Reklama

Seřízení otopné soustavy po zateplení objektu

28.10.2013, AKTUALIZOVÁNO 5.10.2022

Ing. Vladimír Valenta

Recenzovaný

Seřízení otopné soustavy je nutno provádět ve dvou stupních. V prvním stupni se provede teplotní seřízení, které se týká řízení dodávky tepla do objektu. Ve druhém stupni se provádí seřízení průtoků (hydrauliky), které se týká řízení dodávky tepla do každé konkrétní místnosti.

Reklama

Snížení spotřeby tepla na vytápění se dosahuje zvyšením tepelných odporů obvodového pláště, neboli zateplením objektu. Cílem je snížit tepelné ztráty objektu, tedy nežádoucí únik tepla z objektu a tím i spotřebu energií. Zateplením se změní provozní stavy otopné soustavy v objektu. A to jak v objektu napojeném na soustavu zásobování tepelnou energií (SZTE, CZT), tak v objektu s lokální výrobou a řízením dodávky tepla. Samotné zateplení však nestačí, je nutné provést určité úpravy soustav, aby mohl být úsporný potenciál vytvořený zateplením maximálně využit. Nové provozní stavy lze mj. zajistit zařízením s proměnným nebo s pevným směšovacím poměrem.
Většina současných bytových objektů je napojena na rozvod tepla okrskových tepelných soustav. Pokud je některý z objektů okrsku zateplen, má značně sníženou tepelnou ztrátu. Pro vytápění mu postačuje nižší teplota oběhové vody, kterou ale ze zdroje tepla (kotelna, výměníková stanice...) nelze jen pro tento objekt zajistit s ohledem na nezměněné potřeby tepla ostatních objektů v okrsku. Pro zateplený objekt je proto nutné v jeho odběrném místě zřídit směšovací zařízení, kterým se sníží teploty otopné vody. V závislosti na konkrétním technickém řešení může být nutné toto opatření nechat odsouhlasit dodavatelem tepla.

Seřízení otopné soustavy zatepelného objektu je nutno provádět ve dvou stupních. V prvním stupni jde o teplotní seřízení, úpravu teploty otopné vody, kterou se dodává teplo do objektu. Snížením její teploty s ohledem na sníženou potřebu tepla vzniklou zateplením se sníží dodávka tepla přes otopná tělesa do vytápěných místností. Tento proces může být proveden pevným nastavením směšovacího poměru, přičemž se předpokládá, že průtoky do všech potrubních úseků zůstávají původní. Následující hydraulické (průtokové) seřízení ve druhém stupni optimalizuje lokální dodávku tepla do místnosti. Nejvýhodnější však je vzájemná provázanost obou stupňů a cílené řízení směšovacího poměru.

Podkladem pro seřízení otopné soustavy je projekt, jehož součástí má být inventarizace skutečného stavu otopných těles v místnostech. Pro zpracování podkladu musí být k dispozici tepelné ztráty jednotlivých místností před zatepelním a snížené po zatepelní.

První stupeň seřízení

Tepelné ztráty snížené

Po zateplení objektu se sníží jeho tepelná ztráta a ztráty všech místností, přičemž původní tepelná ztráta místnosti [W] ve výpočtovém stavu je dána vztahem:

Q_zp = U_p × S_e × (T_i − T_e) + c_m × n × V_m × (T_i − T_e) (vzorec 1)

kde:

U_p: – průměrný původní součinitel prostupu tepla vnějších stěn [Wm⁻²K⁻¹],
S_e: – plocha vnějších stěn [m²],
T_i: – teplota vnitřní výpočtová [°C],
T_e: – teplota vnější výpočtová [°C],
c_m: – měrná tepelná kapacita vzduchu při 0 °C je 0,35 [Wh.m⁻³.K⁻¹],
n: – intenzita výměny vzduchu = 0,5 [h⁻¹],
V_m: – vnitřní objem místnosti [m³].

První člen představuje tepelnou ztrátu prostupem tepla, druhý tepelnou ztrátu větráním.

Snížená tepelná ztráta místnosti [W] ve výpočtovém stavu je dána obdobným vztahem:

Q_zs = U_s × S_e × (T_i − T_e) + c_m × n × V_m × (T_i − T_e) (vzorec 2)

kde:

U_s: – průměrný nový (snížený) součinitel prostupu tepla vnějších stěn [Wm⁻²K⁻¹].

Poměrné snížení tepelné ztráty místnosti [–], myslí se tím snížení na určitou hodnotu, ne o určitou hodnotu, je dáno vztahem:

q_m = Q_zs / Q_zp (vzorec 3)

Z posledních vztahů (1 až 3) získáme po úpravě vztah:

q_m = (p × u + 1) / (p + 1) (vzorec 4)

kde:

p: – poměrná tepelná ztráta prostupem, viz vztah (vzorec 5) [–],
u: – poměrné snížení souč. prostupu tepla = U_s / U_p [–].

Poměrná tepelná ztráta prostupem vztažená k tepelné ztrátě větráním při původním výpočtovém stavu je dána vztahem:

p = U_p × S_e / (c_m × n × V_m) (vzorec 5) [–]

Obr. 1 Závislost poměrného snížení tepelné ztráty na poměrné tepelné ztrátě prostupem a na poměrném snížení součinitele prostupu tepla

Vztah (vzorec 4) popisuje poměrné snížení tepelné ztráty místnosti q_m po zateplení v závislosti na poměrné tepelné ztrátě prostupem p s původním součinitelem prostupu tepla vnějších stěn U_p a na poměrném snížení součinitele prostupu tepla vnějších stěn u (obr. 1).

Pokud má celý objekt jednotnou hodnotu původního součinitele prostupu tepla vnějších stěn U_p a také sníženého součinitele prostupu tepla vnějších stěn U_s, bude hodnota u konstantní pro všechny místnosti objektu. Pouze hodnota p bude u každé místnosti rozdílná, protože poměr S_e / V_m bude také u většiny místností rozdílný. Znamená to, že v objektu jsou místnosti s nejnižší hodnotou q_m, u kterých se zateplení projevilo nejvíce, a místnosti s nejvyšší hodnotou, u kterých se zateplení projevilo nejméně.

Je patrné (obr. 1), že místnosti s menší hodnotou p, tj. s menším poměrem tepelné ztráty prostupem tepla vztažené k tepelné ztrátě větráním, mají vždy větší hodnoty q_m. A právě nastavení ekvitermické regulace (topných křivek) pro celý objekt musí vycházet z nejvyšší hodnoty q_m. Nastavení na nižší hodnoty q_m by znamenalo nedotápění místností s nižšími hodnotami q_m.

Topné křivky

Centrální řízení dodávky tepla pro otopné soustavy se nejčastěji provádí kvalitativně, tzn. změnou teploty přívodní oběhové vody, a to podle venkovní teploty. Tomuto způsobu řízení se také říká ekvitermická regulace. Teplota přívodní vody se nejčastěji mění směšováním pomocí směšovací spojky. Směšováním se rozumí spojování proudu vstupní vody s částí proudu zpětné vody ve směšovacím bodě, čímž vznikne přívodní voda do otopné soustavy daného objektu o potřebné teplotě.

Topná křivka přívodní vody je dána vztahem:

t₁ = 0,5 × {A × [(T_i − t_e) / B]^m + C × (T_i − t_e)} + T_i (vzorec 6)

Topná křivka zpětné vody je dána vztahem:

t₂ = 0,5 × {A × [(T_i − t_e) / B]^m − C × (T_i − t_e)} + T_i (vzorec 7)

V obou vztazích představuje:

t₁: – teplotu přívodní vody [°C],
t₂: – teplotu zpětné vody [°C],
T_i: – vnitřní teplotu výpočtovou [°C],
t_e: – vnější teplotu [°C],
A: – konstantu T₁ + T₂ − 2T_i [K],
B: – konstantu T_i − T_e [K],
C: – konstantu (T₁ − T₂) / (T_i − T_e) [–],
m: – exponent = 0,75 pro článková a desková otopná tělesa [–],
T: – teploty označené velkým písmenem představují teploty pro výpočtový stav.

Obr. 2 Topné křivky 92,5/67,5, 90/70 a 70/55 / 20 / −12 °C

Topné křivky (obr. 2) mohou být vyjádřeny také tabelárně (tab. 1).

Tab. 1 Vybrané topné křivky [°C] pro `T`_i = 20 °C
`t`_e	−12	−9	−6	−3	0	3	6	9	12
`t`₁	92,5	87,1	81,5	75,8	70,0	64,0	57,7	51,2	44,3
`t`₂	67,5	64,4	61,2	57,9	54,4	50,7	46,8	42,6	38,1
`t`₁	90	84,8	79,5	74,0	68,4	62,6	56,7	50,4	43,7
`t`₂	0	66,7	63,2	59,6	55,9	52,0	47,9	43,5	38,7
`t`₁	70	66,3	62,5	58,6	54,6	50,4	46,1	41,7	36,9
`t`₂	55	52,7	50,3	47,8	45,2	42,5	39,6	36,5	33,2

Topné křivky snížené

Poměrné snížení výpočtové tepelné ztráty místnosti [–] je dáno vztahem:

q_m = Q_s / Q_p (vzorec 8)

kde:

Q_s: – výpočtová tepelná ztráta místnosti snížená [W],
Q_p: – výpočtová tepelná ztráta místnosti původní [W].

Poměrné snížení výpočtových tepelných výkonů otopného tělesa [–] na straně vzduchu musí vyhovovat vztahu:

q_t = [(T_1s + T_2s − 2T_i) / (T_1p + T_2p − 2T_i)]^1,33 (vzorec 9)

Poměrné snížení výpočtových tepelných výkonů otopného tělesa [–] na straně vody musí vyhovovat vztahu:

q_v = (T_1s − T_2s) / (T_1p − T_2p) (vzorec 10)

kde:

T_1s: – teplota přívodní vody snížená výpočtová [°C],
T_1p: – teplota přívodní vody původní výpočtová [°C],
T_2s: – teplota zpětné vody snížená výpočtová [°C],
T_2p: – teplota zpětné vody původní výpočtová [°C],
T_i: – vnitřní teplota výpočtová [°C].

Pro teplotně ustálený stav platí, že q_m = q_t = q_v = q. Ze vztahů (9) a (10) lze odvodit vztah pro sníženou výpočtovou teplotu přívodní vody:

T_1s = 0,5 × (A × q^0,75 + D × q + 2T_i) (vzorec 11)

případně vztah pro sníženou výpočtovou teplotu zpětné vody:

T_2s = 0,5 × (A × q^0,75 − D × q + 2T_i) (vzorec 12)

kde:

T_i: – vnitřní teplota výpočtová [°C],
A: – konstanta = T_1p + T_2p − 2T_i [K],
D: – konstanta = T_1p − T_2p [K].

Snížená topná křivka přívodní vody [°C] je dána vztahem:

t_1s = 0,5 × {A_s × [(T_i − t_e) / B]^0,75 + C_s × (T_i − t_e)} + T_i (vzorec 13)

Snížená topná křivka zpětné vody [°C] je dána vztahem:

t_2s = 0,5 × {A_s × [(T_i − t_e) / B]^0,75 − C_s × (T_i − t_e)} + T_i (vzorec 14)

Ve vztazích (13 a 14) představuje:

A_s: – konstantu = T_1s + T_2s − 2T_i [K],
C_s: – konstantu = (T_1s − T_2s) / (T_i − T_e) [–].

Směšovací zařízení

Směšování se provádí nejčastěji zařízením s proměnným směšovacím poměrem (obr. 3). Ke směšování je zapotřebí kromě regulátoru také směšovací přímá nebo trojcestná armatura s elektrickým pohonem, směšovací spojka a oběhové čerpadlo ve vytápěcí části. Řízení se provádí ve strojovně kotelny nebo v objektové směšovací stanici. Je-li dodáváno teplo do otopné soustavy z výměníku tepla, mění se teplota přívodní vody škrcením průtoku ohřívací látky přímou armaturou s elektrickým pohonem napojenou na regulátor. Regulátor provádí řízení teploty přívodní vody podle zadané matematické funkce, jejíž grafickou podobou je tzv. topná křivka.

Pokud v zatepleném objektu není provedeno směšovací zařízení, dostává se do otopných těles i přes termostatické radiátorové ventily (TRV) větší tepelný výkon, než je zapotřebí. Děje se tak vlivem zvýšené teploty přívodní vody, která má za následek přetápění místností. TRV se snaží přetápění zmírnit, ale to se děje až při zvýšení vnitřní teploty o 1 až 2 K. Přitom víme, že zvýšení vnitřní teploty o 1 K znamená zvýšení spotřeby tepla za otopné období přibližně o 6,5 %.

Zařízením s proměnným směšovacím poměrem

Obr. 3 Zařízení s proměnným směšovacím poměrem

Již bylo uvedeno, že směšování se provádí nejčastěji zařízením s proměnným směšovacím poměrem. Součástí zařízení (obr. 3) je regulátor, směšovací přímá nebo trojcestná armatura s elektrickým pohonem napojená na regulátor, snímače venkovní teploty a teploty přívodní vody, směšovací spojka a oběhové čerpadlo ve vytápěcí části. Regulátor umožňuje přizpůsobit dodávku tepla požadovaným vnitřním teplotám s různými dobami trvání jednotlivých fází. Naprogramováním doby trvání plné a snížené teploty přívodní vody zajistí normální a tlumené vytápění.

Zařízením s pevným směšovacím poměrem

Obr. 4 Zařízení s pevným směšovacím poměrem

Směšování lze provádět také zařízením s pevným směšovacím poměrem. Součástí zařízení (obr. 4) je pouze směšovací spojka, dvě seřizovací armatury a oběhové čerpadlo ve vytápěcí části. Potřebný směšovací poměr, tj. poměr průtoků v přívodní části a ve vytápěcí části, se nastavuje prostřednictvím obou seřizovacích armatur tak, aby bylo dosaženo správné teploty přívodní vody otopné soustavy odčítané zabudovaným teploměrem. Snížené topné křivky otpné soustavy jsou závislé na normálních topných křivkách v přívodní části. Toto směšování nelze časově programovat. Střídání dob plného a tlumeného provozu vytápění prováděné na zdroji tepla je směšovacím zařízením pouze kopírováno. Zařízení s pevným směšovacím poměrem je oproti zařízení s proměnným směšovacím poměrem levnější, ale nelze jím docílit takových úspor jako u směšovaného zapojení, a proto by nemělo být používáno.

Příklad

Zadání

Otopná soustava objektu byla navržena na výpočtové (původní) teploty T_1p = 92,5, T_2p = 67,5, T_i = 20 a T_e = −12 °C. Po zateplení je poměrné snížení tepelné ztráty q_m = 0,6. Máme stanovit snížené výpočtové teploty oběhové vody.

Řešení

Nejprve stanovíme pomocné konstanty, uvedené ve vztahu (vzorec 12):

A = 92,5 + 67,5 − 2 × 20 = 120 K
D = 92,5 − 67,5 = 25 K

Snížená výpočtová teplota přívodní vody potom bude podle (vzorec 11):

T_1s = 0,5 × (120 × 0,6^0,75 + 25 × 0,6 + 2 × 20) = 68,4 °C

Snížená výpočtová teplota zpětné vody bude podle (vz. 12)

T_2s = 0,5 × (120 × 0,6^0,75 − 25 × 0,6 + 2 × 20) = 53,4 °C

Druhý stupeň seřízení

Tento stupeň seřízení průtoků do otopných těles se provádí návazně na první stupeň tehdy, když je u určitých místností skutečná vnitřní teplota vzduchu t_i vyšší o 2 K a více oproti teplotě výpočtové T_i.

Nejprve se musí stanovit potřebné poměrné snížení tepelného výkonu otopného tělesa [–] dané vztahem:

q = (T_i − t_e) / (t_i − t_e) (vzorec 15)

kde:

T_i: – teplota vnitřní výpočtová [°C],
t_i: – teplota vnitřní skutečná [°C],
t_e: – teplota vnější skutečná [°C].

Měření skutečné vnitřní teploty vzduchu v místnosti se musí provádět v době, kdy v místnosti nepůsobí tepelné zisky, zejména od slunečního záření.

Obr. 5 Závislost poměrného nastavení seřizovací armatury na poměrném tepelném výkonu

Dále je potřebná znalost závislosti poměrného tepelného výkonu q [–] na poměrném průtoku m [–] a závislost poměrného průtoku na poměrném nastavení seřizovací armatury N [–]. Z uvedených dvou závislostí lze nakreslit diagram (obr. 5). První závislost platí pro otopnou soustavu s výpočtovými teplotami oběhové vody T₁ = 80 a T₂ = 60 °C, s vnitřní a vnější teplotou T_i = 20 a T_e = −12 °C. Druhá pak pro lineární průběh poměrného průtoku na poměrném nastavení seřizovací armatury. Tou je buď termostatický radiátorový ventil nebo seřizovatelné zpětné šroubení.

Příklad

Zadání

V určité místnosti vytápěného objektu byla naměřena skutečná vnitřní teplota t_i = 24 °C. Výpočtová vnitřní teplota je T_i = 20 °C, skutečná vnější teplota t_e = 4 °C. Otopná soustava má výpočtové teploty oběhové vody T₁ = 80 a T₂ = 60 °C, vnější teplotu T_e = −12 °C. Máme stanovit poměrné nastavení seřizovací armatury N [–] otopného tělesa.

Řešení

Nejprve vypočítáme potřebné poměrné snížení tepelného výkonu otopného tělesa podle vztahu (vzorec 15).

q = (20 − 4) / (24 − 4) = 0,8

Poté z diagramu (obr. 5) odečteme pro poměrný tepelný výkon q = 0,8 hodnotu poměrného nastavení seřizovací armatury N = 0,3. Nastavení seřizovací armatury potom bude ve výši 30 % rozsahu stupnice vybrané armatury původního nastavení a uzavřeného stavu vybrané armatury.

Aktualizační doplněk (Josef Hodboď):
Výpočty na základě teoretických poznatků vytváří základní rámec pro úpravy provozu otopné soustavy objektu po jeho zateplení. V současné době nabídky regulačních prvků se zdokonaleným software i hardware a inflačně zvýšených cen energií by se však nemělo zůstat jen u vypočteného stavu.
Například předpokládaná intenzita větrání 0,5 hodina^-1 není v praxi běžná. Projektant vytápění s touto intenzitou větrání musí pracovat, protože jde o hygienickými předpisy doporučenou hodnotu (pro obytné místnosti ideálně 0,5 hodina^-1, připouští se snížení až na 0,3 hodina^-1, v praxi někdy i jen 0,1 hodina^-1).
Ekvitermní křivku, jak ukazují příklady výpočtů, určují především teploty venkovního vzduchu. Potřebu tepla však ovlivňuje například i aktuální rychlost proudění venkovního vduchu okolo objektu a aktuální intezita slunečního záření dopadajícího na fasádu. Proto by výpočtem stanovená ekvitermní křivka pro konkrétní objekt měla být v průběhu otopné sezóny kontinuálně upravována podle skutečného odběru tepla a tím přispívat i k přesnosti činnosti termostaticky řízených ventilů na otopných tělesech. Zvláště, když je to na úrovni současné tepelně regulační techniky možné. Neboť každé i jen 1 % úspory tepla má v dnešních cenách energií velký význam. Takové řízení pak relativně snadněji zvládne přechod na dočasně mimořádně úsporný režim vytápění.

English Synopsis

Regulatuon of heating system after additional thermo insulation of the building

Regulation of heating system must be made in two steps. The first step is temperature regulation which is related to central management of heat supply to the building. The second step is hydraulic (flow) regulation which is related to local management of heat supply to the room.