Aktivní úspory tepla metodou termohydraulického řešení pro 21. století - I díl

Protože algoritmy klasického projektování, "které se nám dostaly hluboko pod kůži", reálné chování dynamických otopných soustav nepopisují, není nijak snadné a ani triviální úplné pochopení funkčních principů dynamických soustav.

V oboru vytápění pochopitelně existují tendence zjednodušovat řešení předdefinovanými pojmy, doporučeními a závěry, zakotvenými v seminárních přednáškách i v legislativě. Tyto definice a závěry však vycházejí pouze z "hydraulického" a nikoliv z úplného pohledu na fungování dynamických soustav a proto často nejsou úplné, anebo fyzikálně správné. Výsledkem jsou pak známé problémy (nedotápění koncových bodů, hlučnost, atd.) a "nevysvětlitelně" nízká celková účinnost regulační techniky (10% až 15% úspor tepla oproti cca 40%, které nám nabízejí nevyužívané vnitřní a vnější tepelné zisky).

Naše zkušenosti a naše výsledky jsou dobrou zprávou pro ty, kteří chtějí mít nehlučné a dobře fungující vytápění s podstatně vyššími úsporami tepla regulační technikou.

Chceme ukázat, kam pokročilo současné řešení oboru vytápění a jak lze vyrábět, distribuovat a regulovat spotřebu tepelné energie mnohem levněji. Úspory tepla jsou hlavní součástí globální enviromentální strategie a proto chceme poskytnout informace a pomoc nejen investorům a provozovatelům tepelných zařízení, ale i projektantům a všem zájemcům o moderní komplexní řešení výroby, distribuce a racionální spotřeby tepla.

Působíme v oblasti AKTIVNÍCH ÚSPOR TEPLA, které vyplývají z celkového přehodnocení pohledu na funkci dynamických otopných soustav, v nichž se pracovní hydraulické poměry neřídí projektovaným seřízením hydraulických odporů se zanedbáním přenosu tepla. Při aktivních úsporách tepla jsou právě teploty řídicími veličinami všech regulačních procesů. Od první generace "hydraulického" a druhé generace "hydronického" řešení, se termohydraulické řešení otopných soustav liší komplexním zpracováním vztahů mezi řídicími a řízenými veličinami regulace tepelného výkonu.

Než jsme si dovolili odborné i laické veřejnosti předložit zcela odlišný princip řešení dynamických otopných soustav, prošlo toto řešení oponenturou řady významných odborníků (Doc.K.Brož - ČVUT, B.Genath - SHT, R.Petitjean - autor HV, Wilms - software NSR) a nejpřísnějšími praktickými zkouškami při aplikacích na konkrétních projektech reálných otopných soustav v létech 1994 - 2008.

Dlouhodobý vývoj ukázal, že nedostatečná účinnost regulační techniky ve vytápění spočívá v neřešení vztahů mezi řídicími a řízenými veličinami regulačních procesů a klasické, pouze hydraulické, nebo hydronické řešení oboru je pro plnou transformaci teplených zisků do úspor tepla nedostatečné. Nízké úspory tepla proto nejsou výsledkem "chybné" práce projektantů nebo montážních firem, ale spočívají ve skutečnosti, že pro navrhování a praktické seřizování dynamických soustav používáme metody, vyvinuté pro soustavy statické - tedy v kvazi ustáleném stavu se značně omezenými okrajovými podmínkami.

Pro oživení si připomeňme, že úspory tepla jsou vždy vztaženy k zachování vnitřní teploty vytápěných místností a "úsporou tepla" proto není snížení energetických nároků na vytápění, spojené s poklesem této vnitřní teploty. Tuto zdánlivou maličkost připomínáme proto, že do vykazovaných "úspor tepla" v úrovni 25% - 30% byly v minulosti zahrnovány případy, kdy se po instalaci regulační techniky snížily vnitřní teploty místností z původních 24°C na 20°C. Pokud naše úvahy hodně zjednodušíme a pokles vnitřní teploty o 1°C vyjádříme celoroční úsporou tepelné energie na vytápění v úrovni 6%, pak z vykazovaných "úspor" připadalo na skutečné úspory tepla regulační technikou 25%-(4x6%) = 1% až 30%-(4x6%) = 6% tepla, potřebného k vytápění. Tyto výsledky byly pro odborníky zklamáním, protože ani zdaleka neodpovídaly tepelným ziskům z oslunění, vaření, koupání, provozu elektrospotřebičů a pobytu osob, které podle seriózních studií i podle měření, dosahují hodnot až 40% potřeby tepla na vytápění.

Údajům těchto studií a měření pak neodpovídají ani v současnosti nově uváděné "úspory tepla" regulační technikou, které se dnes pohybují v hodnotách 10% - 15%, a které jsou navíc spojeny s omezováním nebo i přerušováním vytápění. Ve snaze o reálné úspory tepla při klasickém řešení tedy stále ještě chybí 25% až 30% úspor tepelné energie.

Tyto skutečnosti a závěr, že klasické řešení oboru vytápění není schopno vytěžit adekvátní úspory tepla z tepelných zisků, sehrály svou roli i při finálním rozhodnutí o celkovém řešení energetické situace pasivními prostředky, tedy i značně nákladným zateplováním budov. Bylo to rozhodnutí správné, protože tím zůstala otevřená cesta ke konečnému dořešení a praktickému vyzkoušení podstatně složitějších AKTIVNÍCH ÚSPOR TEPLA, o které se v počátcích aplikací regulační techniky neúspěšně pokusili významní němečtí odborníci prof. H Esdorn a A.Ritter.

Chcete-li, sledujte s námi rozluštění tajemství úspor tepla, přínosné tentokrát jak pro jeho výrobce, tak pro distributory i finální spotřebitele. Je jisté, že lze psát rovnici úspory = regulace, ale to samo by nestačilo.

Ve vytápění pracujeme s termohydraulickou regulací tepelného výkonu, která vyžaduje zkoordinovanou činnost dvou hlavních složek, přičemž složka kvantitativní regulace pracuje s multivalentní vnitřní teplotou vzduchu vytápěných místností a složka kvalitativní regulace většinou s vnější teplotou.

Před nástupem termostatických ventilů jsme se zajímali o střední teplotu otopné vody, nebo přívodní teplotu a pokles teploty vratné vody byl signálem, že soustava trpí nedostatkem tepla. Radiátorová regulační technika, která způsobila pokles teploty vratné vody může však signalizovat dvojí stav - buď nedostatek výkonu zdroje před vstupem do tělesa, nebo naopak jeho přebytek, projevující se poklesem vratné teploty při snižování průtoku. Jediné, co zpravidla korigujeme, je tedy teplota přívodní vody. Chceme-li však zabránit nadměrné výrobě tepla ve zdroji, musíme přesně vědět, jakou okamžitou kvalitu (teplotu) má topná voda vystupující ze zdroje mít. Tu ale neznáme, protože některé důležité vlivy na teplotu přívodní vody při klasickém projektování neřešíme, stejně jako přesně neurčujeme individuální otopovou křivku a předdefinované křivky v literatuře většinou platí pro imaginární místnost volně plující ve vzduchu a nepřihlíží ke konkrétní stavební dispozici objektu a k jeho tepelně-technické konstrukci.

Na scénu vstoupila "inteligentní regulace", která sice umí stanovit okamžitý poměr mezi vyráběnou tepelnou energií a cílovou dosaženou teplotou vytápěných místností, ale neumí zjistit, jaký tento poměr má být, protože nedokáže vyhodnotit a zpracovat všechny vlivy, které na zjištěný okamžitý stav působí. Je v obdobné situaci jako lékař, který sice ví kolik má pacient červených krvinek, ale neví, kolik jich má mít. Současná "inteligentní regulace" nedokáže také změnit případné chybné výkonové charakteristiky svých akčních prvků, kterými se celý regulační proces fyzicky realizuje a které většinou chybné jsou, protože byly určeny na základě čistě hydraulických výpočtů, tj. bez přihlédnutí k požadovanému přenosu a k regulaci tepla. Naskýtá se proto otázka, jak vůbec můžeme správně navrhovat akční prvky regulace pracující s průtokem teplonosné látky, když v klasickém projektování neznáme maximální a zejména minimální požadavky na přenos tepla od zdroje ke spotřebičům. V důsledku toho pak ani nevíme, jaké fyzikálně správné průtoky těmto požadavkům odpovídají. Při klasickém projektování proto nemůžeme zaručit, že požadavky na regulační rozsah akčních prvků regulace leží při provozu uvnitř jejich proporcionálního pásma, tj., že nevybočují mimo tento rozsah, daný mezemi pracovního zdvihu jejich kuželky. "Inteligence" i té nejsofistikovanější regulace spočívá pouze v optimalizaci zdvihu kuželky akčního prvku, ale končí tam, kde požadavky na zajištění vztahů mezi řídicími a řízenými veličinami neleží uvnitř pracovního rozsahu zdvihů kuželek akčních prvků.

Ještě závažnější situace nastává u termostatických prvků na prahu spotřebičů tepla. Vypočtené tlakové ztráty celé otopné soustavy jsou platné pro hodnoty průtokových součinitelů Kv, vztažené k jedinému zdvihu kuželky termostatických ventilů, který ale klasickým projektováním a praktickým seřizováním neumíme zajistit a proto jej ponecháváme na libovůli uživatele. Jenže zdvih kuželek TRV ovlivňuje tlakové ztráty soustav řádově více, než projektované nastavení tzv. "druhé regulace - předregulace". Snížení zdvihů kuželek odpovídající teplotnímu rozdílu 1K (cca o 0,25 mm) může změnit projektované tlakové ztráty celé otopné soustavy například ze 100% na 584%, ale zdvih kuželky není projektováním vůbec řešen. Můžeme se právem ptát, jaké garance správné funkce klasický projekt investorovi vlastně poskytuje. A podobných otázek je možné položit více.

Zveme vás k seriálu článků, který se bude věnovat těmto a dalším otázkám projektování a provozu otopných soustav a zařízení. Obsahem článků nemá být neúčelná a prázdná kritika, i když se jí nelze z podstaty věci vyhnout, jelikož články budou ukazovat souvislosti na bázi termohydraulických poznatků a je snahou, posunout obor ke kvalitnějšímu projektování a provozování, při němž je třeba více upřesnit okrajové podmínky řešení a zpřesnit parametry otopných soustav. Současná výpočetní technika a bohatý trh s měřicí a regulační technikou umožňují takový generální posun myšlení v oboru, který bychom vám chtěli představit.

Nemohli jsme tato témata otevřít dříve, než byly k dispozici praxí prověřené nástroje pro optimistický postoj k řešení úspor tepla při vytápění budov. Zveme vás k seriálu pozitivnímu, který tématicky pokrývá celou oblast zásobování teplem, kde se pracuje s přenosem tepla teplonosnou látkou a kde se požaduje, aby regulační technika přeměnila veškeré tepelné zisky na úspory tepla.

Přejeme si, aby nové pohledy nebyly konfrontační ve vztahu k práci našich kolegů, bez jejichž poctivé práce by nová řešení nemohla vzniknout.

Kromě toho se domníváme, že termohydraulický přístup v oboru vytápění směřuje také k tomu, že při upotřebení všech možných tepelných zisků dojde i k významnějším úsporám potřeby a spotřeby tepla z celospolečenského hlediska a to se zcela jistě promítne i do omezování tvorby skleníkových plynů, vypouštěných do atmosféry. Výsledek je tedy pozitivní pro všechny.

Tématická náplň připravované I části seriálu článků:

• Příčiny poruchových stavů a hlučnosti v dynamických otopných soustavách - Ing. Matějček CSc.
• Zkušenosti z regulace tepelného výkonu dynamických otopných soustav - Ing. Müler
• Zkušenosti z měření funkčních dynamických otopných soustav - Ing. Galád
• Princip TERMOhydraulického řešení dynamických soustav - p. Ráž

Měrný tepelný výkon objektu VVÚ - ETA , 8NP, 24 bytových jednotek