Úspory tepla při úpravách otopných soustav I.
Článek obsahuje podklady pro úpravy otopných soustav, popisuje vliv úprav na vnitřní potrubní rozvody i na vnější tepelné sítě CZT, analyzuje příčiny nízkých úspor tepla a poskytuje informace o osvědčených postupech řešení úprav v reálné praxi.
V současných klasických projektech se původní teplotní parametry 90/70°C a 92,5/67,5°C upravují v zásadě buď návrhem domovní výměníkové stanice, nebo návrhem směšovacího okruhu. Používají se přitom nové parametry 70/50°C nebo 75/55°C, jejichž volba není podložena žádným korektním důkazem správnosti a závisí prakticky na úsudku projektanta, případně na požadavku dodavatele tepla. Jediným důvodem by zde mohl být dislokovaný ohřev TUV, ale pak je pro vytápění teplotní spád chybný.
Původní projekty ze 60. a 70. let minulého století byly též klasické a na klasických metodách projektování otopných soustav se od té doby nezměnilo nic, i když tehdejší soustavy byly statické a dnešní jsou dynamické. V klasických statických soustavách dominovala hydraulika, která byla nosným řešením projektu vytápění. Nelze se proto divit, že pro vytápění řádově důležitější teplotní parametry nebyly nikdy podrobeny serióznější analýze a hydraulika je dodnes vnímána jako hlavní řešení oboru vytápění. V povědomí velké části odborníků proto je, že "nezmění-li se teplotní spád, nezmění se ani průtok", což je při úpravách soustav fatální omyl. Vznikl z jednoduchého vztahu (1):
kde P(W) je tepelný výkon, Cts(J.kg-1.K-1) je měrné teplo vody a (tp-tz) rozdíl teplot vody
Při stejném teplotním rozdílu vody je průtok stejný jen tehdy, nezmění-li se výkon P.
Při úpravách soustav se však po zateplení objektů výkon mění. Požadavek na zachování původně projektovaných průtoků v původních průměrech potrubí je přitom důležitý, protože s poklesem proudění klesá přenosová schopnost vnitřních i vnějších sítí, narůstají tepelné ztráty potrubí v poměru k přenášenému tepelnému výkonu a klesají koncové teploty vody na vstupu do otopných těles. Vyráběné teplo se pak plně nevyužívá k vytápění a roste cena tepla, skutečně využitého. Druhou negací při nedodržení původního průtoku je uměle vyvolaná změna hydraulických poměrů ve všech sítích, která není ničím fyzikálně zdůvodněna, protože vlastně vznikla chybnou volbou chybného teplotního spádu vody, jak dokládá TAB.1, s demonstrací výsledků pro těleso KALOR 10/500/160:
| Pův. 90/70/20°C Δtm = 20 K | 70/50/20°C Δtm = 20 K | 75/55/20°C Δtm = 20 K |
|---|---|---|
| P = 1152,00 W = 100% G = 49,39 kg.h-1 = 100% tstř = 79,44°C = 100% Cts = 4198,10 J.kg-1.K-1 |
P = 671,15 W = 58,26% G = 28,86 kg.h-1 = 58,42% tstř = 59,15°C = 74,46% Cts = 4186,52 J.kg-1.K-1 |
P = 786,31 W = 68,26% G = 33,79 kg.h-1 = 68,41% tstř = 64,25°C = 80,88% Cts = 4188,97 J.kg-1.K-1 |
| Pův. 92,5/67,5/20°C Δtm = 25 K | 70/50/20°C Δtm = 20 K | 75/55/20°C Δtm = 20 K |
| P = 1144,00 W = 100% G = 39,24 kg.h-1 = 100% tstř = 79,12°C = 100% Cts = 4197,87 J.kg-1.K-1 |
P = 671,15 W = 58,67% G = 28,86 kg.h-1 = 73,53% tstř = 59,15°C = 74,76% Cts = 4186,52 J.kg-1.K-1 |
P = 786,31 W = 68,73% G = 33,79 kg.h-1 = 86,09% tstř = 64,25°C = 81,20% Cts = 4188,97 J.kg-1.K-1 |
TAB. 1 - Vliv klasických teplotních spádů 70/50/20°C a 75/55/20°C na průtoky topné vody
Klasicky používanými teplotními spády není požadavek na zachování původních průtoků v původních průměrech potrubí dodržen a průběh teplot v síti se blíží k hodnotám v GRAFU 2. Oba klasické teplotní spády jsou proto pro úpravy otopných soustav nevhodné. Zpracovatel klasického projektu pak určuje ze snížených průtoků tlakové ztráty soustavy i seřízení všech regulačních armatur a snížené průtoky jsou i podkladem pro následné hydraulické vyvažování soustavy. Pracuje-li projektant s chybnými průtoky, jsou přirozené chybné všechny jeho výsledky a tím vlastně i celý projekt. Teplotní čidla termostatických ventilů jsou chybným přenosem tepla chybně aktivována a při provozu soustavy pak nejsou dodrženy hodnoty "Kv", vztažené k seřízení tzv."druhé regulace" TRV.
I původní klasicky určené průtoky byly již nedostatečné, protože při klasickém řešení v sobě nezahrnují kompenzaci úbytku tepelné energie na trase od zdroje ke spotřebičům tepla, způsobeného tepelnými ztrátami potrubí (tuto kompenzaci obsahují hydronické projekty). Aby TRV mohly spořit teplo v plné úrovni teplených zisků, musí být řešena správná aktivace teplotních čidel tepelným působením vlastní soustavy a k tomu už je potřebný projekt termohydraulický, který navíc zajišťuje i všechny další funkční vztahy mezi řídicími a řízenými veličinami regulačních procesů a garantuje jejich zkoordinovanou činnost.
Jakékoliv snižování průtoků ve stávajících průměrech potrubí (například nevhodně voleným teplotním spádem) je při úpravách otopných soustav chybou, která znemožňuje automatickou úspornou funkci regulační techniky. Regulační technika je pak využívána k ručnímu otevírání a uzavírání těles, k čemuž by stačil i nejlevnější ventilek. Námitka, že "obyčejným ventilkem by nebylo možné nastavit správnou teplotu v místnosti" neobstojí, protože bez zajištění přenosu tepla správným průtokem to není možné ani termostatickým ventilem. Projektovým podkladem při úpravách jsou proto správné teplotní spády a parametry topné vody, výhodné z hlediska ekonomiky vytápění pro dodavatele i spotřebitele tepla.
Teplotní parametry otopných soustav při zachování původního průtoku a původní velikosti těles
| Teplotní parametry topné vody tp/tz /ti °C po zateplení budov při vnější teplotě temin (např. -12°C) TAB.2 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tepelné ztráty Qc% po zateplení |
90/70/20 ex těles 1,15 |
90/70/20 ex těles 1,25 |
90/70/20 ex těles 1,33 |
92,5/67,5/20 ex těles 1,15 |
92,5/67,5/20 ex těles 1,25 |
92,5/67,5/20 ex těles 1,33 |
| 100% úspora 0% |
90,00/70,00 Δt = 20,00 |
90,00/70,00 Δt = 20,00 |
90,00/70,00 Δt = 20,00 |
92,50/67,50 Δt = 25,00 |
92,50/67,50 Δt = 25,00 |
92,50/67,50 Δt = 25,00 |
| 90% úspora 10% |
83,74/65,73 Δt = 18,01 |
84,14/66,12 Δt = 18,02 |
84,41/66,40 Δt = 18,01 |
85,99/63,47 Δt = 22,52 |
86,38/63,86 Δt = 22,52 |
86,65/64,13 Δt = 22,52 |
| 80% úspora 20% |
77,41/61,38 Δt = 16,03 |
78,16/62,14 Δt = 16,02 |
78,70/62,67 Δt = 16,03 |
79,40/59,36 Δt = 20,04 |
80,15/60,11 Δt = 20,04 |
80,67/60,64 Δt = 20,03 |
| 70% úspora 30% |
70,98/56,95 Δt = 14,03 |
72,07/58,04 Δt = 14,03 |
72,83/58,80 Δt = 14,03 |
72,72/55,18 Δt = 17,54 |
73,79/56,25 Δt = 17,54 |
74,55/57,01 Δt = 17,54 |
| 60% úspora 40% |
64,46/52,42 Δt = 12,04 |
65,82/53,79 Δt = 12,03 |
66,80/54,76 Δt = 12,04 |
65,94/50,89 Δt = 15,05 |
67,29/52,25 Δt = 15,04 |
68,25/53,21 Δt = 15,04 |
| 50% úspora 50% |
57,81/47,77 Δt = 10,04 |
59,40/49,37 Δt = 10,03 |
60,55/50,52 Δt = 10,03 |
59,03/46,49 Δt = 12,54 |
60,61/48,07 Δt = 12,54 |
61,75/49,21 Δt = 12,54 |
| 40% úspora 60% |
51,01/42,98 Δt = 8,03 |
52,76/44,73 Δt = 8,03 |
54,04/46,01 Δt = 8,03 |
51,98/41,95 Δt = 10,03 |
53,72/43,68 Δt = 10,04 |
54,99/44,95 Δt = 10,04 |
| 30% úspora 70% |
44,02/38,00 Δt = 6,02 |
45,83/39,81 Δt = 6,02 |
47,18/41,15 Δt = 6,03 |
44,75/37,21 Δt = 7,54 |
46,54/39,01 Δt = 7,53 |
47,87/40,34 Δt = 7,53 |
| 20% úspora 80% |
36,77/32,75 Δt = 4,02 |
38,49/34,48 Δt = 4,01 |
39,81/35,79 Δt = 4,02 |
37,24/32,22 Δt = 5,02 |
38,95/33,93 Δt = 5,02 |
40,26/35,24 Δt = 5,02 |
| 10% úspora 90% |
29,07/27,06 Δt = 2,01 |
30,46/28,45 Δt = 2,01 |
31,56/29,55 Δt = 2,01 |
29,30/26,79 Δt = 2,51 |
30,68/28,17 Δt = 2,51 |
31,77/29,26 Δt = 2,51 |
Projektové podklady ORIGINAL=CRA=SOFTWARE
Z TAB.2 plyne, že otopné soustavy, po zateplení upravené na teplotní parametry 70/50°C nebo 75/55°C, pracují v zatepleném stavu s nedostatečným průtokem. Přenosová schopnost sítí závisí, mimo jiné, i na rychlosti proudění teplonosné látky ve stávajících průměrech potrubí a tato rychlost je volbou chybných parametrů podstatně snížena. Při snížené přenosové schopnosti nemůže být dodrženo správné proporcionální pásmo TRV a teplotní čidla nejsou dostatečně aktivována k úsporám tepla. Při nedostatečně aktivovaných čidlech se teplotním deficitem (nebo uživatelskými zásahy) mohou naopak někdy vyskytnout lokální nadprůtoky, které jsou zdrojem trakčního hluku. Je-li po úpravě soustavy na 50% výkonu potřebný teplotní spád například 10,03 K, pak při použití klasických parametrů činí teplotní spád 20 K a v seřízené soustavě pak chybí téměř polovina průtočného množství vody. Všechny armatury v celé soustavě jsou pak nastaveny chybně na poloviční průtok a soustava ztratí poslední zbytky své samoregulační schopnosti vyplývající z funkce TRV. Chybějící polovina vody přitom neznamená fatální nedotápění místností, protože otopná tělesa mají při polovičním průtoku stále ještě cca 88% až 94% tepelného výkonu a protože bývají mírně předimenzována, "nikdo nic nepozná". Ale při 50% průtoku klesají koncové teploty vody v sítích, klesá účinnost kvalitativní regulace ve zdroji i kvantitativní regulace na prahu otopných těles a vytápění je neekonomické. Firmy, upravující otopné soustavy, by měly své projektanty na tyto chyby upozornit. Z jednání těchto firem je často zřejmé, že vůbec netuší, jaké podmínky k úsporám tepla v upravovaných soustavách je potřebné zajistit a jak úpravu soustavy řešit. Uvedení základních informací a podkladů má proto pomoci firmám, projektantům i uživatelům soustav.
Identifikace správné funkce dynamické soustavy uživatelem
Správně upravená otopná soustava nehlučí. Všechna tělesa, bez ohledu na podlaží objektu, nabíhají stejnou rychlostí (cca do 20 sekund má přívodní přípojka tělesa pracovní teplotu). Při vzestupu teploty místnosti o 2°C se do 30 minut přeruší přívod vody do tělesa, které začne chladnout. Soustava, která vykazuje nižší úspory tepla, než jaké odpovídají stavu zateplení objektu (při výměně oken a běžném zateplení činí úspory tepla cca 50% proti nezateplenému stavu včetně výměny vzduchu 0,5h-1), je z hlediska úspor tepla regulační technikou zcela nefunkční. Úspory tepla zateplením objektu se správnou funkcí regulační techniky naopak zvyšují, a proto fyzikální úspory tepla nemohou být nikdy nižší, než jaké odpovídají samotnému zateplení. Jsou-li naměřeny nižší úspory, je to přímý důkaz chybné funkce soustavy, nebo chybných parametrů na jejím počátku. Správně seřízená regulační technika uspoří veškeré teplo z tepelných zisků. Naopak chybně seřízená regulační technika může vlivem zkratových průtoků nebo chybných uživatelských zásahů vykazovat "úspory tepla" i záporné a proto i nižší, než jaké odpovídají vlastnímu zateplení budovy.
Správně upravená soustava, se správnými teplotními parametry, vykazuje na teploměrech instalovaných na počátku potrubní sítě při nejnižší vnější výpočtové teplotě přibližně teplotní spád "Δt" podle TAB.2. Větší teplotní spád pak znamená, že soustavou proudí málo vody a menší teplotní spád svědčí o nadměrném množství vody. Vždy je také potřebné, znát celý průběh otopové křivky v závislosti na vnější teplotě.
Vliv průtoku otopným tělesem na parametry topné vody
GRAF 1 - Výkon těles a parametry vody vystupující z těles do potrubní sítě
GRAF 1 ukazuje dosud nepublikované komplexní parametry tepelného výkonu "P", střední teploty vody "tstř" a zpětné teploty vody "tz", v závislosti na průtoku topné vody a na hodnotě proporcionálního pásma TRV, které je určeno pracovním zdvihem kuželky. Všechny parametry mají hodnotu 100% právě jen při správně aktivovaném zdvihu kuželky, kdy soustava zajišťuje nejúspornější provoz s nejvyššími úsporami tepla.
Z těchto výsledků, určených pro diagnostiku funkce dynamické soustavy lze například zjistit příčinu, proč dynamickou soustavu vlastně nelze hydraulicky vyvažovat. Při vyvažování by musel být u všech TRV zajištěn pracovní zdvih kuželek, odpovídající proporcionálnímu pásmu, například XP2K, což není reálné. Při sejmutých hlavicích by zdvih kuželek činil cca 150% pracovního zdvihu a měřením vyhodnocovaný průtok by činil cca 300% projektovaného průtoku a při plném otevření nasazených hlavic pak přibližně 250% průtoku (v různých hydraulických podmínkách a u různých typů TRV se navíc tyto hodnoty liší).
Z průběhu funkce výkonu "P" je patrné, že plným otevřením hlavice zvýší uživatel výkon tělesa jen cca o 12%, což rozhodně nestačí ke zvýšení teploty místnosti z 20°C například na 26°C a jsou místnosti, ve kterých toto zvýšení výkonu nevyvolá vzestup teploty ani 0,5°C. Nad 20°C proto teploty uživatelem přesněji volit nelze (otopná plocha tělesa to neumožní) a jde jen o fyzikálně chybné, komerčně účelové tvrzení.
Otevření hlavice uživatelem, s průtokem cca 250%, má však silně negativní důsledky. Nejen proto, že nadměrných 150% průtoku pak jinde v soustavě chybí. Při 250% průtoku stoupne teplota zpětné vody cca o 16%, zbytečně přivedené (a vyrobené) teplo se nevyužije k vytápění a se zvýšenými tepelnými ztrátami v potrubí se neekonomicky vrací zpět do zdroje, což výrobu i distribuci tepla prodražuje.
Dynamické otopné soustavy (a takové jsou dnes všechny) mají proto bez působení tepelných zisků zásadně pracovat jen s nominálním průtokem (G = 100%), zvýšení nemá nastat nikdy a snížení průtoku pod 100% má být výhradně jen automatickou regulační odezvou soustavy na působící tepelné zisky.
Projekt dynamické soustavy je proto kvalitní tím, do jaké míry dokáže tyto vztahy a podmínky úsporné funkce regulační techniky uživateli soustavy (investorovi) zajistit. Dynamická soustava musí být schopna, uspořit veškeré teplo z tepelných zisků a to jsou úspory nad rámec úspor zateplením budovy. Prostá výměna klasicky projektovaných TRV a ostatních armatur za nové, žádné úspory tepla neřeší.
Přenos tepla sítěmi od zdroje ke spotřebičům
Má-li termostatický ventil skutečně spořit teplo, musí být přenos tepla potrubní sítí zajištěn správným průtokem, aby tepelným působením vlastní otopné soustavy mohlo být správně aktivováno teplotní čidlo a tím byl zajištěn správný zdvih kuželky. Správným průtokem se přitom rozumí tzv. "korigovaný průtok", kterým je kompenzován úbytek tepelné energie na trase od zdroje ke spotřebičům, vyjádřený průběhem teplotních parametrů topné vody. Nedostatečný průtok je ve stávajících průměrech potrubí proto závažnou chybou.
GRAF 2 - Průběh teplotních parametrů v potrubní síti
GRAF 2 znázorňuje průběh teplotních parametrů v síti, předpokládaných klasickým projektem (90/70 konst.), termohydraulickým řešením (ST1 NEZATEPL) a průběh parametrů při omezení průtoku funkcí TRV v zatepleném objektu, není-li soustava upravena.
Například pro těleso KALOR 500/160 s požadovaným výkonem 1500W v 8NP je klasickým projektem podle vztahu (1) při parametrech 90/70/20°C určen průtok 64,31 kg.h-1, ale průtok garantující přenos tepla a správnou aktivaci teplotního čidla, činí (při parametrech 83,81/74,52/20°C) 137,27 kg.h-1 a je tedy více než dvojnásobný. Pro zajištění správného přenosu tepla musí proto každé těleso v soustavě pracovat s jiným teplotním spádem, platným pro bod jeho připojení. V klasickém projektu takto průtoky stanoveny nejsou, a proto je chybné nejen seřízení TRV, ale i všech ostatních armatur, čerpadel, okruhů směšování, způsob vyvážení atd. Pro úspory tepla je však správné seřízení všech prvků soustavy absolutní podmínkou.
V pokračování článku (Úspory tepla při úpravách otopných soustav II.), které uveřejníme následující týden, se popisuje význam správného přenosu tepla vnějšími a vnitřními tepelnými sítěmi, včetně vlivu na aktivaci teplotních čidel a na úsporný provoz dynamických otopných soustav.
Literatura, podklady, kontakt na autora a zdroj výstupních dat:
J.Ráž, Bernd Genath "Vermutlich machen wir vieles falsch"
J.Ráž, Bernd Genath "Echte Innenraum - Temperaturregulung mit Thermostatventilen"
Doplňující informace a kontakt, jsou uvedeny na www.usporyteplaets.cz
Výstupní data: Superdim ATHG
The article contains supporting evidence for the treatment of heating systems, describes the effect of adjustments to the internal wiring and piping on the outside heat supply network of central heating (CPP), analyzes the causes of low heat savings and provides information on the best solution practices for actual adjustments.