Regulace otopné soustavy u zateplených domů
Zateplené bytové domy, které jsou napojeny na centrální zásobování teplem společně s nezateplenými domy, mají vyšší teplotu přívodní vody, a proto má instalovaná otopná soustava vyšší výkon, než je potřeba.
To vede k vyšší spotřebě energie, přestože jsou v domech termostatické ventily. Příliš vysoká teplota vody nutí termostatické ventily pracovat s velmi malým zdvihem a v krajních případech dochází k rozkmitání regulace teploty a neschopnosti termostatického ventilu dodat požadované množství tepelné energie. V některých místnostech je dosažena požadovaná teplota pouze díky stoupačkám, které touto místností procházejí. Z těchto důvodů se instalují na paty domů směšovací uzly (stanice) pro snížení teploty otopné vody.
Uživatelé bytů však často provozují systém tak, že zcela uzavřou termostatické ventily a po příchodu z práce očekávají rychlý nárůst teploty v bytě. Přestože mají zateplené domy a výbornou akumulační schopnost s minimálním poklesem teploty během útlumu, očekávají teplé otopné těleso bez ohledu na skutečnou teplotu v místnosti. Touží šetřit a zároveň přetápět. Obyvatelé se rozdělí zpravidla na dvě skupiny, jedna chce šetřit a druhá chce mít nadstandardní tepelný komfort. To vede ke konfliktním situacím a neodborným zásahům do instalované regulace (úpravy ekvitermní křivky na stejnou nebo vyšší úroveň, než má dodavatel tepla, změny nastavení regulátorů tlakové diference, úpravy nastavení termostatických ventilů apod.).
Neodbornými zásahy do ekvitermní regulace lze snadno tuto regulaci vyřadit z provozu. Důsledkem je zcela otevřený regulační ventil v primárním okruhu. Regulační ventil se snaží dodat 100 % průtok do soustavy, která je však zčásti nebo úplně zavřená. Důsledkem je nárůst tlakové diference a hluk na termostatických ventilech. K těmto jevům by nedocházelo, pokud by byla regulace provozována za účelem směšování.
Než se pustíme do řešení vlastní regulace na patě domu, měli bychom si objasnit, jak vlastně přistupovat ke stávající otopné soustavě po zateplení domu. Zateplením objektu a výměnou oken se výrazně změní tepelné ztráty, a to nejen celého domu, ale i jednotlivých místností vzájemně. Např. v místnostech ve středních patrech domu dojde jen k výměně oken a zateplení fasády, ale u místností pod střechou se tepelná ztráta sníží výrazněji díky zateplení střechy.
Tento fakt je potřeba zohlednit při novém hydraulickém výpočtu, který je vždy nutný, pokud chceme dosáhnout maximálních úspor energie. Často se investuje pouze do zateplení a zapomene se na nové nastavení a vyregulování otopné soustavy. Majitelé bytů se pak často diví, že dosažené úspory nejsou tak vysoké, jak předpokládali. Investice do projektu vyregulování soustavy a jeho provedení se přitom vrátí často už po prvních letech provozu – viz obr 1.
Co by měl obsahovat správný projekt nového vyregulování? V první řadě nový výpočet tepelných ztrát, ve kterém se zohlední zateplení všech částí domu. Na základě nového výpočtu tepelných ztrát najdeme nejméně předimenzované tzv. referenční těleso, pro které stanovíme základní teplotní spád pro potřebný výkon. Přívodní teplota, pokud nebudeme uvažovat tepelné ztráty (ochlazení) v rozvodu, se pro ostatní tělesa nemění. Změní se však teplota zpátečky na základě potřebného výkonu z nového výpočtu tepelných ztrát. Se změnou teplotního spádu se změní i průtok, který následně použijeme v rámci hydraulického výpočtu.
Pro stávající budovy však často není k dispozici původní projekt vytápění a není ani možné identifikovat trasy a dimenze zazděného potrubí. Pro zjednodušení hydraulického výpočtu můžeme naštěstí využít nové technologie, jako jsou termostatické ventily s automatickou regulací průtoku, jako například ventily Eclipse (obr 2).
obr. 1 Snížení spotřeby tepla v bytovém domě po jednotlivých krocích
Průtok je automaticky omezen na nastavenou hodnotu i při plném otevření termostatické hlavice. Omezením nadprůtoků se zvyšuje teplotní spád a energetická účinnost, omezuje se možnost přetápění.
obr. 2 Termostatický ventil Eclipse s automatickou regulací průtoku technologií AFC
Individuální regulace teploty přívodu
Je-li teplota přívodní vody vysoká a požadovaného výkonu otopných těles nelze dosáhnout zvětšením teplotního spádu, nabízí se jako druhá možnost snížení teploty přívodu směšovacím uzlem (stanicí). Další předností je provádět delší časové útlumy než centrální výtopna. Nevýhodou jsou nutné investiční náklady na projekt a realizaci a také spotřeba elektrické energie na čerpací práci a provoz směšovací stanice. Výhodou je naopak nezávislost na centrálním nastavení teploty od dodavatele tepla a možnost nastavení vlastního časového programu. Snížení teploty přívodní vody také pozitivně minimalizuje praskání potrubí způsobené dilatacemi a třením o stavební konstrukce (chráničky).
Zapojení s třícestným regulačním ventilem
Zapojení s třícestným ventilem (obr. 3) zpravidla vyžaduje regulaci tlakové diference, protože tlakově zatížený třícestný ventil ztrácí svou regulační schopnost (autoritu), což se projevuje velmi malým zdvihem pohonu a neschopností udržet konstantní teplotu na sekundární straně. Výraznou nevýhodou tohoto zapojení je nutnost pokrytí tlakové ztráty regulačního ventilu sekundárním čerpadlem. Pokud je tlaková ztráta otopné soustavy do 10 kPa (15 kPa včetně třícestného ventilu), pak je toto zapojení vhodné a nepřináší rizika.
Nevýhody a rizika
- Tlaková ztráta třícestného ventilu (doporučuje se 5 kPa) zvyšuje výtlak sekundárního čerpadla (vyšší riziko hluku termostatických ventilů).
- Regulátor tlakové diference i třícestný ventil musí být na společném potrubí (zajištění expanze vody při uzavření obou armatur).
- Při neodborném nastavení ekvitermní křivky dojde k otevření třícestného ventilu na 100 % a přebytek tlakové diference (nespotřebovaný na třícestném regulačním ventilu) bude připočítán k výtlaku oběhového čerpadla. To může způsobovat hlukové projevy na termostatických ventilech v bytech.
Výhody
- Nedochází k degradaci teploty zpátečky. Při zcela otevřeném třícestném ventilu a vypnutém oběhovém čerpadle bude působit na termostatické ventily pouze 5 kPa (nastavení regulátoru tlakové diference).
Zapojení s dvojcestným regulačním ventilem (doporučujeme)
Varianta s dvojcestným regulačním ventilem (obr. 4a, 4b) nezvyšuje výtlačnou výšku oběhového čerpadla a minimalizuje riziko vzniku hluku. Průtok regulačním ventilem zabezpečuje tlaková diference z teplovodní přípojky dodavatele tepla. Regulační autorita ventilu se blíží ideální hodnotě, a je tak splněn jeden ze základních předpokladů pro přesnou regulaci teploty. Tlaková diference v primárním okruhu není konstantní, a proto se doporučuje instalace regulátoru tlakové diference, opět do stejného potrubí. Kapiláry regulátoru musí být zapojeny dle schématu mezi přívod a zpátečku (nikoliv před a za regulační ventil). Regulátor tlakové diference se nastaví na tlakovou ztrátu regulačního ventilu (doporučujeme 5 kPa).
Nevýhody a rizika
- Při neodborném nastavení ekvitermní křivky dojde k trvalému otevření pohonu regulačního ventilu, vyšší průtok z primárního okruhu způsobí obrácený tok ve zkratu (obr. 4a) a bude degradovat teplotu zpátečky dodavatele tepla. Teploty přívodu na primární a sekundární straně budou stejné.
obr. 3 Schéma zapojení s třícestným regulačním ventilem
obr. 4a Schéma zapojení s dvojcestným regulačním ventilem
obr. 4b Schéma zapojení s dvojcestným regulačním ventilem, zpětná klapka ve zkratu
obr. 5a Schéma zapojení s dvojcestným tlakově nezávislým regulačním ventilem
- Zkrat funguje jako přepouštění, nedochází ke zvýšení výtlačné výšky čerpadla.
- Pokud bude podle obr. 4b regulační ventil otevřen a čerpadlo vypnuto, může tlaková diference za regulačním ventilem stačit k zajištění průtoku přes otopnou soustavu, např. při nočním útlumu. Jedná se o poruchu regulace a nelze tomu předejít.
Řešení
- Řešit tuto situaci lze správným nastavením ekvitermní křivky, aby docházelo ke směšování, a zablokováním ekvitermního regulátoru před neodbornou manipulací, což se nemusí líbit majitelům domu, kteří vlastní tuto regulaci.
- Druhou možností je aktivace nadřazené funkce regulace, pokud to regulátor umožňuje, a to hlídání teploty zpátečky (u varianty obr. 4a). Na potrubí zpátečky primárního okruhu se osadí teplotní čidlo, které při nárůstu teploty zpátečky umožní, prostřednictvím pohonu, snížení průtoku regulačním ventilem. Některé pokročilejší regulátory umožňují zadat klouzavou teplotu zpátečky dle teploty venkovního vzduchu.
- Instalace zpětné klapky do zkratu (obr. 4b) sice vyřeší problém s degradací zpátečky, ale způsobí nárůst tlakové diference na oběhovém čerpadle (zvýšení maximálně o hodnotu nastavenou na regulátoru tlakové diference, tedy o tlakovou ztrátu dvojcestného regulačního ventilu). Tato situace nastane v případě, kdy je regulační ventil zcela otevřen a průtok je malý (částečně zavřené termostatické ventily). Čím větší bude tlaková ztráta regulačního ventilu a adekvátně tomu nastavení regulátoru tlakové diference, tím větší bude v domě hluk. Proto doporučujeme návrh tohoto ventilu na tlakovou ztrátu 5 kPa při jmenovitém průtoku.
Ze všech zde popisovaných variant je zapojení dle obr. 4b nejméně problematické.
Zapojení s dvojcestným tlakově nezávislým regulačním ventilem (rizikové)
V tomto zapojení (obr. 5a, 5b, 5c) je pro regulaci zvolen tlakově nezávislý regulační ventil, který omezuje maximální průtok dle nastavené hodnoty v případě otevření pohonu na 100 %. V jiných pozicích pohonu udržuje integrovaný regulátor tlaku konstantní tlakové poměry na regulační kuželce a vytváří dobré podmínky pro přesnou regulaci. Regulátor tlaku však neudržuje tlak mezi přívodem a zpátečkou a v tom je zásadní rozdíl oproti předchozím variantám.
Nevýhody a rizika
- Při neodborném nastavení ekvitermní křivky (výše, než je křivka dodavatele tepla) se otevře pohon na 100 % a armatura se zcela otevře a je nefunkční. V zapojení dle obr. 5a dojde k otočení průtoku zkratem a teplá voda je vrácena zpět dodavateli tepla (může být penalizováno). Tlaková ztráta zkratu je obvykle velmi malá, i přesto může dojít k navýšení tlakové diference čerpadla v závislosti na průtoku zkratem.
obr. 5b Schéma zapojení s dvojcestným tlakově nezávislým ventilem a zpětnou klapkou ve zkratu
obr. 5c Schéma zapojení s dvojcestným tlakově nezávislým ventilem a dodatečným regulátorem tlakové diference na sekundární straně
Řešení
- Nastavit ekvitermní křivku na nižší teploty, než má křivka dodavatele tepla, a zajistit směšovací funkci.
- Pohon by neměl být otevřen na 100 % a vždy by měl být v regulační pozici. Pokud to nelze zajistit, je nutno soustavu ochránit dalším regulátorem tlakové diference (obr. 5c) instalovaným mezi přívod a zpátečku nebo vybavit regulaci snímačem teploty zpátečky a reagovat uzavíráním pohonu na stoupající teplotu zpátečky.
Zapojení s dvojcestným tlakově nezávislým regulačním ventilem a zpětnou klapkou (nejrizikovější)
Řešení na obr. 5b je shodné s předchozím, avšak do zkratu je osazena zpětná klapka, aby se zabránilo opačnému toku a degradaci teploty zpátečky. V této situaci je regulační ventil neodborným nastavením ekvitermní regulace otevřen na 100 % a celkový průtok ventilem je pod nastavenou hodnotou (regulátor tlaku uvnitř armatury nemá důvod být v činnosti) a ventil neplní žádnou funkci. Zareaguje pouze na průtok větší, než je nastavená hodnota.
Nevýhody a rizika
- Při neodborném nastavení ekvitermní křivky bude pohon trvale otevřen, dojde k uzavření zpětné klapky, sečtení tlaků obou čerpadel (začnou pracovat v sérii za sebou) a vzniku velkého hluku na termostatických ventilech.
- Regulátor tlakové diference, který pomůže snížit tlakovou diferenci způsobující hluk, bude aktivní až v okamžiku, kdy začne pohon regulovat, tedy nebude otevřen na 100 %, nebo ventil dosáhne svého maximálního průtoku (dle nastavení). Může se také stát, že soustavou bude protékat topná voda i po vypnutí oběhového čerpadla v domě (oběh zajišťuje tlak čerpadla z výtopny). V této situaci nemáme žádnou armaturu, která by udržovala tlakovou diferenci na přijatelné úrovni.
Řešení
- Průtok přes regulační ventil musí být vždy menší než průtok otopnou soustavou. Rovnost průtoků by měla nastat jen při jmenovitých (projektovaných) podmínkách. U zateplených domů by mělo směšování probíhat neustále i při velkých mrazech. Pohon není možné udržovat otevřený a očekávat správnou funkci tohoto zapojení. Pohon musí regulovat a musí probíhat směšovací funkce. Musí být správně nastavena ekvitermní křivka.
Nouzové řešení (obr. 5c)
- Osadit regulátor tlakové diference do zpátečky otopné soustavy a chránit otopnou soustavu před nárůstem tlakové diference a následným zvýšeným průtokem. Jedná se o na první pohled z technického a ekonomického hlediska nesprávné řešení, avšak v praxi s ohledem na možnosti instalatérské firmy jediné možné. Proto je zde zmíněno.
Majitelé domů či společenství vlastníků bytových jednotek investují ne malé prostředky na zateplení svých domů. Často jsou tyto akce vázané na dotační tituly a předpokladem k vyplacení dotace mohou být i do ložené úspory tepla. Pro všechny může být velkým překvapením, když skutečné úspory tepla nesplňují očekávání ani předpoklad z projektu zateplení. Konflikty mezi jednotlivými uživateli bytu, kdy jedni chtějí šetřit a druzí chtějí mít tepelný komfort nad rámec standardů, vede do úzkých montážní firmy, které drží záruku za provedené úpravy na otopném systému a v některých případech nejsou schopny dílo předat. Neodbornost, nesmyslnost a protichůdnost požadavků, manipulace s dodanou technikou vytváří problémy, které nelze snadno vyřešit. Tento článek může posloužit jako návod, jaké zapojení zvolit, aby minimalizovalo budoucí rizika.
kontakt: josef.jachim@imi-hydronic.com, radim.hecko@imi-hydronic.com, www.imi-hydronic.com
použité zdroje:
IMI HYDRONIC ENGINEERING. Technické firemní katalogy.
HARABIŠ, B. IGB Holding, a.s. Firemní podklady z realizace.
Naší doménou jsou vysoce efektivní řešení pro HVAC soustavy: udržování tlaku a kvality vody; vyvažování, regulace a ovládání; termostatická regulace včetně unikátní technologie AFC® s Eclipse Inside. Produkty značek Heimeier, TA a Pneumatex šetří čas, ...