Jak funguje termostatický ventil a hlavice?
Každý z nás určitě přišel do kontaktu s termostatickým ventilem s hlavicí zpravidla nainstalovaným na přívodním potrubí otopného tělesa. Už méně lidí však tuší, jak vlastně termostatická regulace funguje.
Často dochází k její degradaci na pouhý ruční uzavírací ventil. Když lidé odcházejí do práce, hlavici nastaví na symbol hvězdička, tzn. ventil uzavřou. A to bez ohledu na sousední byt, který pak musí dotovat i jejich tepelnou ztrátu. Když se vrátí domů, otevřou hlavici na pozici 5, chtějí mít okamžitě v místnosti 22 °C a diví se, že tomu tak není.
Regulace u zateplených domů
V dnešní době úspor energií, kdy dochází k zateplování budov, vyregulování otopných soustav a snižování přívodní teploty, se tento problém ještě prohlubuje. Po hydronickém vyvážení soustavy, osazení termostatických hlavic a správném nastavení ekvitermní regulace si lidé najednou začnou stěžovat na pocit tepelného diskomfortu. „Byli jsme zvyklí na prohřátý radiátor a teď je teplý jen 10 centimetrů odshora“. Jaká je skutečná teplota v místnosti a jaké úspory jim to přinese, nikdo neřeší. Problematice regulace otopné soustavy u zateplených bytových domů jsme se podrobněji věnovali v článku, publikovaném v červnu 2020. Stejnému tématu se věnuje i jeden z našich webinářů, dostupných na YouTube.
Základní princip termostatické regulace
Za termostatickou regulací se skrývá mnoho fyzikálních zákonitostí. Cílem tohoto článku není vše do detailu rozebrat, ale zjednodušenou formou popsat, jak termostatická regulace funguje. Termostatický ventil reguluje průtok pracovní kapaliny do otopného tělesa. Akčním členem, který určuje zdvih kuželky ventilu, je termostatická hlavice. Uvnitř hlavice je většinou kapalinové čidlo, které na základě okolní teploty vzduchu vlivem roztažnosti kapaliny působí na dřík termostatického ventilu, a tak plynule mění jeho zdvih. Na obr. 1 můžete vidět v řezu termostatickou hlavici s ventilem.
Pro správnou regulaci hlavice je důležité její nastavení. Jak můžete vidět na obr. 2, každému číslu na stupnici odpovídá požadovaná pokojová teplota. To, že nastavíme požadovanou teplotu ještě neznamená, že jí musíme zákonitě dosáhnout. Výslednou teplotu v místnosti ovlivňuje mnoho další fyzikálních předpokladů, které si dále vysvětlíme.
Obr. 1 – Řez termostatickou hlavicí a ventilem
Obr. 2 – Návod pro nastavení termostatické hlavice
Jde vlastně o regulační smyčku (viz obr. 3), kde řízenou hodnotou je prostorová teplota v místnosti, resp. teplota vzduchu v okolí čidla termostatické hlavice. Kapalinové čidlo snímá tuto teplotu, a pokud se změní o vyšší hodnotu, než je tzv. hystereze čidla, pak čidlo začne reagovat a měnit zdvih kuželky ventilu. Změnou zdvihu se změní tzv. Kv hodnota ventilu. Výsledný průtok ovlivňuje kromě zdvihu ventilu také tlaková diference před ventilem. Jde o rozdíl tlaků v přívodním a zpětné potrubí, který způsobuje oběhové čerpadlo v otopné soustavě. Regulace výkonu otopného tělesa způsobuje změnu prostorové teploty. Výkon kromě průtoku ovlivňuje také teplota pracovní kapaliny, resp. rozdíl teploty přívodu a zpátečky.
Obr. 3 – Regulační smyčka termostatické regulace
Vliv tepelných ztrát/zisků v místnosti
Prostorová teplota v místnosti se však mění nejen na základě dodaného tepelného výkonu otopného tělesa. Teplotu v místnosti ovlivňuje také tepelná ztráta a tepelný zisk. Tepelná ztráta prostupem a infiltrací, měnící se podle venkovní teploty, snižuje prostorovou teplotu. Výkon tělesa se jí snaží vyrovnat. Pokud se to podaří, termostatická hlavice už dále nemění zdvih ventilu, tj. výkon tělesa je stabilní, pokud se nemění teplota kapaliny na přívodu. V případě zvýšení tepelné ztráty, tj. snížení venkovní teploty, dojde k poklesu prostorové teploty a hlavice se snaží tento pokles vyrovnat zvýšením zdvihu ventilu, resp. navýšením výkonu tělesa. Zda se to povede, záleží na dostatečném průtoku, teplotě přívodu a správně dimenzovaném otopném tělese. Tepelné zisky od přítomných osob, vaření, zapnutých spotřebičů apod. zvyšují teplotu v místnosti a termostatický ventil s hlavicí zavírá. Pokud teplota v místnosti přesáhne teplotu, při níž je ventil plně uzavřen, termostatická regulace již nemá na teplotu v místnosti vliv.
Termostatickou regulaci a tím i výslednou teplotu v místnosti ovlivňují tyto parametry:
Stálé:
- Tepelně technické vlastnosti obálky (stavebních konstrukcí) místnosti
- Typ a velikost otopného tělesa
- Typ a dimenze termostatického ventilu
- Přednastavení clonky termostatického ventilu na základě výpočtu tlakových ztrát
- Typ, parametry a umístění termostatické hlavice
- Nastavená hodnota teploty na termostatické hlavici
- Výpočtové parametry otopné soustavy
- Teplota přívodu, v případě řízení zdroje tepla na konstantní hodnotu
Proměnné:
- Tepelná ztráta (venkovní teplota, infiltrace, větrání)
- Tepelné zisky (oslunění, vnitřní zisky)
- Tlaková diference před ventilem
- Teplota přívodu – v případě řízení podle venkovní teploty (ekvitermní regulace)
Přesnost termostatické regulace
Přesnost regulace teploty je do velké míry závislá na technických parametrech termostatické hlavice, které určuje ČSN EN 215, viz tabulka níže.
| Parametr | EN 215 | Hlavice Heimeier K | |
|---|---|---|---|
| C | Hystereze | 0.3–0.4 K | 0,15 |
| W | Vliv teploty vody | 0.3–0.7 K | 0,35 |
| D | Vliv tlakové diference | 0.3 K | 0,2 |
| Z | Uzavírací doba | ≤ 25 min | 19 |
Tab. 1 – doporučené parametry termostatických hlavic dle EN 215 vs. Hlavice Heimeier K
Jak moc se změní zdvih ventilu na základě změny teploty? To ovlivňuje tzv. specifický zdvih hlavice, který je daný typem čidla a použitou kapalinou. Pro hlavice K od IMI Heimeier je specifický zdvih 0,22 mm/K. To znamená, že změna teploty o 1 K vyvolá změnu zdvihu o 0,22 mm.
Termostatické ventily s hlavicí proto nedosahují nikdy max. zdvihu, ale pracují v tzv. pásmu proporcionality (Xp). Pásmo proporcionality definuje teplotní regulační rozsah termostatické hlavice a má přímou vazbu na zdvih kuželky termostatického ventilu. Nižší hodnoty znamenají menší zdvih, vyšší hodnoty znamenají vyšší zdvih.
Místnost, ve které udržujeme teplotu, si můžete představit jako nádobu s kapalinou, do které přitéká teplo a odtéká tepelná ztráta (viz obr. 4). Na přívodu tepla je osazený termostatický ventil a hlavici supluje plovák na hladině. Hladina kapaliny v nádobě určuje teplotu v místnosti. Pokud je odtok tepelné ztráty vyšší než přítok tepla, hladina klesá. Při snižování teploty, resp. hladiny, plovák klesá a otevírá ventil s přívodem tepla a naopak. Rozdíl mezi min. a max. hladinou, resp. teplotou, je pásmo proporcionality.
Obr. 4 – Pásmo proporcionality
Uvažujme termostatický ventil s hlavicí, který je uzavřen při teplotě 22 °C (viz obr. 5). Pokud teplota v místnosti poklesne na 21 °C, bude regulační odchylka xp = 22 °C − 21 °C = 1 K. Ventil se otevírá. Při teplotě 20 °C bude xp = 2 K (doporučené pásmo pro termostatické ventily). Při této teplotě by měl ventilem protékat jmenovitý průtok odpovídající výkonu tělesa pro pokrytí tepelné ztráty. Pokud bude teplota dále klesat, bude se ventil stále otevírat, při teplotě 19 °C bude xp = 3 K a ventilem bude protékat větší množství vody.
Obr. 5 – Zdvih ventilu při různé prostorové teplotě
Může však dojít k situaci, kdy další otevírání ventilu už nevyvolá navýšení průtoku a výkonu, tzn. tlaková diference před ventilem není dostatečná a/nebo teplota přívodu je nízká a/nebo těleso je poddimenzované. V tomto případě nejsme schopni dosáhnout požadované teploty ani při plném otevření ventilu.
Naopak situace, kdy při malé změně zdvihu ventilu dochází k velké změně teploty, tzn. pásmo proporcionality je nízké (pod 0,5 K), vyvolá nestabilní regulaci a doslova přetápění místnosti. Toto může být způsobeno velkou tlakovou diferencí před ventilem a/nebo vysokou teplotou přívodu a/nebo předimenzovaným otopným tělesem.
Přednastavení termostatických ventilů
Pro udržení správného pásma proporcionality pro regulaci je důležitý hydraulický výpočet, jehož výsledkem je přednastavení termostatických ventilů a eliminace nadprůtoků. Termostatické ventily Heimeier V-exact II mají možnost plynulého přednastavení v rozsahu pozice 1–8. Nastavení pozice se provádí speciálním klíčkem.
V poslední době se čím dál více u rekonstrukcí i novostaveb prosazují speciální termostatické ventily s automatickým omezením průtoku. IMI Hydronic Engineering přišla na trh s termostatickými ventily Eclipse s tzv. AFC® technologií (viz obr. 6). Tyto ventily umožňují přímé nastavení vypočítaných průtoků bez nutnosti složitého hydraulického výpočtu. Nastavený průtok není nikdy překročen ani při uzavření ostatních ventilů nebo otevření hlavice naplno. Proto nedochází k nadprůtokům a pásmo proporcionality je udržováno na max. hodnotě 2 K bez ohledu na nastavení termostatické hlavice nebo např. otevření okna. Rozsah nastaveného průtoku je 10–150 l/h. Novinkou je ventil Eclipse 300 s rozsahem průtoku 30–300 l/h, určeným pro rekonstrukce nebo soustavy s nízkým teplotním spádem. Technologii AFC® lze nyní také využít i u těles s vloženou ventilovou vložkou.
Obr. 6 – ventily a vložky Eclipse s AFC® technologií
Kvalitní projekt jako základ správné termostatické regulace
Základem pro správnou termostatickou regulaci a udržení požadované prostorové teploty bez kolísání je kvalitní projekt, který by měl obsahovat:
- Výpočet tepelných ztrát celého objektu i po zateplení.
- Stanovení optimálního teplotního spádu podle typu zdroje tepla a podle nejméně předimenzovaného tělesa v případě stávající soustavy.
- Návrh otopných těles. V případě stávající soustavy posouzení jejich velikosti vzhledem k vypočítaným tepelných ztrátám a stanovení optimálního průtoku a teplotního spádu pro každé těleso.
- Návrh hydronického vyvážení a stabilizace tlakové diference.
- Hydraulický výpočet tlakových ztrát a přednastavení termostatických ventilů na otopných tělesech.
Takto kvalitně provedený projekt nejenže zaručí bezproblémové vytápění s velkými úsporami, ale také díky podrobnému výpočtu tepelných ztrát může sloužit k přesnějšímu rozúčtování tepla. I když se vše provede a nastaví dle projektu, je vždy nutné udělat závěrečné hydronické vyvážení pomocí speciálního přístroje pro měření průtoků TA-Scope. Pro správnou činnost termostatických ventilů a hlavic je důležité také správné nastavení ekvitermní regulace na zdroji tepla nebo směšovací stanici. Pokud je dobře nastavená teplota přívodu v kontextu venkovní teploty, nedochází k přetápění místností ani při otevřených či sundaných termostatických hlavicích.
V neposlední řadě je třeba myslet na osvětu a poučit všechny obyvatele domu, jak správně používat termostatické hlavice. Ani sebelepší technické řešení nedokáže zajistit ideální pokojové klima, pokud bude konečný uživatel ignorovat pravidla pro používání termostatických hlavic. My doporučujeme nastavit termostatickou hlavici na teplotu, kterou chceme v místnosti udržovat a toto nastavení neměnit. Jako prevenci neodborné manipulace lze nastavení v hlavici vnitřně zablokovat nebo použít speciální hlavici Halo-B se skrytým nastavením teploty pomocí speciálního klíčku. Zajistí se tak ideální požadované klima bez výkyvů při optimalizované spotřebě energie. Požadavek na případný teplotní útlum, např. noční, lze vyřešit centrálně snížením teploty na ekvitermní regulaci. Útlum a časový program lze samozřejmě řešit i individuálně na každém tělese, ale to už je o zcela jiné technologii…
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, ...