Stanovení optimálních provozních parametrů teplovodních vytápěcích soustav

Úvod

Vnitřní teplotu místnosti zajišťuje vytápěcí soustava společně s vnitřními i vnějšími tepelnými zisky, které vznikají v místnosti či do ní pronikají. Pokud by zařízení vytápěcí soustavy, včetně centrální i lokální regulace, dokázalo udržovat požadovanou vnitřní teplotu naprosto přesně, tj. bez regulační odchylky, zcela bychom využili nabízené tepelné zisky¹⁾ a odběr tepla na vytápění by byl minimální²⁾. Cílem příspěvku je nastínit postup pro stanovení optimálních provozních parametrů teplovodních vytápěcích soustav. Při návrhu teplovodních vytápěcích soustav se totiž neuvažují tepelné zisky pronikající do místností. Vychází se ze třech základních parametrů. Z výpočtových teplot přívodní a zpětné vody a z výpočtového průtoku.

Pro provoz se většinou předpokládá, že regulace tepelného výkonu se bude dít kvalitativně, tj. změnou teploty přívodní vody. Potom lze pro dané výpočtové teploty vody a pro konstantní průtok výpočtem stanovit topné křivky, což jsou závislosti teplot přívodní a zpětné vody na vnější teplotě. Topné křivky jsou vždy vloženy do ekvitermických regulátorů. Při uvádění vytápěcích soustav do provozu se uvedené základní parametry mají nastavit a seřídit.

Pokud při vytápění chceme maximálně využít tepelné zisky, musíme současně nastavit a seřídit základní parametry vytápěcí soustavy na optimální hodnoty. Optimálními hodnotami se rozumí takové minimální hodnoty, které ještě postačují zajišťovat tepelnou pohodu ve vytápěných místnostech. Provoz vytápěcích soustav s optimálními hodnotami základních parametrů přináší tyto důležité výhody:

• klesá odběr tepla z otopných těles, čímž je potlačeno přetápění místností,
• klesají tepelné ztráty v rozvodu tepla,
• klesá čerpací příkon oběhových čerpadel až o několik desítek procent.

Nástin řešení

Zásadním prvním krokem, potřebným pro stanovení optimálních provozních parametrů, je určení poměrného tepelného zisku pro místnost q_a (-). Je dán poměrem tepelného zisku k výpočtovému výkonu otopného tělesa. Předpokládá se, že je shodný pro všechny místnosti budovy. Poměrný tepelný zisk lze stanovit výpočtem ze změřených hodnot vnitřních teplot místností, vnější teploty a teplot oběhové vody. Po zkušenostech s provozem domovních soustav v určitém tepelném okrsku lze také použít odborný odhad. Nejlépe je předvést postup na příkladu.

Příklad

Domovní teplovodní vytápěcí soustava byla navržena na výpočtové teploty přívodní a zpětné vody 90/70 °C a na výpočtové vnitřní a vnější teploty 20 a -12 °C. Topné křivky (obr. 1) jsou dány přívodní křivkou AB a zpětnou křivkou CB. Poměrný tepelný zisk q_a = 0,125 byl stanoven odborným odhadem.

Rozmezí vnějších teplot (K), při kterých již není nutno "teoreticky" vytápět, stanovíme ze vztahu

Δt_b = q_a. Δt_n = 0,125. 32 = 4 K

kde Δt_n je rozdíl výpočtové teploty vnitřní a vnější (K).

obr. 1 - Topné křivky 90/70/20/-12 °C

Znamená to, že mezi vnějšími teplotami 20 a 20 - 4 = 16 °C již není nutno vytápět (nezaměňujme s vnější teplotou, při které začíná či končí vytápění). Svislá přímka o teplotě 16 °C, při které končí vytápění, protíná přívodní topnou křivku v bodě B. Tento bod má druhou souřadnici (teplotu přívodní vody) ve výši 33,5 °C. Protože souřadná soustava topných křivek má začátky stupnic vztahované na teploty 20 °C, budou hledané optimalizované topné křivky sníženy o 33,5 - 20 = 13,5 K. Topné křivky 90/70 °C tak přejdou na křivky 76,5/56,5 °C. Přívodní topná křivka bude dána křivkou AD, zpětná topná křivka křivkou CD.

Optimální poměrný průtok (-) stanovíme ze vztahu

m_k = 0,9. (1 - q_a) = 0,9. (1 - 0,125) = 0,79.

Ve vztahu představuje činitel 0,9 možné snížení průtoku při působení nezapočitatelných tepelných zisků. Vztah byl odvozen z následující úvahy. Vlivem tepelných zisků se sníží tepelný výkon těles, proto by při zachování původního průtoku klesl i rozdíl teplot oběhové vody. Aby byl rozdíl teplot oběhové vody zachován, sníží se patřičně průtok vody.

¹⁾ Tepelné zisky jsou tepelným výkonem a mají během uvažované periody, nejčastěji jednodenní, buď stálou hodnotu nebo vykazují proměnné hodnoty. Jednotlivé tepelné zisky potom společně vytvářejí časový průběh tepelných zisků. Mezi vnitřní tepelné zisky místnosti patří jednak tepelné zisky cizí, což je tepelný výkon ze spotřebičů energií a z přítomných osob, jednak tepelné zisky vlastní. Za vlastní tepelné zisky považujeme tepelné výkony, které navíc nad potřebnou výši pro vytápění dodává do místnosti vytápěcí soustava. Jedná se např. o výkony vznikající vlivem:

• předimenzované otopné plochy (dáno projektem, případně zateplením objektu),
• vyšší teploty přívodní vody do tělesa (dána nastavením centrální regulace),
• vyššího průtoku oběhové vody tělesem (dán hydraulickým neseřízením a nenastavením čerpadla),
• činnosti lokální regulace s regulačními odchylkami, která připouští přetápění,
• nezapočítaných výkonů potrubí, která procházejí místností (dáno projektem),
• nenaplnění výpočtové výměny větracího vzduchu (dáno provozem místnosti).

Mezi vnější tepelné zisky patří sluneční záření prostupující okny. Je buď přímé (vektorové) o hodnotách až 700 W.m^-2 plochy okna nebo difuzní (všesměrové) o hodnotě kolem 100 W.m^-2. Přímé záření od Slunce dopadá do místnosti při jasné obloze. Difuzní záření působí i při zatažené obloze, a to i ze severu.

²⁾ Ve skutečnosti vždy odebíráme větší množství tepla na vytápění oproti množství minimálnímu. Míru zvětšeného odběru tepla během vybrané časové periody lze vyjádřit součinitelem odběru tepla na vytápění místnosti ε (-), který je dán poměrem skutečného tepla odebraného pro vytápění ku minimálnímu teplu potřebnému pro vytápění. Hodnota součinitele odběru tepla na vytápění je rovna nebo větší než 1. Pomocí součinitele odběru tepla na vytápění můžeme hodnotit technickou úroveň vytápěcí soustavy včetně funkce centrální a zejména lokální regulace. Úroveň se týká nejen návrhu, ale i provedení se seřízením a také způsobu provozu.