Akumulační zásobníky tepla - zapojení, provoz, řízení a navrhování (I)

1. Úvod

Kotle pro uvedené vytápěcí soustavy se většinou navrhují na tepelný výkon podstatně větší než je potřebný výkon soustavy. Rozdílný časový průběh dodávky a odběru tepelného výkonu musí být potom vyrovnáván zásobníkem tepla. Pokud má soustava se zásobníkem tepla pracovat s minimálními požadavky na obsluhu, musí být řízení dodávky a odběru tepla zajišťováno kvalitním programovacím řídícím systémem, který navíc přispěje ke kvalitě vytápění z hlediska udržování tepelné pohody při minimální spotřebě energie.

V příspěvku jsou uvedeny vztahy potřebné pro návrh zásobníku tepla a také vztahy pro stanovení nabíjecí a vybíjecí doby zásobníku, jakož i výsledky výpočtů potřebných parametrů pro 2 vytápěcí soustavy o výpočtových teplotách oběhové vody 80/60 a 40/30 °C.

2. Popis zapojení zásobníku

Sekce zásobníku tepla

Zásobník tepla se zapojuje paralelně k sekcím kotle a vytápěcí soustavy (obr. 1). V sekci zásobníku nejsou potřebná čerpadla a regulační armatury.

Sekce kotle

Sekce kotle je vybavena kotlovým oběhovým čerpadlem (1), které se spouští při dosažení teploty nabíjecí vody 80 °C (snímač teploty 6). Kolem kotle je provedena přepouštěcí spojka s trojcestným směšovačem s el. pohonem (2). Spojka se směšovačem mají zajistit tyto funkce:

• udržovat teplotu vstupní vody do kotle alespoň na výši 60 °C (snímač teploty 5), aby nedocházelo ke kondenzaci vlhkosti ze spalin s následnou korozí teplosměnné plochy kotle,
• uzavření sekce kotle v době, kdy je kotel mimo provoz.

Regulátor výkonu kotle musí udržovat teplotu výstupní vody z kotle (nabíjecí vody) na výši alespoň 80 °C (snímač teploty 6), aby vycházela přijatelná velikost zásobníku.

Sekce vytápěcí soustavy

Vytápěcí soustava je vybavena jednak oběhovým čerpadlem soustavy (3), jednak směšovací spojkou s trojcestným směšovačem s el. pohonem (4). Spojka se směšovačem mají zajistit ekvitermické řízení teploty přívodní vody do soustavy (snímač teploty 7) v závislosti na venkovní teplotě (snímač teploty 9). Je to kvalitativní řízení dodávky tepla pro vytápěcí soustavu změnou teploty přívodní vody. Pro najíždění vytápěcí soustavy je ještě potřebný snímač teploty (8) na výstupu vody ze soustavy.

3. Provozní fáze

Při provozu vytápěcí soustavy se zásobníkem tepla nastávají postupně různé provozní fáze. Každá fáze se vyznačuje určitým typem proudění vody v trojcestném bodě T. Typ proudění vody je uveden v popisu provozních fázích (tab. 1).

fáze provozu		průtoky v trojcestném bodě	čerpadlo 1	směšovač 2	čerpadlo 3	směšovač 4
1.	výchozí stav		klid	zavřen	klid	-
2.	zátop v kotli		klid, běh	zavřen	klid	-
3.	nabíjení zásobníku		běh	otevřen	běh	otevřen
4.	kotel + soustava		běh	otevřen	běh	otevřen
5.	vybíjení zásobníku		klid	zavřen	běh	otevřen

Poznámky: zavření a otevření se týká cesty A; velikost otevření směšovačů je dána řídícím systémem.
Tab. 1 - Přehled provozních fází

3.1 Výchozí stav

Ve výchozím studeném stavu, kdy kotel není v provozu a zásobník tepla je vybit, musí být vypnuto kotlové oběhové čerpadlo (1) a uzavřena cesta A směšovače (2). Také musí být vypnuto oběhové čerpadlo soustavy (3). Může být vypnuto ekvitermické řízení soustavy.

3.2 Zátop v kotli

Zátop v kotli probíhá tak, že po dosažení požadované teploty nabíjecí vody (snímač teploty 6), kterou udržuje regulátor výkonu kotle, se spustí oběhové čerpadlo (1) a začne se přepouštěcí spojkou přepouštět výstupní voda z kotle do vstupu vody do kotle (do zpátečky). Zátop v kotli trvá do okamžiku dosažení požadované teploty vstupní vody do kotle 60 °C.

3.3 Nabíjení zásobníku

Při dosažení požadované teploty vstupní vody do kotle začne směšovač (2) otevírat cestu A ze společného zpětného potrubí, takže kotel začne dodávat teplo do společného přívodního potrubí. Současně se musí spustit oběhové čerpadlo vytápěcí soustavy (3) a zapnout ekvitermické řízení soustavy. Nastává stav, při kterém se dodává teplo do vytápěcí soustavy i do zásobníku. Podmínkou je, aby tepelný výkon kotle byl vyšší než potřebný výkon do soustavy. Při nesplnění této podmínky by nastalo "studené" vybíjení zásobníku, což by vedlo ke snížení teploty vody před směšovačem (4) a tím ztrátě výkonu pro vytápěcí soustavu.

Nabíjení zásobníku může být ukončeno buď vyhasnutím kotle (částečné nabití) nebo dosažením plné kapacity zásobníku (plné nabití, viz bod 4).

V prvé případě se začne nabíjení přerušovat již v době, kdy v kotli dohořívá palivo a kotel má snížený tepelný výkon. To se projeví tím, že průtok vody z kotlové sekce bude menší než průtok vody cestou A do směšovače (4). Tento průtok se ale okamžitě doplní průtokem ze zásobníku, takže nastává jakési prvotní vybíjení zásobníku tepla při sníženém výkonu kotle.

Na počátku fáze nabíjení zásobníku se musí současně provést řízené najíždění vytápěcí soustavy. Řízené najíždění je nutné proto, aby nedošlo k nežádoucímu průtoku do zásobníku zespoda. Nastalo by "studené" vybíjení zásobníku, což by vedlo ke snížení teploty vody před směšovačem (4) a tím ke ztrátě výkonu pro vytápěcí soustavu. To by nastalo v případě, pokud by se ke kotlové sekci naplno připojila studená vytápěcí soustava tak, že by směšovač (4) zcela otevřel cestu A. Soustava by se pak prohřívala zbytečně dlouho. Zabránit tomuto stavu je možné dvěma způsoby.

První způsob může být realizován využitím již osazeného ekvitermického řídícího systému. Jedná se o tzv. najížděcí ekvitermický systém vytápěcí soustavy. Jeho činnost spočívá v tom, že před dosažením požadované teploty přívodní vody dané topnou křivkou, bude systém přednostně pracovat na základě podmínky t₁ - t₂ = t_1j - t_2j = konst. Pokud pro soustavu 80/60 °C je t_1j - t_2j = 80 - 60 = 20 K a teplota zpětné vody na počátku najíždění soustavy je 20 °C, musí být na počátku najíždění teplota přívodní vody 40 °C. Tím se sníží průtok do vytápěcí soustavy.

Druhý způsob vychází z osazení uzavírací armatury s el. pohonem do sekce zásobníku, která by byla uzavřena v době, kdy teplota přívodní vody ve vytápěcí soustavě je nižší než požadovaná teplota přívodní vody daná topnou křivkou.

3.4 Provoz kotle pouze do soustavy

Je to přechodná fáze, při které po plném nabití zásobníku tepla proudí voda o nabíjecí teplotě ze zásobníku společnou zpátečkou ke kotli, kde se směšuje se zpětnou vodou ze soustavy. Tím dojde k nárůstu teploty vody vstupující do kotle a regulátor kotle začne snižovat výkon na hodnotu Q_k = Q_s a kotel dodává teplo pouze do vytápěcí soustavy.

3.5 Vybíjení zásobníku

Vybíjení zásobníku nastane, když kotel přestane zcela dodávat teplo. Při vybíjení musí být vypnuto kotlové oběhové čerpadlo (1) a uzavřena cesta A směšovače (2). Vybíjení bude ukončeno tehdy, když teplota výstupní vody ze zásobníku poklesne pod teplotu přívodní vody do soustavy, která je dána nastavenou topnou křivkou. Po ukončení vybíjení musí být vypnuto oběhové čerpadlo soustavy (3) a může být vypnuto ekvitermické řízení soustavy.

Poznámka ke směšovačům

Trojcestné směšovače mají při použití ve směšovací funkci jedno hrdlo (A) určené pro teplejší vstupní vodu, druhé hrdlo (B) určené pro chladnější vstupní vodu a třetí (AB) určené pro součtový průtok z ostatních dvou hrdel. Když je cesta (A) do směšovače zavřená, je cesta (B) do směšovače otevřená a naopak. Pokud nejsou hrdla směšovače označena uvedenými písmeny, pozná se hrdlo (AB) pohledem do hrdla nenamontovaného směšovače. Hrdlo je průchozí při všech polohách regulačního prvku (kuželky nebo klapky).

4. Základní výpočtové vztahy

Tyto vztahy jsou součástí určité výpočtové šablony a byly odvozeny ze vztahů uvedených v závěrečné části příspěvku.

Poměrný výkon pro nabíjení zásobníku (-) bude podle (18), když pro výpočtový stav je s = 1,

qz = vj/nj,

(1)

kde

vj	- výpočtová doba vybíjení zásobníku (h)
nj	- výpočtová doba nabíjení zásobníku (h).

Tepelný výkon pro nabíjení zásobníku (kW) bude z definice

Qzj = qz . Qsj,

(2)

kde

Qsj	- výpočtový tepelný výkon vytápěcí soustavy (kW).

Potřebný výpočtový tepelný výkon kotle (kW) bude podle (10)

Qkj = Qsj + Qzj.

(3)

Potřebný objem zásobníku (m³) bude podle (13)

Vz = Qzj . tnj / [c . (tnj - t2j)],

(4)

kde

c	- měrná tepelná kapacita vody = 1,163 (kWh.m-3)
tnj	- výpočtová teplota nabíjecí vody (°C)
t2j	- výpočtová teplota zpětné vody (°C).

Poměrný tepelný výkon potřebný pro vytápění (-) (tab. 2) bude podle (11)

a = (tij - te) / (tij - tej),

(5)

kde

tij	- výpočtová vnitřní teplota (°C)
te	- venkovní teplota (°C)
tej	- výpočtová venkovní teplota (°C).

Doba nabíjení zásobníku (h) při teplotě t_e bude podle (19)

τn = τnj. qz / (1 + qz - a).

(6)

Teplotní součinitel (-) (tab. 2) bude podle (16)

b = (tnj - t2) / (tnj - t2j),

(7)

kde

t2	- teplota zpětné vody při teplotě te (°C)

Teplotní součinitel (-) (tab. 2) bude z definice

s = b / a.

(8)

Doba vybíjení zásobníku (h) při teplotě t_e bude podle (18)

τv = τnj. qz. s.

(9)