Nezbytnost hydronického vyvážení chladicích soustav z hlediska správné regulace

Tyto podmínky jsou všeobecně známé a bohužel stále často opomíjené:

• Jmenovitý průtok musí být k dispozici na všech odběrných místech
• Tlaková diference se na regulačních ventilech nesmí příliš měnit
• Průtoky musí být kompatibilní ve všech uzlech soustavy

Jak je vidět, zmíněná problematika je složitá, široká a v jednom krátkém příspěvku ji nelze postihnout v plné šíři. Proto se v níže uvedeném textu pokusím zmínit pouze některé z nich - oč zřejmější, o to častěji opomíjené.

1. Navrhování potrubních sítí

Známe-li požadované průtoky jednotlivými částmi potrubní sítě, můžeme navrhnout světlosti potrubí, spočítat tlakové ztráty jednotlivých okruhů a zvolit vhodné oběhové čerpadlo. Tak jednoduše lze navrhnout potrubní síť chladicí soustavy. Alespoň teoreticky. Skutečnost je, jak jinak, poněkud jiná.

Důvodů, proč tomu tak je, je několik. Předně, potrubní materiál je vyráběn v odstupňovaných řadách, což neumožňuje navrhnout potrubní síť ani teoreticky zcela dokonale.

Trubka [mm/mm]	Měrná tlaková ztráta [Pa/m]
12,0 / 1,0	17 845,6
15,0 / 1,0	4 835,0
18,0 / 1,0	1 747,2
22,0 / 1,0	587,0
28,0 / 1,5	204,5
35,0 / 1,5	64,4
42,0 / 1,5	23,7
54,0 / 2,0	7,3

Tabulka 1 - měrná tlaková ztráta trubky pro průtok 1 m³/h při teplotě vody 10 °C

Z uvedené tabulky 1 je zřejmé, že výběr trubky při požadovaném tlakovém spádu 150 Pa/m je dost složitým oříškem - trubka 28,0/1,5 je příliš malá, 35,0/1,5 příliš velká. Dosáhnout alespoň teoreticky a na papíře vyvážené soustavy by znamenalo použít na daném úseku trubky obě a spočítat přesné jejich délky tak, aby bylo dosaženo průměrného tlakového spádu rovného požadovanému. Jistě, je to nesmysl. Nikdo to v praxi nedělá, neexistuje montážní firma, jež by byla ochotná takto zatěžovat svoje pracovníky. A proto je pro daný úsek vždy použita trubka jen jedna - v našem případě pravděpodobně 35,0/1,5. Právě tím je soustava okamžitě nevyvážená. Z téhož důvodu nelze dokonce ani u oblíbeného souproudého (Tichelmannova) zapojení dosáhnout zcela stejných tlakových poměrů na každé odbočce.

Výpočet se dále opírá o teoretické podklady, jež ne vždy odpovídají skutečné situaci. Nepřesnost výpočtu tedy dále například ovlivňují:

• různé tolerance a vnitřní drsnost komerčně vyráběných trubek
• teplonosná látka není čistá voda (většinou teplonosná látka obsahuje různé příměsi a nečistoty)
• výpočet Reynoldsova čísla a součinitele třecích ztrát (proudění v trubkách a tření jsou o složité fyzikální jevy, jež stále ještě nejsou zcela popsány)
• definice oblasti proudění (laminární, přechodová, turbulentní - existuje mnoho vzorců pro každou z oblastí, většinou však úzce specializovaných na jednotlivá media a případy)
• interakce místních odporů (ne vždy je společný součinitel místních ztrát skupiny odporů roven součtu jednotlivých odporů, může se projevit jejich vzájemná interakce)

Z výše uvedeného je patrno, že výpočet tlakových ztrát skutečných potrubních sítí není a ani nemůže být stoprocentní. K těmto skutečnostem připočtěme ještě návrh regulačních armatur a oběhových čerpadel, většinou vyráběných v odstupňovaných řadách, například podle světlostí, k_v - hodnot, výkonu, atd. Běžnou projekční praxí vybereme armaturu či čerpadlo metodou "nejbližší vyšší". Vytváříme tak předpoklady pro místní nadprůtoky potrubní sítí, doprovázené místními podprůtoky. Tyto skutečnosti se pak projevují například u soustav místním podchlazováním místností v místě nadprůtoků a nedochlazováním v místě podprůtoků.

Běžné řešení zvýšením výkonu tak, aby zcela utichly stížnosti na nedostatek komfortu v budově, znamená pouze globální nadprůtok celou sítí, zvýšení dopravní výšky čerpadla, zvýšení jeho příkonu a tím nehospodárný provoz potrubní sítě. Je zřejmé, že základní předpoklady pro rozregulování sítě vytváříme již při samotném projektování. Navíc nesmíme zanedbat ani lidský faktor (špatná koordinace během projekčních prací, vynucené změny na stavbě, nepřesnost montáže, záměna výrobků oproti projektové dokumentaci, ...), vnášející do hydronických poměrů v potrubní síti předem nedefinovatelné skutečnosti.

Tato skutečnost je všeobecně známa. Pouze se do nedávné doby bagatelizovaly dopady výše uvedených skutečností na provoz soustavy s poukazem na její "samoregulační" schopnosti, či na moderní regulační systémy, schopné se s nepřesnostmi vyrovnat. Ukazuje se, že tomu tak není a že ani nejmodernější regulace nemusí fungovat zcela spolehlivě, nevytvoříme-li jí příslušné pracovní podmínky. Mnohdy je tomu právě naopak.

2. Základní cíl hydronického vyvažování

Základním cílem hydronického vyvažování chladicí soustavy je, předpokládáme-li znalost teplotních parametrů teplonosné látky, dosažení nominálních průtoků na všech odběrných místech. Tento stav nastane, pokud budou mít odběrná místa (fancoily, výměníky VZD jednotek, stoupačky, větve, objekty, ...) stejné tlakové ztráty vzhledem ke vztažnému bodu. Tímto vztažným bodem bývá nejčastěji myšlen zdroj chladu. Pokud jsou v potrubní síti použity armatury stabilizující tlakovou diferenci, mohou být za vztažný bod považovány i tyto armatury.

Z výše uvedeného textu je však zřejmé, že se tohoto stavu v chladicí soustavě dosahuje při pouhé montáži jen krajně obtížně.

Čerpadla běžící na maximální stupeň otáček či předimenzovaný zdroj chladu - to jsou jen dva příklady dříve používaných "řešení" problémů s provozem soustav a nemožností dosažení nominálních výkonů na nejvzdálenějších odběrech. Je pravda, že tato "řešení" většinou "vyřeší" většinu stížností nájemníků či jiných uživatelů otopné či chladicí soustavy. Bohužel, zároveň vytváří problémy jinde. A to zejména problémy v řádné regulaci.

3. Vyvažování a dvoucestné regulační armatury

Jak již bylo uvedeno, některé komponenty chladicích soustav jsou vyráběny ve výrobních řadách, například podle světlostí, průtoků, výkonů, atd. Příkladem mohou být právě regulační armatury.

Základní veličinou každé regulační armatury je hodnota k_v.

kde:

kv	jmenovitý průtok armaturou	[m3 . h-1]
Q	průtok	[m3 . h-1]
Δp	tlaková ztráta	[bar]

Hodnota k_v ventilu při plném otevření se nejčastěji označuje k_vs. Jde o největší hodnotu daného ventilu. Podle této hodnoty se regulační armatury fakticky navrhují.

Regulační armatury jsou vyráběny nejčastěji s hodnotami k_vs odstupňovanými v geometrické tzv. Reynardově řadě, kde se každá následující hodnota k_vs liší od předchozí zhruba o 60%, tj. ..., 1,0, 1,6, 2,5, 4,0, 6,3, 10, 16, ... Jak je vidět, to, že máme k dispozici pouze jednotlivé odstupňované hodnoty, z nichž navíc vybíráme převážně systémem "nejbližší vyšší", je bez dalších opatření jednou z nejčastějších příčin rozregulování sítí již v návrhu potrubní sítě.

Další důležitou vlastností každé regulační armatury je její charakteristika. Jde vlastně o grafický průběh závislosti průtoku ventilu na jeho zdvihu. Charakteristik regulačních armatur je celá řada, z nejpoužívanějších můžeme uvést lineární, rovnoprocentní, modifikované rovnoprocentní a jejich kombinace. Na obrázku 2 je uveden vztah mezi charakteristikou tepelných spotřebičů a charakteristikou regulačních ventilů s rovnoprocentní charakteristikou.

Obr. 2: Charakteristiky spotřebiče a regulační armatury

Je zřejmé, že spotřebiče používané v naší každodenní praxi jsou velice ztěžka regulovatelné v oblasti malých průtoků, při nichž stále ještě poskytují mnohdy nechtěně vysoký výkon. Máme-li tedy být schopni lépe regulovat právě tyto oblasti malých průtoků / výkonů, musíme se snažit dosáhnout ideálně lineární charakteristiku dvojice ventil - spotřebič. Měli bychom tedy používat inverzní charakteristiku regulační armatury k charakteristice spotřebiče. Z obrázku je patrné, že pro regulaci tepelných spotřebičů je tedy nejvhodnější používat rovnoprocentní charakteristiku, nebo některou z jejích modifikací.

Výše uvedená charakteristika ventilu je ale definována při stálé tlakové diferenci, čehož není v praxi prakticky nikdy dosaženo. Vždyť i s uzavíráním dané regulační armatury se tlaková diference na ní mění. Proto se teoretická charakteristika regulační armatury v praxi deformuje. Tuto deformaci popisuje autorita ventilu:

kde:

a	autorita ventilu	[-]
Δpv	tlaková ztráta při jmenovitém průtoku plně otevřeným ventilem	[bar]
ΔpDIF	tlaková diference v místě osazení regulačního ventilu	[bar]

elikož je kolísání tlakové diference těžko postižitelné (nevíme na jakou hodnotu Δp_DIF autoritu vlastně počítat) byla výše zmíněná definice za podmínky Δp_DIF = konst = ΔH a zjednodušena na:

kde:

ΔH

tlaková diference v místě osazení regulačního ventilu za nominálních podmínek

[-]

Většina výrobců regulačních armatur doporučuje udržet takto definovanou a vypočtenou autoritu na hodnotě 0,3-0,5, kde je ještě přijatelná deformace charakteristiky (viz obr. 3). Jinými slovy, na regulační armatuře by měla být zmařena třetina až polovina tlakové diference v daném místě. Tato definice však zcela opomíjí fakt zmíněný na začátku tohoto odstavce - Δp_DIF ≠ konst!!! Proto takto vypočtená autorita byla v zásadě dosažena jen po několik málo dní chladicí sezony (jelikož i nominální teploty / průtoky nejsou zcela jistě dosahovány po celou chladicí sezonu) a po celou ostatní dobu byla autorita jen horší (neboť Δp_DIF > ΔH). Pokud jsme ale nejlepší autoritu definovali na mezi akceptovatelnosti (0,3-0,5), znamená to že prakticky po celou dobu chladicí sezony je pod touto mezí a tedy neakceptovatelná (správný výpočet autority ventilu není předmětem tohoto článku).

Na základě výše uvedených skutečností je zřejmé, že téměř každý regulační ventil je předimenzován. Možností, jak tento stav řešit je několik.Vzhledem k faktu, že s trojcestnými regulačními ventily nedochází k úsporám v čerpací práci, a proto jsou tyto armatury stále častěji nahrazovány armaturami dvojcestnými, omezím se právě na armatury dvojcestné:

• vyměnit předimenzovaný ventil za správný - pokud se nejedná o vysloveně chybný návrh, ale o skok ve vyráběných k_v, je toto řešení většinou nemožné jak z hlediska technického (armatura s potřebnou hodnotou k_v se nevyrábí), tak z hlediska ekonomického (armatura s potřebnou hodnotou k_v se sice vyrábí, ale pouze na zakázku, což je samozřejmě dražší než sériová výroba; navíc, co s původní armaturou?)
  
  

  
  Obr. 3: Deformace rovnoprocentní charakteristiky

• zmenšit k_v použitého ventilu např. omezením zdvihu ventilu - prakticky lze použít pouze u rovnoprocentních armatur, vhodnější bývá omezit zdvih elektropohonu, nelze měřit aktuální průtok ventilem, při nastavování v provozu jde o metodu pokus - omyl
  
  
• omezit průtok omezovačem průtoku - některé výrobky mají příliš úzké pásmo nastavení, většinou nelze větev uzavřít, řešení je finančně náročnější než vyvažovací ventil
  
  
• omezit průtok vyvažovacím ventilem - pokud je skutečný průtok větší, než projektovaný, je vhodné na zpátečku odběrného místa umístit vyvažovací ventil (viz obrázek 4) - toto řešení zlepšuje charakteristiku ventilu, navrací mu jeho plný zdvih a navíc je vyvažovací ventil diagnostickým nástrojem odběrného místa, nehledě na možnost uzavírání, event. vypouštění.
  
  

  
  Obr. 4: Omezení průtoku vyvažovacím ventilem

• pokud v soustavě významně kolísá tlaková diference, je vhodné vytvořit regulační armatuře stabilní tlakové poměry (viz obrázek 5). Autorita regulačního ventilu je v tomto zapojení teoreticky rovna 1, prakticky je menší a záleží na poměru mezi minimálním a maximálním tlakem, který je schopen regulátor tlakové diference udržet na chráněném okruhu, tj. na jeho pásmu proporcionality. Praktické zapojení se od výše uvedeného může lišit zapojením kapiláry přímo do vyvažovacího ventilu. Z hlediska montáže jde o jednodušší a rychlejší variantu, která sice do chráněného úseku zahrnuje i odběrné zařízení. Pokud však není tlaková ztráta tohoto odběru příliš vysoká, poskytuje toto zapojení provozně shodné výsledky se zapojením na obrázku 5.
  
  

  
  Obr.5: Stabilizace tlakové diference na regulační armatuře

4. Vyvažování a rozhraní soustav

Jistě znáte situaci, kdy je ve strojovně chlazení instalován podle projektu dostatečně velký zdroj a kdy přesto soustava není schopna tento instalovaný výkon přenést do koncových zařízení. "Řešení" jsou všelijaká - zvýšením instalovaného výkonu počínaje a proklínáním regulace konče. Většina problémů je však způsobena jednak nevyvážeností samotné potrubní sítě, jednak nesprávným přenosem výkonu přes jednotlivá rozhraní soustavy.

Aby bylo možno tohoto správného přenosu výkonu dosáhnout, je třeba vyvážit průtoky jednotlivými okruhy - okruhem zdroje, podávacím okruhem a jednotlivých spotřebičů, přičemž musí platit, že

Každý okruh potom vyvažujeme bez vztahu na ostatní.

Důkazem, že se této podmínky snažíme dosáhnout je i záměrné provozování okruhu zdroje s nižším teplotním spádem (a tudíž s větším průtokem), než u podávacího okruhu a okruhu spotřebičů. Pokud tyto okruhy cíleně vyvážíme, můžeme celou soustavu navrhnout na jeden teplotní spád, pokud to požadavky jednotlivých okruhů umožní.

5. Závěr

V tomto příspěvku jsem se nesnažil dát univerzální návod na vyřešení problémů regulace, vyplývajících z hydraulických a hydronických anomálií v síti. Pouze jsem se snažil ukázat, že ani nejmodernější regulátory a regulační ventily nemohou vždy sloužit beze zbytku svému předpokládaném účelu, protože nejsou splněny základní podmínky pro jejich řádnou a hospodárnou funkci. Hydronické vyvažování je potom praktickou nutností. Dává totiž záruku, že soustava pracuje podle návrhu projektanta, dovoluje dosáhnout nominálních průtoků ve všech místech soustavy, poskytuje předpokládaný komfort při minimálních provozních nákladech. A to je to, co nás v době neustále rostoucích cen energií nejvíce zajímá.