představovalo v polovině devadesátých let revoluční řešení, které umožnilo získat podstatné, do té doby nevyužitelné úspory energie. Při důkladné analýze chování otopných soustav, ve kterých je přívod tepelné energie do jednotlivých otopných větví řízen přimícháváním vratné vody ze zpátečky do přívodu trojcestnými směšovacími armaturami, však můžeme nalézt ještě další potenciál úspor.

V současnosti nejběžnějších otopných soustavách provádí regulaci tepelného výkonu předávaného v místnostech prvotně klasický ekvitermní regulátor, který na základě informace o venkovní teplotě řídí pomocí motoricky ovládané trojcestné armatury teplotu na přívodu. Je-li otopná křivka regulátoru správně nastavena, je tato regulace dostatečná. K regulaci termostatickými ventily na otopných tělesech v jednotlivých místnostech pak dochází pouze při vlivu cizího tepla, jako je sluneční záření, přítomnost osob v místnostech apod. Pokud by cizí zdroje tepla nebyly, znamenalo by to, že by byl po celou provozní dobu v soustavě konstantní průtok vycházející z provozních podmínek při nejnižší uvažované vnější teplotě. Stoupá-li vnější teplota, je tepelný výkon redukován snížením teploty na přívodu přimícháváním studené vody ze zpátečky, průtok však zůstává stejný. Pouze vlivem cizího tepla v místnostech dojde ke škrcení průtoku termostatickými ventily a tedy k využití vlastností čerpadla s regulovanými otáčkami. Výsledkem je, že kromě dnů s nejnižší uvažovanou vnější teplotou, a tedy po většinu provozní doby, je okruhem dopravováno zbytečně velké množství vlažné vody. Její teplota je totiž regulací ekvitermně snižována a důsledkem je i omezování regulačních zásahů - škrcení - termostatickými ventily na co nejkratší dobu. Tepelný výkon otopných těles závisí na střední teplotě otopné vody. Jejich výkon lze proto snižovat i snížením průtoku, dosažením větší teplotní diference a tedy nižší střední teploty. Regulační systém BOA-Systronic využívá těchto poznatků a podstatně snižuje průtok v soustavě při zachování tepelného výkonu soustavy.

Hydraulické zapojení

Obrázek 1 představuje hydraulické zapojení sytému BOA-Systronic v porovnání s obvyklou soustavou s trojcestnou směšovací armaturou. Funkci trojcestné armatury nahrazují dva dvoucestné regulační ventily BOA-CVE SuperCompact (1 na přívodu, 1 ve směšovacím potrubí), vyvažovací ventil na zpátečce je nahrazen měřicím ventilem BOA-Control IMS. Ten plní svou funkci pouze při uvádění do provozu. Oběhové čerpadlo s plynulou regulací otáček musí být schopné komunikace v sytému LON (což je dnes standardem u většiny výrobců čerpadel).

Obr. 1 - Hydraulické zapojení systému BOA-Systronic v porovnání s obvyklou soustavou s trojcestnou armaturou

Signál z ekvitermního regulátoru, který v obvyklé soustavě řídí trojcestnou armaturu, je přiveden do řídicí jednotky nazývané Systrobox. Ten jej rozdělí na řídicí signál pro dvě dvoucestné armatury a oběhové čerpadlo. Čerpadlo, které dosud pracovalo autonomně v závislosti na škrcení soustavy, je nyní řízeno společným regulačním systémem. Fyzická podoba použitých armatur systému BOA-Systronic je na obrázku 2.

Obr. 2 - Armatury použité u systému BOA-Systronic: zleva měřicí ventil BOA-Control IMS,
hlavní regulační ventilBOA-CVE s řídicí jednotkou Systrobox a regulační ventil směšovacího potrubí BOA-CVE

Princip systému

Pro teplovodní topný okruh platí vztah

P_therm = 1,16 . Q . ΔT

P_therm = tepelný výkon
Q       = průtok
ΔT      = teplotní spád

Jak jsme si vysvětlili v předchozí kapitole, průtok v klasickém okruhu zůstává (nedochází-li k vlivu cizího tepla) konstantní. V trojcestné armatuře totiž zůstává celkový průtok na výstupu stejný, ať je poměr vstupní teplé vody od kotle a studené vody ze zpátečky jakýkoliv (viz obr. 3). Proto musí být tepelný výkon okruhu řízen pouze přes teplotní spád. Oproti tomu dvě dvoucestné armatury u BOA-Systronicu umožňují individuální řízení průtoku.

Systém s trojcestnou armaturou




Dvě dvoucestné armatury systému BOA-Systronic



Obr. 3 - Porovnání průtoků trojcestné armatury a systému BOA-Systronic

Při základním dimenzování systému BOA-Systronic je již výchozí dimenzovaný průtok snížen. K zachování tepelného výkonu je proto nutné nepatrně zvýšit teplotu na přívodu. Například pro teplotní spád ΔT = 20 K je to 3,5 °C. Toto zvýšení teploty lze zajistit jednoduchým paralelním posunem otopné křivky nadřazeného ekvitermního regulátoru. Protože je ohříváno menší množství vody, nezvyšuje se potřeba tepla, nedojde tímto posunem ke zvýšení nákladů na výrobu tepla.

K vlastní úspoře provozních nákladů pak dochází tím, že provozní bod čerpadla (tedy průtok Q a dopravní výška H) je systémem BOA-Systronic veden na nejnižší možné úrovni při zachování tepelného výkonu soustavy. Průběh regulační charakteristiky ukazuje obrázek 4.

Obr. 4 - Regulační charakteristiky

Regulační křivka čerpadla má tedy parabolický průběh těsně nad charakteristikou potrubí, pouze v oblasti nejnižších dopravních výšek již udržuje minimální dopravní výšku na konstantní úrovni.
Pro rozlišení od soustavy s trojcestnou armaturou je nutné si uvědomit, že provozní bod čerpadla v systému BOA-Systronic se po této regulační charakteristice pohybuje kontinuálně v závislosti na vnější teplotě. V soustavě s trojcestnou armaturou je provozní bod čerpadla nezávislý na vnější teplotě a stále stejný, pouze při vlivu cizího tepla dojde k jeho posunu doleva. Tato vlastnost zůstává zachována i u BOA-Systronicu. To znamená, že při vlivu cizího tepla se provozní bod čerpadla posune ještě doleva.

Obr. 5 Referenční zařízení BOA-Systronic u Deutsche Telecom v Heidelbergu

Žádaný průběh regulační křivky čerpadla si systém zjišťuje při uvádění do provozu. Propojení čerpadla a měřicí armatury na zpátečce se systémem BOA-Systronic umožňuje, aby software postupně zvyšoval otáčky čerpadla a k nim měřil příslušný průtok. Tím se načte potrubní charakteristika okruhu a ta je spolu se zadáním jmenovitého průtoku a dopravní výšky podkladem pro řízení za provozu. Další seřizování průtoku danou větví (vyvažování) není potřeba. Měřicí ventil (BOA-Control IMS) zůstane za provozu zcela otevřen. Systém totiž do větve kontinuálně pouští jen takový průtok a takový tlakový rozdíl, jaký je v daném okamžiku potřeba.

Projektování

Zcela nový princip regulace samozřejmě mění i způsob dimenzování otopné soustavy. K usnadnění práce poskytuje výrobce software, ve kterém je projektantem zadán tepelný výkon větve, teplotní spád a odpory dimenzované větve. Software pak navrhne průtok a dopravní výšku čerpadla a světlosti hlavního a směšovacího potrubí a jeho armatur.

Průtok je při použití systému BOA-Systronic vždy nižší než v konvenční soustavě s trojcestným směšovacím ventilem, a to již ve výchozím dimenzovaném provozním bodě. Proto je možné zpravidla použít nižší světlosti potrubí i armatur a menší oběhové čerpadlo. Stálé přizpůsobování dopravní výšky a průtoku čerpadla potrubní charakteristice, která se za provozu mění v závislosti na měnících se odporech termostatických ventilů, pak činí v dané větvi nadbytečnými takové prvky jako přepouštěcí ventily nebo regulátory diferenčního tlaku. Tyto investiční úspory tak většinou vyrovnají nebo i překonají vyšší pořizovací cenu tohoto systému pramenící z použití dvou regulačních ventilů místo jedné trojcestné armatury.

Ověření v praxi

Pro ověření systému v praxi byla výrobcem v roce 2001 vybrána budova Deutsche Telecom Immobilien v Heidelbergu s teplovodní otopnou soustavou o tepelném výkonu 2 MW, jejíž východní křídlo bylo vybaveno konvenční technologií s trojcestnou armaturou a srovnatelné západní křídlo systémem BOA-Systronic (obr. 5). Po dobu jednoho topného období byly sledovány veličiny potřebné pro porovnání obou systémů. Popis měření a jeho výsledky byly popsány v časopise TAB, číslo 10/2003. Pro názornost připojuji grafy zachycující naměřené průběhy elektrického příkonu čerpadel a diferenčního tlaku, z nichž je patrný vysoký potenciál úspor. Použitím systému BOA-Systronic bylo dosaženo úspory přes 50 % elektrické energie spotřebované oběhovým čerpadlem.

Elektrický příkon pohonu čerpadla; leden - březen 2002;
trojcestná směšovací armatura; BOA-Systronic

Obr. 6 - Skutečný elektrický příkon pohonu čerpadel v referenčním zařízení

Diferenční tlak na čerpadla; leden - březen 2002;
trojcestná směšovací armatura; BOA-Systronic

Obr. 7 - Skutečný diferenční tlak na čerpadle