Termické vyvážení při úpravách otopných soustav II.
Druhý díl článku na téma termického vyvažování při úpravách otopných soustav je zaměřen na vliv skokového průběhu regulační charakteristiky TRV, odstranění hlučnosti soustav termickým vyvážením, splnění podmínek energetické bilance regulačními procesy a zkoordinovanou činnost složek kombinované regulace tepelného výkonu a rozdíly v nastavení prvků klasické a termicky vyvážené soustavy.
Skokový průběh regulační charakteristiky TRV
Jsou-li hodnoty "N" a "NH" přesně seřízeny armaturami s plynulým nastavením, protéká okruhem otopného tělesa správné korigované množství topné vody správně aktivující teplotní čidlo, kuželka je ve správném zdvihu, platí funkční vztah výrobce mezi hodnotami "N" a "Kv", v soustavě se nevyskytují neekonomické zkratové průtoky a ze soustavy do zdroje tepla proudí zpětná voda se správnou teplotou "tz". Veškeré vyrobené teplo dopravené k otopným tělesům se využije k vytápění, platí průběh teplotních parametrů "tp" a "tz" otopové křivky ekvitermní regulace v závislosti na vnější teplotě a vytápění je ekonomické.
Nejsou-li hodnoty "N" nastavitelné plynule, jsou všechny tyto vazby fyzikálně porušeny, podobně jako při nesprávném nastavení hlavice a do regulačních procesů je uměla zavedena zbytečná chyba.
| Nastavení N | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 3,5 | 4 | 4,5 | 5 |
| Kv (m3.h-1) | 0,073 | 0,124 | 0,174 | 0,230 | 0,285 | 0,323 | 0,361 | 0,402 | 0,443 |
| G (kg.h-1) | 23 | 39 | 55 | 73 | 90 | 102 | 114 | 127 | 140 |
Tab. 3 - Nastavení TRV při Δp = 10 kPa
Bude-li například TRV podle TAB 3 nastavitelný pouze po 0,5N, mohou rozdíly mezi požadovaným a nastavitelným průtokem činit cca 12 až 16 kg.h-1 a nastavený průtok bude ve výchozím stavu o tyto hodnoty buď menší, nebo větší (zkratový). Výchozí stav nastavení, od kterého se odvíjejí regulační procesy, by tedy už obsahoval uměle zavedené chyby průtoku v řádu cca 11% až 65% a regulační procesy by byly chybné. To se projeví porušením výchozí termické rovnováhy (každá místnost navíc reaguje na změnu průtoku tělesem jinak) s odchylkou součtové teploty vratné vody, takže už nebude dodržena shodná střední teplota vody ve všech tělesech. Neschopnost obecně teoreticky řešit regulační procesy v dynamických soustavách, vedla nakonec i ke změně snímaných teplot topné vody. Před zavedením TRV byla elektronickým regulátorem snímána teplota přívodní i zpětné vody, případně i střední teplota. Po zavedení TRV bylo nutno od snímání vratné a střední teploty ustoupit, protože obě tyto hodnoty se funkcí TRV měnily nezávisle na řídící vnější teplotě. Shodná střední teplota vody v tělesech je však podmínkou účinnosti lokální kvantitativní regulace i účinnosti skupinové kvalitativní (ekvitermní) regulace a snímáním pouze náběhové přívodní teploty nelze dodržení shodné stření teploty kontrolovat, vliv působení tepelných zisků vyhodnocovat a regulační procesy optimalizovat. Poklesne-li však vlivem nedodržení shodné střední teploty u všech těles celková účinnost regulačních procesů, poklesl by i výsledný efekt termického vyvážení, které musí být k absolutním hodnotám nominálních průtoků co nejpřesnější, aby bylo dosaženo plných úspor tepla. Pro dosažení plných úspor tepla regulační technikou jsou proto požadovány regulační prvky s plynulou regulací, nebo doplnění skokového průběhu regulace regulačním šroubením podle prováděcích vyhlášek zákona 406/2000 Sb. Je to vlastně jediná podmínka pro plně účinné termické vyvážení, garantující vysoké úspory tepla. V projektech TH je pak navíc současně uváděna i plnohodnotná otopová křivka (včetně zpětné nebo střední teploty vody), aby z poměru reálného a požadovaného teplotního spádu vody vyplývaly podklady pro vyhodnocení vlivu tepelných zisků, údajů měření odběru tepla, reálného způsobu provozu soustavy a podklady pro optimalizaci celého procesu vytápění.
Použití regulačních šroubení při skokovém průběhu regulace má i řadu dalších výhod. Dvě v sérii řazené armatury pracují při stejné tlakové ztrátě okruhu s větším průtočným průřezem a je tím prakticky eliminováno riziko zanášení armatur nečistotami (které má rovněž negativní vliv na úspory tepa regulačními procesy), nehledě na možnost lokálního uzavření tělesa při jeho případné netěsnosti.
Termické vyvážení dynamických soustav eliminuje hlučnost
Termické vyvážení soustavy seřízením hodnot "N" a "NH" znemožní lokální nadprůtoky, které jsou zdrojem trakčního hluku. Protože k úplnému termickému vyvážení patří i snížení teplotních parametrů topné vody, je eliminována i dilatační hlučnost vlivem tepelné roztažnosti potrubí a otopné soustavy s úplným termickým vyvážením pracují nehlučně.
V oboru vytápění, plném fám a mýtů, se často pracuje s fyzikálně nevyjasněnými informacemi a jednou z mnohých je tvrzení, že TRV hlučí vždy, je-li překročen tlakový spád 20 kPa, přičemž za nepřípustnou se považuje hlučnost nad 30 dBA. V létech 1995 - 2000 byla v laboratořích celého světa věnována zvýšená pozornost této problematice a byla provedena řada měření hlučnosti TRV v závislosti na pracovním tlakovém spádu. Výsledky těchto měření byly v =CRA= zpracovány pro konkrétní stoupačku s termickým vyvážením a uvedeny jsou v TAB.4.
| Těleso | Průtok (kg.h-1) - tp (°C) | Tlakový spád (kPa) kuželka + clona |
Trakční hlučnost (dBA) |
|---|---|---|---|
| - 407 - | 195,59 kg.h-1 - 87,96°C | 29,876 | 26,06 |
| - 408 - | 129,30 kg.h-1 - 87,96°C | 31,595 | 25,54 |
| - 307 - | 146,92 kg.h-1 - 88,60°C | 40,809 | 28,67 |
| - 308 - | 76,99 kg.h-1 - 88,60°C | 23,670 | 21,89 |
| - 207 - | 141,22 kg.h-1 - 89,05°C | 37,717 | 27,67 |
| - 208 - | 74,00 kg.h-1 - 89,05°C | 59,044 | 26,59 |
| - 107 - | 155,04 kg.h-1 - 89,37°C | 45,468 | 30,12 |
| - 108 - | 90,73 kg.h-1 - 89,37°C | 32,893 | 25,23 |
Tab. 4 - ORIGINAL=CRA=SOFTWARE
Údaje v TAB.4 dokládají, že jen v jednom případě je překročen limit hlučnosti, ale nikoliv u TRV s největším tlakovým spádem, takže hlučnost TRV není jen otázka tlakového spádu a termostatický ventil s největší tlakovou ztrátou (59,044 kPa) vykazuje hlučnost dokonce nižší. Zdánlivý nepoměr mezi průtoky a tlakovými spády v TAB.4 je dán rozdílnými světlostmi instalovaných TRV a rozdílnými zbytkovými tlaky v bodech připojení těles na stoupací větev. Jednotlivými výrobci TRV uváděné hodnoty v grafech, obsahují určitou rezervu, protože hodnoty "Kvs" jednotlivých ventilů jsou vyráběny s tolerancí +/- 10% a při sníženém zdvihu kuželky jsou tyto tolerance ještě mírně vyšší. Hodnota "Kvs" přitom není běžnou pracovní hodnotou TRV, který při správném seřízení pracuje cca s 67% plného zdvihu a odchylky výrobní tolerance jednotlivých instalovaných ventilů proto činí cca +/-15%. Přidávat k výrobním odchylkám navíc ještě nepřesnosti skokového nastavení, nepřesnosti klasického projektování i nastavení termostatických hlavic, vede k provozním stavům vybočujícím z laboratorně měřených podmínek hlučnosti i správné funkce a otopné soustavy proto musejí být projektovány a seřizovány mnohem přesněji, než při klasickém projektování. Jde přitom o přesnost extrémně vysokou, protože v žádné jiné oblasti oboru vytápění se změna řízené veličiny (průtoku) od pracovní hodnoty k nule, neodehrává při změně řídicí veličiny o pouhé 2°C (u ekvitermní regulace je to cca 32°C až 41°C).
Termické vyvážení a energetická bilance
Termické vyvážení je výsledkem komplexního vyřešením vztahů mezi okamžitými tepelnými ztrátami místností "Qcj", okamžitým tepelným výkonem těles "QTj" a okamžitým průtokem topné vody "G", který je korigovaný o tepelné ztráty v potrubí a tepelným působením vlastní otopné na správnou aktivaci teplotních čidel zajišťuje nejvyšší účinnost regulačních procesů podle energetické bilance (1):
Kde "tpj" a "tzj" jsou okamžité teplotní parametry topné vody v průběhu otopné sezóny a "QZn" je podíl tepelných ztrát vnitřními stavebními konstrukcemi k celkové tepelné ztrátě místnosti "Qc". Do okamžitého průtoku "G" se tak promítají jak změny okamžitých tepelných ztrát "Qcj", tak i okamžitých tepelných zisků a rovnováha mezi okamžitou potřebou tepla a jeho přívodem do soustavy může být udržována s nejvyšší dosažitelnou přesností. Pracuje se přitom současně s okamžitou teplotou vzduchu "tvj" působící na teplotní čidla, takže regulační proces je iniciován vždy jen teplotami vzduchu (vnější teplota "te" a vnitřní teplota "tv") a nikoliv vnější teplotou vzduchu a vnitřní výslednou teplotou "ti". Je tím opravena hlavní chyba, tj. rozdíl mezi aktivační teplotou vzduchu v místnosti a výslednou teplotou, který může být i větší než celé proporcionální pásmo XP termostatického ventilu. Při výpočtu tepelných ztrát místností je proto nutné určovat teploty vzduchu, aktivující teplotní čidla (to legislativou požadovaná norma neřeší a při aplikaci této normy nelze nejdůležitější podklady pro termické vyvážení zjistit, proto je nutno použít jinou metodu).
Z TRV, který je při klasickém projektování pouhým omezovačem teploty, se tak stává skutečný regulátor a regulační proces je v rozsahu XP účinný, protože proporcionální pásmo TRV je tím využito k regulaci a nikoliv převážně jen ke kompenzaci chyb nepřesného klasického projektování.
Proporcionální pásmo TRV, které je určené k úsporám tepla, lze totiž uměle zavedenými chybami (například skokovým průběhem nastavení "N", chybným nastavením termostatických hlavic, nesprávným klasickým určením průtoků, nesprávnou aktivací teplotních čidel, lpěním na ČSN neposkytující při výpočtu tepelných ztrát hodnoty řídicích teplot vzduchu, atd.) zcela znehodnotit. Současné moderní projektování se proto soustředilo na zpřesnění výpočtového modelu ve všech oblastech navrhování otopných soustav, i za cenu výrazně vyšší náročnosti řešení, protože hlavním cílem a je podstatné zvýšení úspor tepla.
Termické vyváženi a zkoordinovaná činnost složek kombinované regulace vytápění
Od roku 2000 výzkum v oboru vytápění velmi pokročil. Původní hydraulické úvahy o fungování otopných soustav byly nahrazeny termohydraulikou a termickým vyvažováním, místo hydraulického. Výsledky nových algoritmů, důkladně prověřených praxí, přinesly od roku 2000 více poznatků, než hydraulická teorie za celou dřívější historii oboru. Zvláště to platí v oblasti úspor tepla regulačními procesy, závislými na sdílení tepla mezi tepelným zdrojem, otopnou soustavou, vytápěnými místnostmi a vnějšími klimatickými podmínkami.
Dřívější mylné předpoklady bylo možné nahradit reálnými výsledky měřitelnými přístroji a postoupit od předpokladů k řešení skutečného chování otopných soustav, které je jiné, než předpokládaly pouze hydraulické zjednodušené úvahy a vztahy. GRAF 3, obsahuje skutečné teploty vytápěných místností v porovnání s předpoklady teorie hydraulického vyvažování, uvedenými ve spodní části grafu.
GRAF 3 - Teploty místností -104- a -804- stoupačka ST2, při průtoku G% a te = -12°C ; 0°C ; +12°C
Nominální otopná plocha (F = 100%) nezateplený objekt.
Zatímco "hydraulická" teorie ve spodní části GRAFU 3 předpokládá při průtoku G100% ve všech místnostech stejnou teplotu 20°C a předpokládá i stejnou změnu této teploty v závislosti na průtoku vody otopným tělesem, v horní části grafu jsou uvedeny skutečné teploty dvou místností, zahrnující hydraulickým modelem neuvažované další vlivy, například:
- Vliv stavební dispozice jednotlivých místností.
- Vliv nastavení otopové křivky.
- Vliv ochlazení teplonosné látky ve vertikálním pásmu neizolované stoupací větve.
- Vliv hydraulické stability vertikálního pásma soustavy.
- Vliv hydraulické stability horizontálního pásma soustavy.
- Rozdíl mezi aktivační teplotou vzduchu a výslednou teplotou místností.
- Rozdíl mezi parametry otopové křivky a individuálními energetickými nároky na vytápění konkrétních místností.
Na příkladu soustavy projektované s parametry 92,5/67,5/-12/20°C a 42,97/36,04/+12/20°C je v GRAFU 3 dokázáno, že dosažené teploty vzduchu místností při průtoku G100% stejné nejsou a nejsou stejné ani výsledné teploty místností, natož pak hydraulickou teorií předpokládané závislosti teplot místností na průtoku vody. Příklad:
Místnost -104- při te-12°C tv = 21,61°C ti = 20°C, ale při te+12°C tv = 19,15°C a při G400% tv = 19,80°C
Místnost -804- při te-12°C tv = 22,26°C ti = 20°C, ale při te+12°C tv = 18,66°C a při G400% tv = 19,34°C
U obou místností je vlivem nízké teploty vody při te+12°C bez termického vyvážení dosaženo teploty vzduchu nižší než činí požadovaná výsledná teplota místností a teplotní deficit v nich nelze dohnat ani zvýšením průtoku vody na 400%, i když teploty vzduchu obou místností jsou ve výpočtovém stavu soustavy (při te-12°C) správné a plně zajišťují výslednou teplotu obou místností 20°C.
Podle hydraulické teorie (obrázek ve spodní části GRAFU 3) by však už pouhé zvýšení průtoku na 260°% mělo vyvolat zvýšení teplot místností více než o 2°C, ale potřebné teplotní parametry vody přitom řešeny nejsou. To dokazuje, že hydraulické teorie pracují ve vytápění s pouhými předpoklady a nikoliv s realitou.
Otopné soustavy se tedy funkcí TRV bez termického vyvážení samy nevyregulují a požadovaných výsledných teplot místností (20°C při te+12°C) zde nebude dosaženo dokonce ani plným otevřením hlavice uživatelem bytu (natož pak třeba teplot 28°C dle prospektu výrobce přiloženého k hlavici). Po uživatelských manipulacích s hlavicemi budou navíc projektované parametry soustavy znehodnoceny, zůstane množství trvalých zkratových průtoků a soustava ztratí autonomní regulační schopnosti.
Výchozí předpoklady hydraulické teorie navrhování, vyvažování a provozování otopných soustav, včetně závislostí teplot místností na průtocích topné vody, jsou tedy chybné. Stejně tak chybné jsou i matematické modely a jejich vývody, vycházející z čistě hydraulického pojetí řešení oboru vytápění a proto hovoříme o nutnosti zajištění plných úspor tepla termohydraulickým a nikoliv klasickým řešením. V projektech TH jsou proto na hlavicích vyznačeny správné hodnoty nastavení NH, při kterých soustava vykazuje nejvyšší úspory tepla, garantuje správnou funkci a umožňuje kdykoliv návrat seřízení soustavy k projektovanému stavu.
Rozdíly v nastavení prvků mezi klasickou a termicky vyváženou soustavou
Celý regulační proces se v dynamických soustavách s pásmem XP2K odehrává v extrémně zúženém rozsahu 2°C. Snížení proporcionálního pásma o 1°C znamená tlakové ztráty cca 400% a překročení tohoto pásma o 1°C znamená snížení úspor tepla o 33%. Činí-li průměrné proporcionální pásmo ekvitermní regulace 35 K, jsou nároky na řešení termického vyvážení dynamických soustav 35/2 = 17,5 krát vyšší, než tomu bylo u statických otopných soustav bez regulační techniky (jen s ekvitermní regulací) a díky výpočetní technice je náročnost vyšší jen sedmkrát (700% náročnosti klasického projektu).
Rozdíly v nastavení radiátorových armatur mohou proti klasickému projektu činit až 300%, stejně jako u vyvažovacích a regulačních armatur na počátku otopné soustavy, což se promítá i do hydraulického vyvážení vnějších tepelných sítí. Protože soustava musí pracovat s korigovanými průtoky, týká se rozdílné nastavení všech prvků v soustavě a pro dosažení termického vyvážení musí být soustava kompletně předimenzována.
Ve světle těchto skutečností se nelze divit, že regulační technika, osazená podle zákona 406/2000 Sb., v klasicky projektovaných nebo někdy i vůbec neprojektovaných soustavách, očekávané úspory tepla nepřináší a nejen to. Pracuje-li regulační technika se zkratovými průtoky, pak vykazuje "úspory" záporné, protože značná část tepla se bez využití k vytápění se ztrátami vrací zpět a celkové úspory tepla jsou pak nižší, než by odpovídalo samotnému zateplení objektu. U statické soustavy bylo hydraulické seřízení stabilní, ale u dynamické soustavy tomu tak není a dynamická soustava je z principu funkce zcela odlišná. Termicky nevyvážená dynamická soustava tedy paradoxně snižuje úspory tepla dosažené zateplením objektu.
Podstoupit zvýšenou náročnost projektování by jistě nebylo potřebné, kdyby dosahované výsledky úspor tepla po zateplení budov odpovídaly stavu zateplení budov a skutečně fungující regulační technice. Úspory tepla však rozhodují o návratnosti půjček na zateplení budov a to je pádný argument. Předpokládaná doba návratnosti půjček vycházela z očekávaných průměrných 50% úspor tepla a činila cca 30 let. Pokud však reálně dosahované úspory tepla v zateplených objektech, včetně instalované regulační techniky, nečiní často ani 25%, nelze na náročnost projektování hledět a soustavy je potřebné termicky vyvážit.
Závěr
Smyslem projektování otopných soustav je zajištění celého komplexu podmínek, které dalece přesahují běžně publikované výsledky dílčích výzkumů a odborných článků, z nichž nelze sestavit obraz chování otopné soustavy, jako celku. Důsledky chování soustav jsou pak často přisuzovány nesprávným příčinám. Bylo tomu tak při nesprávném vysvětlení příčiny nedotápění bytů v nejvyšších podlažích panelových domů, při nesprávném posuzování vlivu hydraulické stability vertikálního a horizontálního pásma otopných soustav, při nesprávném stanovení požadavků na hydraulickou autoritu regulačních armatur, při chybném určení teplotních spádů pro úpravy otopných soustav, při chybném doporučení pro manipulace uživatelů s termostatickými hlavicemi, při chybných aplikacích hydraulického vyvažování pro nápravu funkce soustav a v mnoha dalších případech.
Ve vytápění je proto novou situací, že termické vyvážení soustav zajišťuje podmínky správné a úsporné funkce soustav komplexně. Při úpravách otopných soustav můžeme dnes dosahovat výsledků, jaké by ještě v roce 2005 nebyly možné a to je nová příležitost pro spotřebitele, i dodavatele tepla. Nové řešení oboru vytápění a úprav otopných soustav umožňuje původní návratnost investic (30 let) nejen dodržet, ale i zkrátit, protože aktivní úspory tepla regulační technikou jsou úsporami nad rámec vlivu vlastního zateplení budov. V budovách bez tepelných zisků se dosahuje úspor v úrovni vlivu zateplení a při působení tepelných zisků se o jejich podíl úspory zvyšují.
V sérii článků o úpravách otopných soustav před zateplením a po zateplení budov jsem se pokusil objasnit příčiny nízkých úspor tepla, poskytnout informace a zpřístupnit postupy i podklady všem, kteří se těmito úpravami zabývají.
Podklady:
Ráž - Studie zateplování budov, část ÚT, Praha 2005
Kontakt na autora a další informace: www.usporyteplaets.cz nebo www.hvacideal.com
Výstupní data: Superdim ATHG
The second part of the article on thermal balance in the adjustment of heating systems is focused on the impact of the regulatory steps on the characteristics of thermostatic valves, elimination of the noise in thermal balancing systems, fulfillment of the conditions of energy balance regulatory processes and co-ordinated activities of components of the complex regulation of heat output and the differences in the elements of classical and thermally balanced systems.