Úpravy otopných soustav - vliv nastavení armatur na úspory tepla
Článek uzavírá sérii příspěvků věnovanou úpravám otopných soustav bytových domů. Obsahuje dosud nepublikované údaje o vlivu nastavení armatur na úspory tepla, objasňuje příčiny nedotápění koncových bodů otopných soustav a poskytuje některé zcela nové projektové podklady.
Podle zákona č.406/2000 Sb. byla bytová regulační technika (radiátorové armatury) v poctivě vypracovaných klasických projektech seřízena na základě hydraulických výpočtů potrubní sítě. Instalované TRV, ať již se skokovým nebo plynulým průběhem regulační charakteristiky, byly většinou nastavovány "po půlkách". Pro stejný tepelný výkon a stejný diferenční tlak, bylo přitom nastavení "N" stejné ve všech podlažích budovy i ve všech objektech, připojených v různé vzdálenosti na vnější tepelnou síť. V TAB 1 a TAB 2 jsou uvedeny hodnoty nastavení radiátorových armatur v klasicky projektovaných a reálných podmínkách, s vyčíslením tlakových ztrát, průtoků a přenášeného tepelného výkonu.
| DN 10 P = 1000 W ti = 20°C tp = 90°C tz = 70°C G = 42,89 kg.h-1 Qo = 0,04413 m3.h-1 TAB. 1 | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N = | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 3,5 | 4 | 4,5 | 5 | 5,5 | 6 | 6,5 | 7 |
| Kv = | 0,04 | 0,06 | 0,08 | 0,10 | 0,12 | 0,155 | 0,19 | 0,22 | 0,25 | 0,29 | 0,33 | 0,355 | 0,38 |
| TRV Δp - Pa při G = 42,89 kg.h-1 | 118279 | 52569 | 29570 | 18925 | 13142 | 7877 | 5242 | 3910 | 3028 | 2250 | 1738 | 1502 | 1311 |
| G-kg.h-1 při H = 10000 Pa | 12,47 | 18,71 | 24,94 | 31,18 | 37,41 | 48,32 | 59,24 | 68,59 | 77,94 | 90,41 | 102,88 | 110,68 | 118,47 |
| P - W médiem při H = 10 kPa a tz 70 | 291 | 436 | 582 | 727 | 872 | 1127 | 1381 | 1599 | 1817 | 2108 | 2399 | 2581 | 2762 |
| Pásmo Hodnot N pro 1000 W | nelze | nelze | nelze | nelze | nelze | lze při nast. RŠ | lze při nast. RŠ | lze při nast. RŠ | lze při nast. RŠ | lze při nast. RŠ | lze při nast. RŠ | nelze | nelze |
| Nast. RŠ pro 1000 W | 0,469 | 0,327 | 0,290 | 0,270 | 0,255 | 0,247 | |||||||
| Těleso na počátku i na konci soustavy při dif. tlaku 10 kPa ORIGINAL=CRA=SOFTWARE | |||||||||||||
Klasický projekt - předpokládané teplotní parametry topné vody v bodě připojení tělesa s výkonem 1000 W
| DN 10 P = 1000 W ti = 20°C tp = 83,81°C tz = 74,52°C G = 92,35 kg.h-1 Qo = 0,09496 m3.h-1 TAB. 2 | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N = | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 3,5 | 4 | 4,5 | 5 | 5,5 | 6 | 6,5 | 7 |
| Kv = | 0,04 | 0,06 | 0,08 | 0,10 | 0,12 | 0,155 | 0,19 | 0,22 | 0,25 | 0,29 | 0,33 | 0,355 | 0,38 |
| TRV Δp - Pa při G = 92,35 kg.h-1 | 548067 | 243586 | 137017 | 87691 | 60896 | 36500 | 24291 | 18118 | 14031 | 10427 | 8052 | 6958 | 6073 |
| G-kg.h-1 při H = 10000 Pa | 12,47 | 18,71 | 24,94 | 31,18 | 37,41 | 48,32 | 59,24 | 68,59 | 77,94 | 90,41 | 102,88 | 110,68 | 118,47 |
| P - W médiem při H = 10 kPa tz 74,52 | 135 | 203 | 270 | 338 | 405 | 523 | 642 | 743 | 844 | 979 | 1114 | 1199 | 1283 |
| Pásmo Hodnot N pro 1000 W | nelze | nelze | nelze | nelze | nelze | nelze | nelze | nelze | nelze | nelze | lze při nast. RŠ | lze při nast. RŠ | lze při nast. RŠ |
| Nast. RŠ pro 1000 W | 1,133 | 0,865 | 0,745 | ||||||||||
| Těleso na konci soustavy při dif. tlaku 10 kPa ORIGINAL=CRA=SOFTWARE | |||||||||||||
Projekt TH - reálné teplotní parametry topné vody v bodě připojení tělesa s výkonem 1000 W
Legenda k řádkům tabulek
1. řádek - Nastavení druhé regulace "N" termostatického ventilu - údaj výrobce.
2. řádek - Průtokový součinitel "Kv" m3.h-1 - údaj výrobce.
3. řádek - Tlaková ztráta p TRV při průtoku "G", při nastavení TRV na hodnotu "N".
4. řádek - Průtok vody "G" při nastavení "N", při teplotě vody "tp" a při diferenčním tlaku 10000 Pa.
5. řádek - Přenášený tepelný výkon "P" při průtoku "G".
6. řádek - Pásmo nastavení termostatického ventilu "N".
7. řádek - Pásmo nastavení regulačního šroubení pro dosažení přesného průtoku "G" při diferenčním tlaku 10000 Pa, při nastavení TRV na hodnotu "N" a při přenášeném tepelném výkonu 1000 W.
Využitelné pásmo nastavení TRV a regulačních šroubení
Hodnoty v TAB.2 se od hodnot v TAB.1 liší o vliv ochlazení přívodní topné vody, které na trase od zdroje tepla činí 90 - 83,81 = 6,19°C. Aby mohla být udržena střední teplota vody soustavě a tím i požadovaná účinnost ekvitermní regulace tepelného výkonu, musejí tělesa na konci soustavy pracovat s výstupní teplotou vratné vody 74,52°C, takže teplotní spád zde už nemůže být 20 K, ale jen 9,29 K. Pro tepelný výkon 1000 W to znamená zvýšení průtoku z původní hodnoty G = 42,89 kg.h-1 na hodnotu korigovaného průtoku Gkor = 92,35 kg.h-1 a celé využitelné pásmo nastavení radiátorových armatur se posouvá k vyšším hodnotám "N".
V příkladu, uvedeném v TAB.1 a TAB.2, nelze tedy pro dosažení úspor tepla správnou aktivací teplotních čidel u TRV použít hodnoty nastavení N = 3,5 až 5,5 ani v případě, kdyby okruh tělesa byl při skokovém průběhu nastavení TRV hydraulicky doladěn nastavením regulačního šroubení.
Jedinou použitelnou hodnotou z klasického projektu je nastavení TRV na N = 6, ale při nastavení regulačního šroubení na hodnotu N = 1,133 a nikoliv N = 0,247. Příklad ukazuje, že klasickým projektem nelze dosáhnout stavu, kdy seřízený průtok teplonosné látky odpovídá požadovanému tepelnému výkonu a u TRV se skokovým průběhem nastavení bez regulačního šroubení, už vůbec ne. Klasickým projektem tedy nelze u dynamických soustav dosáhnout plně úsporného vytápění.
Požadavek na soulad mezi průtokem a tepelným výkonem přiváděným k otopným tělesům, je základním smyslem hydraulických výpočtů při projektování oboru vytápění a hlavní podmínkou správné aktivace teplotních čidel, vedoucí k úsporám tepla regulačními procesy (viz TZB-info "Úspory tepla při úpravách otopných soustav"). V zájmu úspor tepla je při projektování oboru vytápění každé zpřesnění přínosem, ale musíme se zaměřit na skutečně podstatné věci a nikoliv na malichernosti.
Představme si například, že výpočtem tepelných ztrát podle nové normy zpřesníme tepelnou ztrátu místnosti o 2% a místo 1150 W nám vyjde třeba 1127 W, přičemž v klasickém projektu použijeme nastavení TRV na hodnotu N = 3,5 s nastavením regulačního šroubení na N = 0,469, takže okruh tělesa budeme považovat za přesně vyvážený. Ale při tomto nastavení bude v koncovém bodě soustavy k tělesu vlivem ochlazení vody přiveden výkon jen 523 W, což je 46,4% a chyba bude činit 53,6%. Nedostatečné vytápění ale neznamená úspory tepla a zpřesnění výpočtu tepelných ztrát o 2% nám nepomůže.
Vliv nastavení radiátorových armatur na úspory tepla regulačními procesy je tedy až 27 krát větší, než snahy o zpřesnění výpočtových postupů v oblasti stavební tepelné fyziky a skutečné úspory tepla při vytápění budov jsou evidentně záležitostí "topenářskou", nikoliv "stavařskou".
Stavaři by se asi měli snažit spíše o zajištění technologické kázně při výrobě stavebních materiálů, jejichž odchylky od laboratorně měřených a deklarovaných výsledků vzorků dalece převyšují zmíněná cca 2% zpřesnění výpočtu tepelných ztrát. Neřešme proto věci nepodstatné, ale soustřeďme se na celek. Hledejme a řešme opravdu kritická místa, abychom v dosažení úspor tepla skutečně pokročili. Takovým kritickým místem je, že ve výpočtu tepelných ztrát chybí určení teploty vzduchu vytápěné místnosti, která v rozsahu pouhých 2°C řídí veškeré regulační procesy vedoucí k úsporám tepla a dokonce i vlastní funkci otopných soustav, vnějších tepelných sítí i zdrojů tepla, od pracovního průtoku až k nulovému.
V oblasti výzkumu, vývoje a projekce úspor tepla v panelových domech se dnes dosáhlo pokroku, který umožňuje zvýšení úspor v řádu desítek procent a otevřel se prostor pro zcela nové přístupy k řešení této problematiky. Kromě optimalizace teplotních parametrů teplonosné látky, možností přesného seřízení hydraulických poměrů, dosažení 100% účinnosti regulačních procesů ve všech bodech soustav i sítí, eliminace hlučnosti a světově nového termického vyvážení soustav, se vývoj mohl zaměřit na optimalizaci pracovních parametrů celku.
Funkčním celkem je otopný systém
Otopným systémem je vše, co se podílí na výrobě, distribuci a racionální spotřebě tepelné energie. Patří sem vlastní otopná soustava, vnější distribuční síť a dokonce i komín primárního zdroje tepla. Každá část celku musí být vyprojektována správně a postup je jasně dán. Na samém počátku je výpočet tepelných ztrát budov, který při osazování regulační techniky podle zákona 406/2000 Sb. prováděn nebyl, protože by "projekty byly drahé" a "plošné osazení regulační techniky by trvalo neúměrně dlouho". Vychází se z předpokladu, že původní otopná tělesa přesně odpovídají tepelným ztrátám jednotlivých místností, ale ve skutečnosti to bývá jinak.
Ukažme důvod nutnosti počítat tepelné ztráty budovy vždy, je-li to možné. V objektu VVÚ-ETA, 8NP, byl výpočtem ze stávajících otopných těles určen tepelný výkon 178506 W, ale podrobným výpočtem tepelných ztrát vyšel požadovaný výkon 117877 W a původní otopné plochy měly o 51,43% větší výkon, než bylo potřebné. Taková nepřesnost se pochopitelně přenáší do nastavení všech radiátorových armatur, všech vyvažovacích armatur, do seřízení regulátorů diferenčního tlaku, i do vyvážení vnější distribuční sítě.
Otopný systém je funkčně provázaný celek, jehož jednotlivé části nelze chápat odděleně a to ani v případě, že každá část má jiného majitele. Pracovní parametry jednotlivých částí musejí odpovídat parametrům celku a naopak. Přesným seřízením armatur a regulačních prvků se musí zabránit zkratovým průtokům a dosáhnout stavu automatické odezvy regulačních procesů na působící tepelné zisky. Zdroj tepla nesmí vyrábět nadbytek tepla, který je pomocí TRV naopak zase omezován a nastavení armatur musí být správné.
Radiátorové armatury zapojené v sérii
Určit seřízení regulačního šroubení při skokovém průběhu regulace TRV, umí prakticky každý software a snad jen pro zajímavost si ukažme, jak je to jednoduché. Celkový průtokový součinitel obou radiátorových armatur "Kvc" je dán vztahem (1) a požadovaný průtokový součinitel regulačního šroubení "Kv2" se snadno určí podle vztahu (2).
kde: Kv1 (m3.h-1) je průtokový součinitel TRV, odpovídající dle podkladů výrobce nastavení "N". Hodnotu "Kv2" lze také určit přímo pro zbytkovou tlakovou ztrátu, tj. pro H - Δp TRV.
Vlastní nastavení "N" regulačního šroubení lze určit výpočtem z kořenů příslušného regresního polynomu, nebo podle grafických pomůcek výrobce. Celkové využitelné regulační pásmo obou radiátorových armatur je přitom dáno jejich regulačním rozsahem, ve kterém lze okruh tělesa vyvážit přesně na požadovaný průtok. K dosažení úspor tepla automatickými regulačními procesy je dále potřebné okruhy těles termicky vyvážit způsobem, popsaným na TZB-info v článku "Termické vyvážení při úpravách otopných soustav".
Nastavení vyvažovacích armatur
Stejně jako všechny ostatní armatury v soustavě, je potřebné nastavit vyvažovací armatury na korigované průtoky "Gkor", při kterých je zajištěn požadovaný přenos tepla od zdroje k jednotlivým spotřebičům. Dnešní vyvažovací armatury jsou dokonalými výrobky a umožňují takové nastavení velmi přesně. Éru používání regresních polynomů pro vyjádření funkční závislosti hodnot "Kv" na nastavení radiátorových a vyvažovacích armatur zahájil v roce 1980 katalog vypracovaný ve VVÚ SZP, později se přidali Francouzi a dnes je tento postup prakticky standardem, i když část výrobců stále ještě uvádí zastaralé grafické pomůcky.
Nastavení vyvažovacích armatur stabilizuje v tepelných sítích výchozí hydraulické podmínky, proto musí být poměrně přesné a vyvažovací armatury musejí být nastavitelné plynule. Kořeny regresního polynomu se v roce 1980 určovaly z řešení matice, dnes to až do šestého stupně polynomu umí v rámci funkce "graf" každý kancelářský balík Windows i jiných OS. Pomineme-li, že někdy je potřebné průběh polynomu "vyhladit", je výpočet kořenů a plynulého nastavení vyvažovacích armatur tak jednoduchý, že postupně vytlačuje zastaralé postupy, uváděné dodnes v prospektech výrobců pro tzv. "ruční výpočet".
Příklad aplikace polynomické regrese pro rychlý výpočet nastavení vyvažovací armatury, například pro TA - STAD DN 40, při použití polynomu šestého stupně:
Kořeny polynomu:
a6 = 2,3262508316301E-06
a5 = -1,59977758227792E-04
a4 = 4,27359112107303E-03
a3 = -5,48637717204127E-02
a2 = 3,30630471270869E-01
a1 = -5,26609165179045E-01
a0 = 6,64350779280531E-01
Výsledkem výpočtu jednoduchého vztahu
Kv6*a6+Kv5*a5+Kv4*a4+Kv3*a3+Kv2*a2+Kv*a1+a0 je rychle určené nastavení vyvažovací armatury "N" pro libovolnou zadanou hodnotu "Kv" uvnitř regulačního rozsahu, bez pracného a nepřesného odečítání hodnot ve výrobcem publikovaných grafech s logaritmickou stupnicí.
Absolutní a poměrné nastavení armatur - vliv na úspory tepla
Poměrné nastavení armatur zajišťuje individuální požadavky na průtoky vyplývající z rozdílných tepelných výkonů otopných těles, z rozdílného diferenčního tlaku a z rozdílného teplotního spádu vody v bodě připojení těles k potrubním rozvodům. Uvnitř hydraulicky řešeného okruhu je pro daný diferenční tlak na patě stoupací větve poměrné nastavení armatur výše uvedenými podmínkami dáno a nemůžeme jej měnit. Správné poměrné nastavení armatur (TAB.2) je důležitou podmínkou pro termické vyvážení soustavy, při kterém jsou správnou aktivací teplotních čidel zajištěny nejvyšší úspory tepla regulační technikou.
Absolutní nastavení armatur stabilizuje hydraulické poměry v sítích při proměnných pracovních parametrech soustavy, například při proměnném gravitačním vztlaku v průběhu otopné sezóny.
Poměrné nastavení armatur má vliv na kvantitativní regulaci v koncových bodech s termostatickými ventily a absolutní nastavení armatur ovlivňuje hydraulickou stabilitu vertikálního pásma soustavy, hodnotou diferenčního tlaku na patách stoupacích větví.
Obě hodnoty nastavení armatur ovlivňují úspory tepla regulačními procesy, protože stabilizují pracovní podmínky kvantitativní regulace na prahu spotřebičů tepla a účinnost kvalitativní (ekvitermní) regulace, zajištěním správného zatékání vody do všech otopných těles, čímž je ve spotřebičích tepla shodně dodržena účinná střední teplota topné vody.
Hydraulická stabilita vertikálního pásma soustavy
Je dána hodnotou diferenčního tlaku na patách stoupacích větví a tento tlak je zajištěn absolutním nastavením vyvažovacích armatur, regulátorů diferenčního tlaku, nebo jejich kombinací s vyvažovacími armaturami. Rozdíly mezi klasickým a termohydraulickým seřízením otopné soustavy se projevují ve všech parametrech soustavy a proto i v hydraulické stabilitě, k jejímuž výpočtu slouží hodnoty gravitačních vztlaků a diferenčních tlaků "H", působících na termostatické ventily, uvedené jako příklad v TAB.3. Kromě toho obsahuje TAB.3 i údaje o hmotnostních průtocích "G"(kg.h-1), teplotách topné vody a teplotních spádech v jednotlivých úsecích osmipodlažní jednostranné stoupačky se shodným výkonem těles 1000 W, při teplotě přívodní vody na patě stoupačky tp 90°C pro te -12°C a tp 50,03°C pro te +12°C.
| Průtoky G, gravitační vztlak GU, tlak na TRV H, teplota přívodu, teplota zpátečky, spád Dtm TAB.3 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. Klasický výpočet pro QT = 1000 W pata ST 10 kPa | 2. Správné hodnoty pro QT = 1000 W pata ST 10 kPa | |||||||
| te -12°C 90,00/70,00 | te+12°C 50,03/43,50 | te -12°C 90,00/70,00 | te+12°C 50,03/43,50 | |||||
| 8 NP | G= 42,87 GU= 346,01 H= 11538,95 |
tp= 90,00 tz= 70,00 Δtm= 20,00 |
G= 42,87 GU= 77,89 H= 9593,61 |
tp= 50,03 tz= 43,50 Δtm= 6,53 |
G= 71,23 GU= 224,83 H= 9985,01 |
tp= 85,09 tz= 73,04 Δtm= 12,05 |
G= 75,74 GU= 48,05 H= 8072,83 |
tp= 48,38 tz= 44,68 Δtm= 3,70 |
| 7 NP | G= 42,87 GU= 346,01 H= 11319,59 |
tp= 90,00 tz= 70,00 Δtm= 20,00 |
G= 42,87 GU= 77,89 H= 9606,49 |
tp= 50,03 tz= 43,50 Δtm= 6,53 |
G= 61,13 GU= 253,41 H= 10216,88 |
tp= 86,28 tz= 72,24 Δtm= 14,04 |
G= 63,84 GU= 54,87 H= 8549,48 |
tp= 48,77 tz= 44,38 Δtm= 4,39 |
| 6 NP | G= 42,87 GU= 346,01 H= 11115,09 |
tp= 90,00 tz= 70,00 Δtm= 20,00 |
G= 42,87 GU= 77,89 H= 9649,21 |
tp= 50,03 tz= 43,50 Δtm= 6,53 |
G= 55,93 GU= 274,45 H= 10315,02 |
tp= 87,07 tz= 71,73 Δtm= 15,34 |
G= 57,85 GU= 59,92 H= 8900,12 |
tp= 49,02 tz= 44,19 Δtm= 4,83 |
| 5 NP | G= 42,87 GU= 346,01 H= 10841,52 |
tp= 90,00 tz= 70,00 Δtm= 20,00 |
G= 42,87 GU= 77,89 H= 9641,55 |
tp= 50,03 tz= 43,50 Δtm= 6,53 |
G= 52,14 GU= 291,83 H= 10212,20 |
tp= 87,75 tz= 71,29 Δtm= 16,46 |
G= 53,53 GU= 64,11 H= 9032,78 |
tp= 49,25 tz= 44,02 Δtm= 5,23 |
| 4 NP | G= 42,87 GU= 346,01 H= 10620,21 |
tp= 90,00 tz= 70,00 Δtm= 20,00 |
G= 42,87 GU= 77,89 H= 9692,63 |
tp= 50,03 tz= 43,50 Δtm= 6,53 |
G= 49,49 GU= 305,86 H= 10172,57 |
tp= 88,29 tz= 70,96 Δtm= 17,33 |
G= 50,55 GU= 67,50 H= 9247,86 |
tp= 49,43 tz= 43,89 Δtm= 5,54 |
| 3 NP | G= 42,87 GU= 346,01 H= 10464,92 |
tp= 90,00 tz= 70,00 Δtm= 20,00 |
G= 42,87 GU= 77,89 H= 9810,67 |
tp= 50,03 tz= 43,50 Δtm= 6,53 |
G= 47,49 GU= 318,90 H= 10217,42 |
tp= 88,75 tz= 70,68 Δtm= 18,07 |
G= 48,31 GU= 70,66 H= 9564,58 |
tp= 49,58 tz= 43,79 Δtm= 5,79 |
| 2 NP | G= 42,87 GU= 346,01 H= 10207,62 |
tp= 90,00 tz= 70,00 Δtm= 20,00 |
G= 42,87 GU= 77,89 H= 9824,28 |
tp= 50,03 tz= 43,50 Δtm= 6,53 |
G= 45,66 GU= 331,48 H= 10056,98 |
tp= 89,23 tz= 70,40 Δtm= 18,83 |
G= 46,16 GU= 73,71 H= 9665,37 |
tp= 49,74 tz= 43,67 Δtm= 6,07 |
| 1 NP | G= 42,87 GU= 160,65 H= 9980,64 |
tp= 90,00 tz= 70,00 Δtm= 20,00 |
G= 42,87 GU= 36,16 H= 9868,61 |
tp= 50,03 tz= 43,50 Δtm= 6,53 |
G= 43,98 GU= 158,64 H= 9923,69 |
tp= 89,66 tz= 70,15 Δtm= 19,51 |
G= 44,41 GU= 35,52 H= 9804,55 |
tp= 49,88 tz= 43,58 Δtm= 6,22 |
| ΣGU= | 2582,72 Pa | QT=1000W | 581,39 Pa | QT=325W | 2159,40 Pa | QT=1000W | 474,34 Pa | QT=325W |
| ΣG= | 342,96 kg.h-1 | ΣQT=8000W | 342,96 kg.h-1 | ΣQT=2600W | 427,05 kg.h-1 | ΣQT=8000W | 440,39 kg.h-1 | ΣQT=2600W |
Pozn.: Rozdíl součtového průtoku 440,39-427,05 = 13,34 kg.h-1 činí 3% a je způsoben výpočtem průtoků v úsecích s proměnnými fyzikálními vlastnostmi vody v závislosti na její teplotě, což klasický výpočet s chybně uvažovanými konstantními teplotami vody v jednotlivých podlažích neřeší.
Pro určení hydraulické stability vertikálního pásma (stoupací větve) při proměnných teplotách vody v průběhu otopné sezóny, je rozhodující gravitační vztlak "ΣGU", který se k diferenčnímu (hnacímu) tlaku čerpadla přidává a po odečtení tlakové ztráty potrubí, je tlak působící na radiátorové armatury v jednotlivých podlažích vyjádřen hodnotami "H".
Je-li otopná soustava dimenzována na výpočtový stav pro nejnižší vnější teplotu (například te-12°C), pak je kritickým bodem nejvýše položené otopné těleso (zde v 8.NP) při te+12°C. U tělesa v 8.NP se již rozdíly mezi klasickým a správným výpočtem projevují více. Zatímco klasický projekt předpokládá, že na TRV tělesa v 8.NP působí tlak 11538,95 Pa, skutečný tlak činí při te-12°C jen 9985,01 Pa. Při te+12°C předpokládá klasický projekt tlak 9593,61 Pa, ale skutečný tlak je 8072,83 Pa. Při stejném nastavení radiátorové armatury způsobí jiná hodnota tlaku "H" jiný průtok vody okruhem tělesa.
Cílem zajištění hydraulické stability vertikálního pásma proto je, aby v průběhu otopné sezóny příliš nekolísal průtok kritickým tělesem, aby zde nekolísala ani střední teplota, aby výkon tělesa byl dostatečný a správnou aktivací teplotního čidla mohlo být dosaženo plných úspor tepla z tepelných zisků i v kritickém bodě soustavy.
Protože na kuželce TRV jde o čistě turbulentní hydraulicky drsné proudění, lze pro určení průtoku v závislosti na tlaku "H" při stejných teplotách vody použít jednoduchý přibližný vztah (3):
Určíme-li, že H1 = tlak na TRV při te-12°C a H2 = tlak na TRV při te+12°C, vyjde snížený průtok při te+12°C:
Kritériem dostatečné hydraulické stability v průběhu otopné sezóny je požadavek, aby průtok při nejnižších teplotách topné vody (při te+12°C) neklesl pod cca 90% (výkon tělesa bude cca 98%), což je v obou případech splněno, ale v klasickém projektu není splněn požadavek na výkon kritického tělesa už při základním průtoku "G1" ve výpočtovém stavu soustavy. Nedotápění v nejvyšším podlaží objektu při klasickém projektování proto není způsobeno chybným výpočtem hydraulické stability, ale chybným průtokem topné vody ve výpočtovém stavu soustavy a nedodržením střední teploty vody, ke které se vztahuje velikost otopné plochy tělesa. Nedotápěním pak není proporcionální pásmo TRV využito k úsporám tepla z tepelných zisků, ale pouze k dohánění teplotního deficitu.
Optimální diferenční tlak na patě stoupací větve
Z hlediska úspor čerpací práce je to minimální tlak, při kterém jsou konkrétním druhem radiátorových armatur zajištěny fyzikálně správné průtoky topné vody, při současném splnění výše uvedených požadavků na hydraulickou stabilitu vertikálního pásma soustavy.
Stojí za povšimnutí, že diferenční tlak 10 kPa v TAB.2 a TAB.3, který vyhověl požadavku na hydraulickou stabilitu, je 10000/2159,40 = 4,6 krát větší, než celkový gravitační vztlak (ΣGU = 2159,40 Pa) stoupačky a platí to u většiny stoupaček s teplotním spádem 20 K. Zvolíme-li tedy diferenční tlak na patě stoupačky cca 5 krát větší než její gravitační vztlak při te-12°C, nemusíme se výpočtem hydraulické stability vertikálního pásma pracně zabývat a vytápění bude řádně fungovat i při te+12°C.
Hydraulické vyvážení na patě stoupací větve a objektu
Pro dosažení požadovaných teplot ve všech místnostech a pro úspory tepla termostatickými ventily při správně aktivovaných teplotních čidlech, musí být hydraulické vyvážení na patě stoupací větve (příklad v TAB.3) provedeno na průtok 427,05 kg.h-1, nikoliv na průtok 324,96 kg.h-1 určený klasickým projektem. U pouhých deseti oboustranných stoupaček v menším panelovém objektu tak může činit rozdíl mezi klasicky projektovaným a správným průtokem na vstupu do objektu i více než 2000 kg.h-1, což ovlivňuje nastavení dynamických i statických vyvažovacích prvků a chyby se přenášejí do vnějších tepelných sítí. Seřízením vyvažovacích prvků jsou pak chybné průtoky stabilizovány. Správné nastavení vyvažovacích armatur na správné průtoky je pro dosažení úspor tepla podmínkou, stejně jako správné nastavení regulátorů diferenčního tlaku.
Nastavení Regulátorů Diferenčního Tlaku na patách stoupacích větví
Pro stabilizaci hydraulických poměrů při změnách průtoků vyplývajících z funkce TRV, jsou na patách stoupaček instalovány většinou dynamické regulátory. Jejich nastavením se mění tlak působící na TRV a má-li být při správném průtoku zachováno projektované proporcionální pásmo TRV, musejí být regulátory diferenčního tlaku nastaveny přesně. Ukázka podkladů pro přesné nastavení je uvedena v TAB.4.
| Voda 80°C |
Příklad nastavení RDT ASV-PV + ASV-I při shodné světlosti DN TAB.4 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H ležatý rozvod - H stoupačka = 8000 Pa | H ležatý rozvod - H stoupačka = 12000 Pa | |||||||
| G kg.h-1 | DN ASV-PV / N ASV-I |
DN ASV-PV / N ASV-I |
DN ASV-PV / N ASV-I |
DN ASV-PV / N ASV-I |
DN ASV-PV / N ASV-I |
DN ASV-PV / N ASV-I |
DN ASV-PV / N ASV-I |
DN ASV-PV / N ASV-I |
| 100 | 15/0,71 | 20/0,41 | 25/0,25 | - | 15/0,69 | 20/0,40 | 25/0,25 | - |
| 150 | 15/1,22 | 20/0,63 | 25/0,36 | 32/0,23 | 15/1,09 | 20/0,60 | 25/0,35 | 32/0,23 |
| 200 | 15/1,98 | 20/0,91 | 25/0,53 | 32/0,31 | 15/1,65 | 20/0,83 | 25/0,50 | 32/0,30 |
| 250 | - | 20/1,35 | 25/0,74 | 32/0,39 | 15/2,23 | 20/1,17 | 25/0,69 | 32/0,38 |
| 300 | 20/1,91 | 25/0,96 | 32/0,50 | 40/0,29 | 20/1,58 | 25/0,89 | 32/0,48 | 40/0,28 |
| 350 | 20/2,60 | 25/1,17 | 32/0,62 | 40/0,34 | 20/1,99 | 25/1,08 | 32/0,59 | 40/0,33 |
| 400 | - | 25/1,38 | 32/0,74 | 40/0,40 | 20/2,41 | 25/1,26 | 32/0,70 | 40/0,39 |
| 450 | - | 25/1,63 | 32/0,87 | 40/0,46 | 20/3,04 | 25/1,42 | 32/0,82 | 40/0,45 |
| 500 | - | 25/2,00 | 32/1,00 | 40/0,54 | - | 25/1,61 | 32/0,93 | 40/0,51 |
| 550 | - | 25/2,58 | 32/1,13 | 40/0,61 | - | 25/1,86 | 32/1,04 | 40/0,58 |
| 600 | - | - | 32/1,26 | 40/0,69 | - | 25/2,18 | 32/1,15 | 40/0,66 |
| 650 | - | - | 32/1,40 | 40/0,78 | - | 25/2,57 | 32/1,26 | 40/0,73 |
| 700 | - | - | 32/1,57 | 40/0,86 | - | 25/2,99 | 32/1,37 | 40/0,81 |
| 750 | - | - | 32/1,79 | 40/0,94 | - | - | 32/1,49 | 40/0,88 |
| 800 | - | - | 32/2,07 | 40/1,02 | - | - | 32/1,63 | 40/0,95 |
| 850 | - | - | 32,2,44 | 40/1,11 | - | - | 32/1,79 | 40/1,02 |
| 900 | - | - | 32/2,90 | 40/1,19 | - | - | 32/1,98 | 40/1,09 |
| 950 | - | - | - | 40/1,27 | - | - | 32/2,20 | 40/1,16 |
| 1000 | - | - | - | 40/1,37 | - | - | 32/2,44 | 40/1,23 |
| 1050 | - | - | - | 40/1,47 | - | - | 32/2,71 | 40/1,30 |
| 1100 | - | - | - | 40/1,59 | - | - | 32/2,99 | 40/1,38 |
| 1150 | - | - | - | 40/1,73 | - | - | - | 40/1,46 |
| 1200 | - | - | - | 40/1,90 | - | - | - | 40/1,55 |
| 1250 | - | - | - | 40/2,09 | - | - | - | 40/1,65 |
| 1300 | - | - | - | 40/2,31 | - | - | - | 40/1,75 |
| 1350 | - | - | - | 40/2,56 | - | - | - | 40/1,87 |
| 1400 | - | - | - | 40/2,83 | - | - | - | 40/2,00 |
| 1450 | - | - | - | 40/3,10 | - | - | - | 40/2,14 |
| 1500 | - | - | - | - | - | - | - | 40/2,28 |
| 1550 | - | - | - | - | - | - | - | 40/2,44 |
| 1600 | - | - | - | - | - | - | - | 40/2,60 |
| 1650 | - | - | - | - | - | - | - | 40/2,76 |
| 1700 | - | - | - | - | - | - | - | 40/2,92 |
| 1750 | - | - | - | - | - | - | - | 40/3,07 |
| 1800 | - | - | - | - | - | - | - | 40/3,20 |
| 1850 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Projektové podklady pro přesné nastavení ORIGINAL=CRA=SOFTWARE | ||||||||
Protože všem stoupacím větvím může jen výjimečně vyhovět diferenční tlak 10 kPa uvažovaný ve výše uvedených příkladech, měly by být ve vytápění požívány regulátory s nastavitelnou hodnotou tlaku pro stoupačku. Z údajů v TAB.4 je zřejmé, že aplikační oblast jednotlivých světlostí DN je podstatně více závislá na průtoku, než na redukovaném rozdílu mezi tlakem působícím z ležatého rozvodu a požadovaným tlakem pro stoupací větev, na který jsou nastaveny radiátorové armatury.
Průtok regulátorem diferenčního tlaku se přitom mění působením tepelných zisků i nesprávnými manipulacemi uživatelů s termostatickými hlavicemi, ale RDT může správně fungovat jen při průtoku správném.
Je-li například klasicky projektovaný průtok na patě stoupačky 324,96 kg.h-1 a správný průtok 427,05 kg.h-1, pak při průtoku 324,96 kg.h-1 zajistí RDT DN 25 při tlaku z ležatého rozvodu 22000 Pa diferenční tlak pro stoupačku 10000 Pa nastavením ASV-I na N = 0,99 s tlakovou ztrátou 3107,37 Pa. Při průtoku 427,05 kg.h-1 musí být ASV-I nastaven na N = 1,34 s doplňkovou tlakovou ztrátou 3063,02 Pa, protože tlaková ztráta samotného ASV-PV DN25 činí jen 8936,98 Pa a nikoliv 12000 Pa.
Bude-li však manipulacemi uživatelů s termostatickými hlavicemi průtok jen poloviční, (tj. 213,52 kg.h-1), musel by být ASV-I nastaven na N = 0,55 s tlakovou ztrátou 3275,27 Pa, protože samotný ASV-PV má ztrátu jen 8724,73 Pa. Z hlediska funkce RDT jsou tedy ruční manipulace s hlavicemi chybou.
Pro dosažení úspor tepla musí být projektem určeno správné nastavení všech armatur v otopné soustavě, protože se správným nastavením úzce souvisí jak hydraulická stabilita, tak aktivace teplotních čidel řídící automatické regulační procesy.
Úspory tepla regulační technikou jsou přímo úměrné podmínkám, v nichž regulační prvky pracují. Tyto prvky nemají autonomní schopnost zajistit úspornou funkci bez projektování a seřízení výchozího stavu nastavení a úsporná otopná soustava je výsledkem podstatně náročnějších výpočtů, než jaké jsou prováděny v běžném klasickém projektu.
Máme však tři značné výhody. Obrovskou zkušenost s projektováním velkých sídlištních celků, řadu velmi zkušených projektantů a příležitost, při úpravách otopných soustav zajistit skutečně úsporné vytápění. Zákon 406/2000 Sb. zajistil ve většině případů správné osazení regulační techniky, která byla jen nesprávně seřízena a ve většině případů to lze snadno napravit.
Úpravy otopných soustav s plnými úsporami tepla vyžadují precizní projektování
Obor vytápění je charakteristický řetězovými výpočty, při kterých jsou výstupní data jednoho výpočtu současně vstupními daty výpočtu navazujícího. Požadavky na přesnost jsou v tomto oboru vyšší, než v ostatních oborech. Vytápění si nemůže dovolit pracovat s tzv. "mírou bezpečnosti", běžnou v jiných oborech, protože přetápění o 1°C představuje cca 6% paliva. 1°C v teplotě vytápěné místnosti však může znamenat také o 33% menší úspory tepla regulační technikou, nebo téměř pětinásobné tlakové ztráty soustavy oproti projektovaným. 1°C je cca jednou dvaatřicetinou rozdílu mezi vnější klimatickou teplotou a vnitřní teplotou místnosti, které chceme dosáhnout. Těžko si lze představit například nosník, který by měl být dimenzován na nosnost 32 kg a při zátěži 33 kg by se měl prolomit. Takovou požadovanou přesnost nenajdeme samozřejmě ani ve strojírenství a vlastně v žádném jiném oboru. Nedělám si iluze, že takové přesnosti dnes obor vytápění dosahuje. Dokázal se ale natolik přiblížit, že úspory tepla se při novém řešení téměř vyrovnají působícím tepelným ziskům a proti klasickému projektování jsou až trojnásobné.
Zpřesnění výpočtových postupů se týká všech návrhových algoritmů a výpočtů, počínaje tepelnými ztrátami budov a konče nastavením všech armatur. Ve stávajících soustavách panelových domů se pracuje se stávajícími (často i chybně dimenzovanými) průměry potrubí i se stávajícími otopnými tělesy a veškeré podmínky pro úspory tepla se realizují právě nastavením armatur. Nastavení armatur je proto klíčové a investor tak snadno pozná kvalitativní úroveň projektu.
Obsahuje-li projekt popis správného nastavení každé armatury v soustavě, je tím investorovi poskytována garance funkčnosti soustavy i jejího ekonomického provozu. Tutéž jistotu pak získává i montážní firma. Dnešní armatury jsou tak dokonalé, že pokud soustava nevykazuje při správných parametrech teplonosné látky na svém počátku správnou funkce a úspornost vytápění, pak je nastavení armatur chybné. Investor tím poprvé získává přímý důkaz chybného projektu, proti kterému se může bránit.
Projekt vytápění stojí cca 12% pořizovacích nákladů na otopnou soustavu a těchto pouhých 12% rozhoduje o celé ekonomice vytápění i o návratnosti prostředků, investovaných do zateplování budov. Náklady na zateplení budov by se měly vrátit cca za 30 let a náklady na projekt vytápění s novými algoritmy se vracejí za dva až tři měsíce. Úspory tepla zateplením dosahují cca 50% a úspory tepla správně seřízenou regulační technikou cca 35% až 40%, podle úrovně vnějších a vnitřních tepelných zisků.
Projekt vytápění je dnes zcela jiný než v minulosti. Není jakýmsi administrativním dokladem pro povolení stavby, jak jej pojímá legislativa, která v současnosti vlastně ekvivalent dřívějšího "prováděcího projektu" ani nezná a to je velká chyba. Dnešní projekt vytápění je komplexním návodem, jak každý prvek soustavy nastavit tak, aby byl garantován její správný, nehlučný a plně ekonomický provoz. Nastavení armatur, které to garantuje, se v "projektu pro povolení stavby" objevit nemůže, protože je výsledkem konečných podrobných výpočtů, které v "projektu pro povolení stavby" požadovány nejsou a proto se v tomto projektu neprovádějí. Investor tak nemá přímou garanci úspor tepla u projektanta, ale za parametry díla odpovídá dodavatelská (montážní) firma, která realizační projekt může, nebo dokonce ani nemusí vypracovat. I při té největší úctě k dodavatelským firmám musím říct, že jimi vypracované projekty v drtivé většině nemají takovou úroveň, aby o úsporách tepla bylo možné vůbec hovořit a zkušenosti s výsledky úspor tepelné energie po zateplení budov i po osazení regulační techniky, to potvrzují.
Závěr
Přes všechny negace je závěr pozitivní. Obor vytápění disponuje širokou základnou erudovaných odborníků, v současnosti má k dispozici výkonný výpočtový systém a není na začátku nového vývoje, ale naopak. Nové algoritmy byly dokonale prověřeny v reálné praxi a naměřené výsledky úspor tepla v realizovaných objektech jsou pádným důvodem k optimismu. Spolupráce mezi odborníky přináší kladné výsledky a je stále širší. Úspory tepla při úpravách otopných soustav v panelových domech se tak staly realitou.
Podklady: Výstupní data Superdim ATHG
Další informace: www.usporyteplaets.cz, www.hvacideal.com
This completes a series of articles dealing with modifications in heating systems in residential buildings. It contains thus far unpublished data on the impact of setting valves for heat savings, explains the causes of insufficient performance in heating systems and provides completely new project documents.