Ekvitermní regulace – princip a využití v systémech regulace vytápění
V článku je popsána možnost využití ekvitermní regulace v systémech vytápění a ohřevu teplé vody. Popsány jsou dále funkce ekvitermních regulátorů. Využitím principu ekvitermní regulace je možné dosáhnout automatického vytápění prostor v závislosti na venkovní teplotě.
Úvod
Všechny předchozí články popisovaly prvky a systémy, které se nejčastěji využívají k dosažení optimální tepelné pohody v našich bytech a domech. Samozřejmě některé systémy se s výhodou využívají i v ostatních budovách, jako jsou například velké administrativní budovy.
Při popisu mechanických a digitálních termostatů byl popsán rozdíl mezi lokálním a dálkovým vytápěním. Každého jistě napadne, jakým způsobem jsou vůbec ovládány zdroje tepla a jakým způsobem je řízena teplota topné vody, tedy jakým způsobem zdroj tepla určuje, že teplota topné vody má dosáhnout určité hodnoty. Tuto otázku lze jednoduše řešit ekvitermní regulací. V následujícím článku bude popsán princip ekvitermní regulace a budou uvedeny příklady využití ekvitermní regulace v systémech vytápění. Dále budou popisovány vybrané funkce ekvitermních regulátorů.
Princip ekvitermní regulace
Ještě než přejdeme k popisu ekvitermních regulátorů a principu vytápění pomocí ekvitermní regulace, je nutné uvést pojem ekvitermní regulace. Ekvitermní regulace teploty v místnosti spočívá v nastavení teploty topné vody (regulací zdroje tepla) na základě venkovní teploty. Při nižší venkovní teplotě je požadována vyšší teplota dodávané topné vody, aby došlo k rovnováze mezi dodaným teplem a tepelnými ztrátami místnosti a teplota místnosti tak zůstala konstantní.
Obr. 1: Ekvitermní křivky
Pro danou místnost lze stanovit soustavu tzv. ekvitermních křivek (také "topné křivky"), které popisují vzájemnou závislost teploty topné vody, místnosti a venkovní teploty. Na základě požadované teploty místnosti lze zvolit určitou křivku a podle venkovní teploty regulovat teplotu topné vody. Samozřejmě z uvedeného popisu okamžitě vyplývá několik základních otázek. Co to vlastně znamená "lze stanovit soustavu ekvitermních křivek"? Soustava topných křivek se stanovuje na základě jednak požadované teploty v místnosti (např. pro požadovanou teplotu 25°C) a také na základě znalosti nejnižší venkovní teploty, která byla v dané oblasti kdy dosažena. Typický průběh závislosti teploty topné vody na venkovní teplotě, tedy ekvitermních křivek, je uveden na obr. 1. Na tomto obrázku jsou uvedeny tři ekvitermní charakteristiky pro požadované teploty místnosti 25°C, 20°C a 15°C. Uvedené ekvitermní charakteristiky jsou implementovány v odpovídajících zařízeních nejčastěji označovaných jako ekvitermní regulátory. V těchto ekvitermních regulátorech jsou jednotlivé ekvitermní křivky implementovány a nejčastěji označeny určitými čísly.
Využití ekvitermní regulace
Princip ekvitermních křivek byl popsán v předešlém odstavci. Z popisu jednoznačně vyplývá, že ekvitermní křivky nastavují pro požadovanou prostorovou teplotu a aktuální venkovní teplotu odpovídající teplotu topné vody. Vypočtené teploty topné vody je dosahováno ve zdroji tepla, kterým nejčastěji bývá tepelný výměník nebo kotel (elektrický, plynový nebo na tuhá paliva). Takovýto zdroj tepla tedy ohřívá topnou vodu na požadovanou vypočtenou teplotu. Nyní se na chvilku přeneseme z vysvětlování principu regulace (jakékoliv, které byly doposud popisovány) na příkladný popis systému vytápění. Jakým způsobem tedy topná voda ohřívá prostor, který chceme vytápět? Téměř každý hovorově odpoví, "teplo jde přece z radiátoru, tak z radiátoru ne?". Toto je samozřejmě pravda. Ovšem situace je poněkud složitější. Konečný prvek v systému vytápění bývá nejčastěji, kromě jiných, otopné těleso (radiátor) nebo systém podlahového vytápění. Jak se ovšem topná voda dostane ze zdroje tepla k otopnému tělesu? Opět poněkud drzou odpovědí může být: "potrubím". Toto je opět pravda, ale zase tak jednoduché to ne vždy bývá. Z tohoto důvodu pokládám za nutné alespoň přiblížit systém vytápění, který se v systémech ekvitermní regulace využívá.
V systémech vytápění se velice často hovoří o pojmu směšovaný a přímý okruh. Co směšovací a přímý okruh znamená, je možné vysvětlit jednak pomocí následujícího obrázku a jednak uvedeným popisem. Součástí obou typů okruhů je otopné těleso (nebo jiný systém vytápění). Každé otopné těleso obsahuje dva otvory pro připojení. Do jednoho otvoru je připojeno potrubí s topnou vodou. Toto potrubí se nazývá přívodní. Druhý otvor v otopném tělese slouží pro připojení vratného potrubí. Vratným potrubím se odvádí topná voda, jejíž teplota je snížena o teplo, které bylo prostřednictvím otopného tělesa předáno do prostoru. Může se stát, že pro různé otopné plochy potřebujeme různou teplotu topné vody. Větší teplotu pro radiátory a nižší pro podlahové vytápění. Tento požadavek se dá snadno splnit vytvořením dvou topných větví, z nichž ta, kde vždy bude vyšší teplota, se zapojí přímo a teplota v ní je regulována ovládáním zdroje tepla. Směšovaný okruh je přednostně ovládán pomocí směšovaného ventilu, který řídí průtok topné vody ze zdroje tepla do směšovacího okruhu. Směšovací ventil je ovládán dle principu ekvitermní regulace a to podle teploty topné vody v přívodním potrubí. "Přímý" okruh již směšovací ventil nemá a teplota topné vody je určena zdrojem tepla. Na následujícím obr. 2 je možné pozorovat příklad hydraulického schématu, které obsahuje přímý i směšovací okruh.
 Obr. 2: Hydraulické schéma systému vytápění |
Vysvětlivky: AF - venkovní teplota DKP - čerpadlo přímého okruhu VF - teplota přívodní topné vody RLF - teplota vratné vody MK - směšovací ventil P - čerpadlo směšovacího okruhu SLP - čerpadlo pro okruh TV SF - teplota zásobníku TV |
Na uvedeném obr. 2 je znázorněn přímý okruh a směšovací okruh. Jak je možné pozorovat, přímý okruh neobsahuje žádný ventil, pouze obsahuje čerpadlo, které slouží pro zvýšení průtoku topné vody v přímém okruhu. Pokud je dle ekvitermních křivek vyvolán požadavek na vytápění (dosažení prostorové teploty), čerpadlo přímého okruhu je spuštěno a topná voda je uvedena do otopného tělesa. Samozřejmě otopná tělesa musí obsahovat termostatický ventil a termostatickou hlavici, které zaručují uvedení vhodného množství topné vody do otopného tělesa. Oproti tomu směšovací okruh obsahuje směšovací ventil a čerpadlo. Princip je obdobný jako v případě přímého okruhu, pouze je zde ovládán směšovací ventil. Opět v případě požadavku na vytápění je topná voda uvedena prostřednictvím směšovacího ventilu do směšovacího okruhu. Uvedený popis vysvětluje jednoduchý a základní princip otopné soustavy, která se nejčastěji používá. Detailní popis přenechám na odbornících, kteří by uvedený popis jistě zkritizovali. Pro dosažení nastavené prostorové teploty slouží nejčastěji ekvitermní regulátory. Princip funkce ekvitermních regulátorů bude uveden v následujícím odstavci.
Obr. 3: Zásobník TV
Obr. 4: Akumulační nádrž
Ještě než přejdu k popisu ekvitermních regulátorů, uvedu pouze poslední dvě poznámky. Na obr. 2 je možné pozorovat další větev, která ovšem nemá s vytápěním prostor nic společného. Touto větví je ohřev teplé vody (TV). Teplá voda je uložena v zásobníku TV a je ohřívána prostřednictvím topné vody, která je opět ohřívána v kotli. Bojler obsahuje opět dvě připojení (přívod a odvod topné vody). Dále může bojler obsahovat otvor pro připojení elektrické patrony (přímotopu), která také umožňuje přímý ohřev teplé vody. Dalším zařízením, které ovšem na obr. 2 není zobrazeno, je zásobník topné vody neboli akumulační nádrž. Akumulační nádrže se vyrábějí v objemu o 200 - 1000 litrech. Tato nádrž slouží pro akumulaci (ukládání) topné vody, která je vyrobena v kotli. Každého jistě napadne otázka: Proč je nutné používat akumulační nádrž, když je použit výkoný kotel, který může přímo zprostředkovat topnou vodu do všech topných okruhů? Odpověď je jasná a jednoznačná. Pokud je využita akumulační nádrž, je teplo, které je v kotli vyrobené, ukládáno přímo v této akumulační nádrži. Hlavní výhodou akumulační nádrže je uchování tepla. Pokud je požadavek, dle ekvitermní regulace, na vytápění prostoru, je pouze otevřen směšovací ventil a topná voda je z akumulační nádrže uvedena do směšovacího okruhu. Pokud je tedy akumulační nádrž nabita topnou vodou, není nutné spínat kotel a plýtvat tak zbytečně energií. Akumulační nádrž je především výhodná v případě vytápění pomocí kotle na tuhá paliva. Ne vždy se nám chce topit, akumulační nádrž za nás uchová odpovídající množství teplé vody.
V této sekci jsem uvedl mnoho pojmů. Uvedl jsem je ovšem záměrně, a to z důvodu použití ekvitermní regulace a ekvitermních regulátorů, které právě umožňují všechna uvedená zařízení správně ovládat. Popis ekvitermních regulátorů a principů, které tyto regulátory využívají je uveden v sekci další.
Funkce ekvitermních regulátorů
Obr. 5: Ekvitermní regulátor
Již v minulých článcích byly popsány různé typy regulátorů, které jsou určeny k ovládání různých zdrojů tepla. Doposud byl ovšem ovládán zdroj tepla a tím i teplota topné voda bez uvažování venkovní teploty. Naopak ekvitermní regulátory jsou výhodné v tom, že regulují teplotu topné vody v závislosti na venkovní teplotě. Jednoduše je tedy možné říci, že hlavním principem ekvitermních regulátorů je ovládání zdroje tepla v závislosti na zvolené ekvitermní křivce a aktuální venkovní teplotě. Ano, záměrně píši na zvolené ekvitermní křivce. Ekvitermní regulátory totiž mají ekvitermní křivky implementované ve své paměti. Uživatel pouze vybírá, která ekvitermní křivka je pro něj optimální. Každá ekvitermní křivka je označena číslicí (kódem). Některé ekvitermní regulátory také umožňují měnit sklon ekvitermní křivky a tím tak lépe reagovat na venkovní teplotu. Toto je ovšem pouze základní princip regulátorů. V minulé sekci jsem ovšem popisoval, že systém vytápění obsahuje několik okruhů (a tím i zařízení), které je nutné ovládat. Vybrané ekvitermní regulátory obsahují řídicí obvody a relé, které právě umožňují ovládat například čerpadla, ventily a snímat teploty. Takovéto regulátory umožňují ovládat až několik směšovaných okruhů, přímých okruhů, solární vytápění nebo ohřev TV. Všechna zařízení (čerpadla a ventily) jsou ovládána v závislosti na překročení nebo podkročení určité snímané teploty. Cílem tohoto článku není vysvětlit jakým způsobem je vytápěn prostor. Nicméně je vhodné popsat, jakým způsobem je ovládán například směšovaný okruh nebo ohřev TV.
Obr. 6: Ekvitermní regulátor
V případě směšovaného okruhu může být princip popsán následovně. Samozřejmě hlavní podstatou celé regulace je nastavení teploty topné vody dle venkovní teploty. Ohřev topné vody dle ekvitermní regulace je ovšem jedna věc. Další věcí je uvedení topné vody do směšovaného okruhu. Pokud tedy teplota topné vody dosáhne určité teploty, otevře se směšovací ventil a spustí se čerpadlo směšovacího ventilu. Tím je dosaženo toho, že topná voda se dostane do otopného tělesa a dále koluje ve směšovaném okruhu. Teplota ve směšovaném okruhu je snímána, a pokud je teplota vratné vody snížena pouze o určitou minimální nastavenou mez, směšovaný ventil se přivře a dojde k zmenšení množství dodávané topné vody do okruhu. Pokud je ovšem rozdíl mezi teplotou na přívodním a vratném potrubí velký, je směšovaný ventil pootevřen a další topná voda je uvedena do směšovaného okruhu. Hlavním důvodem rozdílu mezi přívodní topnou vodou a vratnou vodou je odevzdání tepla do prostoru, kde se nachází otopná plocha. Pokud je prostor dostatečně vytopen, tepelná vydatnost otopného tělesa je malá. Ekvitermní regulátor tedy hlídá teplotu vody ve směšovaném okruhu a na základě této teploty pak dává povely k otevření směšovacího ventilu a spínání čerpadla. Čtenáře nyní může napadnou následující otázka: Jak může být v místnosti dosaženo požadované teploty, když teplota v místnosti není snímána? První odpovědí je samozřejmě ekvitermní regulace, tedy hlídání teploty topné přívodní vody. Druhou odpovědí může být využití prostorového teplotního snímače, které je v případě ekvitermní regulace využíváno. V regulátoru se pak nastavuje vliv snímané prostorové teploty na zvolenou ekvitermní charakteristiku. Využití prostorového snímače je jistě výhodné. Pokud prostorový snímač obsahuje kolečko pro nastavení korekce požadované teploty. Jednoduchým otočením kolečka pak dojde k úpravě zvolené ekvitermní křivky.
V případě ohřevu TV je situace obdobná. V tomto případě ovšem okruh TV neobsahuje směšovací ventil, ale pouze čerpadlo, které uvádí topnou vodu do okruhu TV. Čerpadlo je pak ovládáno v závislosti na teplotě vody, která je v zásobníku TV. Pokud je ekvitermní regulátor opravdu inteligentní, umožňuje nastavení priority vytápění. Dle nastavení priority je pak topná voda zprostředkována nejprve do topného okruhu a po dosažení požadované teploty je teprve ohřívána voda v zásobníku TV nebo naopak. Je již pak zcela na uživateli, jakou prioritu vytápění zvolí. Pokud je v systému vytápění použita akumulační nádrž, je pak topná voda do jednotlivých okruhů uváděna právě z akumulační nádrže.
Závěr
V uvedeném článku je popsán princip ekvitermní regulace a základní funkce ekvitermních regulátorů. Článek popisuje princip vytápění prostřednictvím směšovacích okruhů a také ohřev TUV právě prostřednictvím ekvitermních regulátorů.
The paper presents the possibility of heating regulation in heating systems and systems for water warming. Detail description of basic functions implemented in heating controllers is briefly mentioned. By using of heating controllers it is possible to achieve automated heating of environmental spaces based on actual outside air temperature.