Spôsoby vyregulovania rozvodov teplej vody

1. ÚVOD

Rastúce ceny energie nás nútia prehodnotiť dodávku Teplej Vody (TV) k spotrebiteľom a zabezpečiť jej čo najspravodlivejšie meranie pri dodržaní optimálnych vlastností.

Vzhľadom k tomu že priamo na odbernom mieste (byt, objekt, ...) sa meria len dodané množstvo TV a nie aj teplota, vznikajú odchýlky od skutočne dodanej energie v teplej vode. Z toho vyplýva hlavná požiadavka o zabezpečenie rovnakej vstupnej teploty na každom odbernom mieste, a minimalizovanie tepelných strát pri výrobe a distribúcii TV.

2. PREVÁDZKA ROZVODOV TV

Hlavné požiadavky kladené na TV:

• Teplota TV na výtoku 45 - 50°C počas 24 hod
• Vyhovujúci tlak TV
• Čo najpresnejšie meranie dodanej energie a množstva TV
• Zníženie tepelných strát v rozvodoch (možnosti odstávok)
• Čo najefektívnejšia výroba a distribúcia dodávky TV.

Faktory spôsobujúce nedostatky pri dodávke TV

Projekčné chyby:

• nesprávne navrhnutý rozvod cirkulácie TV
• nedostatočná akumulácia (resp. výkon ohrievača v odberových špičkách)

Prevádzkové nedostatky:

• inkrustácia v rozvodoch
• nesprávne prevádzkované útlmy pri dodávke TV
• stav tepelných izolácií
• nevhodné (chýbajúce) hydronické vyregulovanie rozvodov

Spôsob merania dodávky TV

Najbežnejší spôsob merania centrálnej dodávky TV sa realizuje v dvoch stupňoch.

• Na zdroji sa meria dodané teplo na ohrev TV (ohrev sa spravidla deje v zásobníku, alebo cez výmenník). Odobraté množstvo TV sa doplní studenou vodou na zdroji kde sa toto množstvo meria. Tieto dve zložky vplývajú najvýznamnejšie na cena za 1 m³ TV.
• Na odberných miestach sa spravidla meria odobraté množstvo TV (len meraním prietoku).

Závažným nedostatkom tohto riešenia je, že väčšina nevyregulovaných rozvodov nie je schopná zabezpečiť na vstupe do odberných miest rovnakú teplotu TV. Spravidla vznikajú poruchy v cirkulácii, kde je nutné zdĺhavé odpúšťanie vody "kým dôjde teplá voda". Množstvo odpustenej vody je merané aj napriek tomu, že nespĺňa parametre TV. Ďalšou nepriaznivou vlastnosťou je nerovnaká teplota na rôznych odberných miestach. Vplyv teploty a množstva studenej a teplej vody na napustenie do vane na kúpanie sa porovnáva na obr. č. 1. Jedná sa o veľmi jednoduchý a bežný prípad, napúšťania vody do vane na kúpanie. Použila sa teplota studenej vody SV=15°C, teplota vody vhodná na kúpanie 38°C. Teplota privádzanej vody TV v rozpätí 60-38°C. Pre dosiahnutie vhodnej teploty vo vani sa mení pomer zmiešavania SV a TV. Vzhľadom k rozdielnym cenám SV a TV, práve teplota TV spôsobuje odlišné odobraté množstvá TV a tým celkovú cenu vody pri spotrebe.

Obr. č. 1 - Pomer zmiešavania vody studenej 15°C a teplej 60°C~38°C pri napúšťaní
do vane na množstvo M=100 litrov na výslednú teplotu t =38°C.

Porovnanie

1 TV=50°C a SV=15°C je potrebných TV- 65,7 litrov a SV-34,3 litrov
2 TV=38°C a SV=15°C je potrebných TV-100,0 litrov a SV- 0,0 litrov

V tomto pomere to ovplyvňuje aj platby za odobratú vodu SV a drahšiu TV

3. PRIEBEH TEPLÔT TV NA NEVYREGULOVANOM OKRUHU

Nevyregulované okruhy rozvodu TV sa vyznačujú nerovnomernou teplotou vody na odberných miestach. Spôsobené je to chladnutím vody v potrubiach. Vzhľadom ku geometrii rozvodu a jeho nevyregulovaním, voda preteká vo zvýšenej miere cez bližšie stúpačky. Koncové rozvody majú dlhšiu trasu pre prúdiacu vodu. Z tohto dôvodu majú vyšší odpor, čo má za následok nižší prietok a vyššie vychladnutie. Problém ešte zvýrazňuje inkrustácia v potrubiach, ktorá je nerovnorodá. Spôsobuje ďalší nárast odporov v sieti. Keďže systém je otvorený, počas prevádzky sú náhodné odbery, ktoré komplikujú diagnostikáciu. Pre hydronické vyváženie sa uvažuje spravidla, že v systéme nie je odber TV, teplota vody na vstupe je vyhovujúca, beží cirkulačné čerpadlo.

Na obr. č. 2 je schéma rozvodu TV (je možné túto schému aplikovať aj na domový rozvod). Na objektoch A, B, C, D sú definované odberné miesta 1, 2, 3. Prietok do jednotlivých stúpačiek je označený MA, MB, ... Podobne to platí aj pre cirkulačné potrubie. Stúpačka najbližšia "A" má výrazne vyšší prietok ako najvzdialenejšia "D".

Na spodnej časti je priebeh teplôt "tA1, tB1, ..." sú teploty na vstupe do objektu (resp. prvé odberné miesto v objekte). Teploty "tA2, tB2, ..." sú teploty na poslednom odbernom mieste objektu. Čiarkovaná čiara označuje teplotu v cirkulačnom potrubí. V bodoch "A3, B3, ..." sa objekt napája na cirkulačný rozvod siete. Teplota vody v týchto bodoch vzniká miešaním z cirkulácie objektu a cirkulácie rozvodu. Do bodu "A3" vstupuje výrazne teplejšia cirkulácia z objektu, ktorá zvyšuje teplotu cirkulácie vonkajšieho rozvodu.

SCHÉMA ROZVODU TV ZDROJ - OBJEKTY

Obr. č. 2 - Schéma NEVYREGULOVANÉHO rozvodu TV, prietoky, priebeh teplôt

Z grafu jasne vyplýva nízka teplota na stúpačke "D". Teplota vody v cirkulačnom potrubí smerom ku zdroju sa zvyšuje primiešavaním vratiek z bližších stúpačiek. Pri diagnostikácii zdroja tepla meraním výstupnej teploty TV a teploty vracajúcej sa cirkulačnej vody teploty sú vyhovujúce. Napriek tomu rozvod vykazuje závažné nedostatky. V extrémnych prípadoch na niektorých miestach je cirkulácia nulová. Zvyšovaním prietoku zo zdroja sa problém nerieši. Prietok sa zvýši aj tam kde to nie je potrebné. Osadzovanie ďalších cirkulačných čerpadiel do rozvodu môže na určitých miestach spôsobiť opačný tok vody.

4. PRIEBEH TEPLÔT TV NA VYREGULOVANOM OKRUHU

Jednou z možností na zabezpečenie maximálnej rovnomernosti dodávky (zrovnanie teploty na odberných miestach) je hydronické vyregulovanie. Na obrázku č. 3 je pôvodný rozvod po vyregulovaní.

SCHÉMA ROZVODU TV ZDROJ - OBJEKTY

Obr. č. 3 - Schéma VYREGULOVANÉHO rozvodu TV, prietoky, priebeh teplôt

Z priebehu prietokov na objektoch vidieť výrazné zmeny. Objekt "A" má oproti maximálnemu prietoku v stave nevyregulovanom po vyregulovaní "MA" minimálne. Podmienka je zabezpečiť teplotu na posledných odberných miestach "tA2, tB2, tC2, tD2" v objektoch na požadovanej úrovni. Najnepriaznivejší objekt "D" má po vyregulovaní maximálne množstvo "MD". Zvýšeným prietokom sa zabezpečí vyššia vstupná teplota do objektu.

Po vyregulovaní na zabezpečenie vyhovujúcich teplôt postačuje nižší cirkulačný prietok do rozvodu. Teplota cirkulačnej vody vracajúca sa do zdroja môže byť aj nižšia ako v prípade nevyregulovaného rozvodu.

5. SPÔSOBY HYDRONICKÉHO VYREGULOVANIA

5.1. Statické vyregulovanie

• osadenie statického regulačného prvku na cirkulačné potrubie. Podľa výšky nákladu na realizáciu hydronického vyregulovania je možné ako regulačný prvok použiť clonu, alebo regulačný ventil sa možnosťou prednastavenia - obr. č. 4 A.

Úlohou armatúr je rozdelenie prietokov do jednotlivých objektov (stúpačiek) za účelom dosiahnutia rovnomerných teplôt na odberných miestach.

Podklady na dimenzovanie:

• meranie teplôt vody (potrubí) v uzlových bodoch rozvodu TV
• diagnostikácia DN a stavu izolácií
• diferenčný tlak na cirkulačnom čerpadle.

Vzhľadom k tomu, že systém TV je otvorený a počas prevádzky v rozvodoch dochádza k veľkým tlakovým zmenám, je vhodné merať teploty vody (resp. povrchu potrubí). Zo známych DN potrubí, stavu izolácií a teplôt priestorov ktorými potrubia prechádzajú, je možné prepočtom určiť z nameraných teplôt TV na cirkulačných potrubiach existujúce prietoky. Rozdelenie prietokov vody je závislé od tlakových strát, ktoré vytvárajú aj nánosy v potrubiach. Z vypočítaných prietokov sa určí miera zanesenia potrubí.

Z týchto údajov sa výpočtom určia požadované prietoky a tlakové straty na cirkulačných potrubiach. Tento spôsob návrhu je veľmi náročný na výpočtovú časť. Ako pomôcku používam vlastný softver, do ktorého sú vstupnými údajmi namerané teploty na prívodných a vratných potrubiach. Podstatné v danom prípade je zachytenie zmeny teploty, po dĺžke presne definovaného potrubia, a zároveň teplotný rozdiel medzi prívodným a cirkulačným potrubím. Na meranie je najvhodnejšie osadenie meračov s možnosťou zápisu. Zápis jednak jasne preukáže kolísanie teplôt počas prevádzky, a pri špičkových odberoch rozloženie teplôt, prietokov a vlastností zdroja.

Po skúsenostiach je meranie teplôt (na povrchu potrubia) hodnota, ktorá najpresnejšie vypovedá o sústave. Meranie prietokov (ultrazvukom, alebo na jestvujúcich meracích ventiloch) a meranie diferenčných tlakov je nevhodné až nepoužiteľné. Výrazne sú veličiny ovplyvnené otvorenosťou systému a náhodilých odberov.

Výhody statického vyregulovania

• bez ohľadu na teplotu vody TV v rozvodoch armatúry rozdelia prietoky v požadovanom pomere.
• možnosť preregulovania pri zmenách v rozvodoch (ak sa použijú regulačné armatúry)
• možnosť termickej ochrany proti legionelám
• cenovo výhodné riešenie

Nevýhody statického vyregulovania

• náročné na diagnostikáciu a výpočty
• ak je teplota TV vyššia ako požadovaná, systém je prevádzkovaný neekonomicky
• systém nie je schopný reagovať sám na prevádzkové zmeny.

5.2. Dynamické vyregulovanie

• osadenie termostatickej armatúry na cirkulačné potrubie - obr. č. 4 B. Úlohou armatúr je udržiavať nastavenú teplotu vody pretekajúcu armatúrou, škrtením prietoku.

Podklady na dimenzovanie:

• meranie teplôt vody (potrubí) v uzlových bodoch rozvodu TV
• diagnostikácia DN a stavu izolácií
• diferenčný tlak na cirkulačnom čerpadle

Výhody dynamického vyregulovania

• termostatické armatúry udržujú prietoky na množstvách, ktoré zabezpečujú nastavenú teplotu TV
• automatické prispôsobovanie sa podmienkam

Nevýhody dynamického vyregulovania

• náročné na diagnostikáciu a výpočty
• ak je teplota TV nižšia ako požadovaná, termostatické armatúry otvárajú, zvyšujú prietok a systém sa tým stáva nevyregulovaný (takýto stav je aj pri prevádzkovaní rozvodov TV s nočnými útlmami resp. odstávkami pri rannom nábehu)
• pre umožnenie termickej ochrany proti legionelám je nutné použiť termostaty s touto funkciou (mierny nárast ceny armatúry)
• cenovo náročné riešenie.

5.3. Kombinované vyregulovanie staticko-dynamické

• osadenie statickej regulačnej armatúry v kombinácii s termostatickou armatúrou na cirkulačné potrubie - obr. č. 4 C.

Úlohou armatúr je udržiavať nastavenú teplotu vody pretekajúcu armatúrou, škrtením prietoku, zabezpečiť aj pri chladnejšej vode TV rovnomerné rozdelenie.

Podklady na dimenzovanie:

• meranie teplôt vody (potrubí) v uzlových bodoch rozvodu TV
• diagnostikácia DN a stavu izolácií
• diferenčný tlak na cirkulačnom čerpadle

Výhody kombinovaného vyregulovania

• termostatické armatúry udržujú prietoky na množstvách, ktoré zabezpečujú nastavenú teplotu TV
• automatické prispôsobovanie sa podmienkam
• ak je teplota TV nižšia ako požadovaná, termostatické armatúry otvárajú, reguláciu zabezpečujú statické armatúry rozdelením prietoku
• najvhodnejšie riešenie pre rôzne prevádzkové stavy
• spravidla vysoký škrtený tlak sa rozloží na dve armatúry, nižšia hlučnosť
• v miestach vysokého škrtenia sa armatúry podieľajú spoločne na škrtení, čím sa vzájomne odľahčujú (dá sa takto vyhnúť kavitácii na sedlách regulačných ventilov, kde sa vplyvom vysokého škrtenia poškodia kuželky ventilov). Po skúsenostiach u extrémne zaťažených ventilov sa po cca 3 ročnej prevádzke kuželky poškodia až stratia.

Nevýhody kombinovaného vyregulovania

• náročné na diagnostikáciu a výpočty
• pre umožnenie termickej ochrany proti legionelám je nutné použiť termostaty s touto funkciou
• cenovo náročnejšie riešenie.

Obr. č. 4 - Spôsoby hydronického vyregulovania stúpačiek TV

6. ZÁVER

Vzhľadom ku komplikovaným zákonitostiam výpočtu a prevádzkových stavov, postupnou zmenou parametrov rozvodov vplyvom ďalšieho nárastu inkrustácii sa javí tento systém ako veľmi výhodný na regulovanie rozvodov TV. Skúsenosti potvrdili jeho funkčnosť a opodstatnenosť hlavne pri rozľahlých rozvodoch TV s centrálnym ohrevom, ktorých je prevažná väčšina pri zásobovaní obyvateľstva.

LITERATÚRA:

[1] Lukáč, P.: Optimalizácia regulácie odovzdávacích staníc v sústave CZT. In: Cassovia Therm 2000 - "Racionálna výroba, doprava a spotreba tepla". Odborný seminár s medzinárodnou účasťou poriada TU Košice a EXPO - EDUC DT ZSVTS Košice 2000, 24 - 28. ISBN 80- 232- 0183 - 2.
[2] KAPALO Peter: Výskum nestacionárnych procesov v systémoch distribúcie teplej vody za účelom zníženia energetickej náročnosti, Dizertačná práca, Stavebná fakulta, TU Košice, KTZB, Košice, 2005