Optimální řízení tepelného výkonu s úsporami tepla z tepelných zisků I.
Článek popisuje nový způsob řízení tepelného výkonu otopných soustav, nově definuje vztahy řídicích a řízených veličin, obsahuje hlavní výpočtové vztahy pro návrh akčních členů regulace, analyzuje význam signálních veličin a vymezuje podmínky pro plné úspory tepla z tepelných zisků v termohydraulicky seřízených soustavách.
Do nástupu regulační techniky pracovala kvalitativní (ekvitermní) regulace se snímanými teplotami přívodní i zpětné vody, případně i s její střední teplotou a při známém průtoku soustavou bylo možné ze snímaných hodnot určit okamžitou potřebu tepla. Se stoupající teplotou místností se teplota zpětné vody mírně zvyšovala, tepelný výkon otopných těles mírně klesal, a to při konstantním průtoku znamenalo, že zdroj může vyrábět tepla méně.
Pokud například těleso KALOR 10/500/160 pracovalo v teplotě místnosti 20°C s teplotou vstupní vody 90°C, mělo při průtoku 49,39 kg.h-1 výkon 1152 W a teplota výstupní vody činila 70°C. Při vzestupu teploty místnosti na 22°C poklesl výkon tělesa při stejném průtoku na 1111,45 W a teplota výstupní vody se zvýšila na 70,705°C. Při malém vzestupu teplot místností byly rozdíly malé, ale signály vysílané do zdroje tepla byly logické, protože byly závislé pouze na teplotách topné vody.
Dynamické otopné soustavy vybavené radiátorovou regulační technikou se chovají právě opačně a při vzestupu teplot místností teplota vratné vody naopak klesá, protože klesá i termicky řízený průtok. Pro obor vytápění to vše mělo dalekosáhlé důsledky, protože "protichůdně" se chovající teplota vratné vody tepelnému zdroji naopak signalizovala, že ve vytápěných místnostech je chladno a voda se v otopných tělesech příliš ochladí. Obor M+R na to zareagoval tím, že přestal teplotu vratné vody vyhodnocovat a dodnes řídí tepelný výkon pouze podle požadavku na teplotu vody přívodní. Tím však obor M+R ztratil důležitou signální veličinu, podle které by mohl reagovat na tepelné zisky úsporami tepla.
V klasicky projektovaných soustavách tak ani "sebeinteligentnější" elektronická regulace nemůže ušetřit teplo z tepelných zisků, protože oboru M+R chybí signál, umožňující jejich vliv rozpoznat, analyzovat a racionálně zpracovat.
Řízení tepelného výkonu například podle vnitřních teplot v tzv."referenčních místnostech" je z hlediska využití tepelných zisků nesmyslné, protože vliv lokálně působících tepelných zisků promítajících se do teploty "referenční" místnosti může být zcela opačný, než ve většině místností ostatních.
Lokální tepelné zisky z vnitřních zdrojů přitom mohou mít i mnohonásobně vyšší účinek než oslunění, zvláště pak v zateplených budovách. Jestliže v těchto budovách dosahujeme regulační technikou a "inteligentním" řízením tepelného výkonu sotva polovičních úspor tepla než pouhým zateplením bez regulační techniky, pak je evidentní, že se v klasickém projektování hrubě mýlíme a v oborech vytápění a M+R musíme postupovat jinak. Musíme si dokonce definovat základní pojmy, abychom se ve vztazích mezi nimi vyznali a odstranili balast, dodnes vnášený do termického oboru vytápění čistě "hydraulickým myšlením" a tolik rozšířenými, ale neúčinnými, "hydraulickými prostředky". Tento článek se proto zabývá přínosem termohydrauliky pro řízení tepelného výkonu. Ukážeme, jak termohydraulika umožnila návrat k racionálnímu zpracování všech původních signálních veličin, při plném využití tepelných zisků k úsporám tepla a jak oboru M+R umožňuje těchto úspor skutečně dosáhnout.
1. Regulační proces
je funkční přiřazení řízené veličiny k proměnné řídicí veličině, podle jasně definované závislosti. Ve vytápění je regulační proces jediným prostředkem k dosažení úspor tepla. Klasické projektování pracuje v oblasti kvalitativní regulace s nesprávnými signály a v oblasti kvantitativní regulace nemá řízené veličiny k řídicím veličinám funkčně přiřazeny vůbec. Klasicky projektované otopné soustavy proto dosáhnout plných úspor tepla regulačními procesy, s využitím tepelných zisků, nemohou.
2. Definice úspor tepla
Úsporou tepla je snížení odběru energie z tepelného zdroje, při zachování původní vnitřní teploty vytápěných místností. V nevytápěném objektu, nebo v objektu se sníženou vnitřní teplotou, dosaženo úspor tepla není.
3. Řídicí veličina
Ve vytápění je řídicí veličinou snímaná okamžitá hodnota klimatických podmínek (vnější teplota, vítr, atd.) a vnitřní teplota vytápěných místností. Řídicí veličina kvantitativní a kvalitativní regulace nemůže být ve vztahu k řízené veličině shodná. Řízení teploty přívodní (náběhové) vody podle vnitřní teploty místnosti, s vynecháním vnější teploty, je tedy chybné.
4. Řízená veličina
Řízenými veličinami jsou termická kvalita teplonosné látky (složka kvalitativní regulace) a její průtok (složka kvantitativní regulace). Řízení výkonu průtokem, má opodstatnění jen na prahu spotřebičů tepla.
5. Celková regulace vytápění
Je vždy kombinovaná a obsahuje kvalitativní i kvantitativní složku regulace tepelného výkonu. Pouhá kvantitativní regulace je ve vytápění zcela nepostačující a neekonomická, protože s poklesem průtoků teplonosné látky významně klesá přenosová schopnost distribučních sítí. Kvalitativní regulace je cca 5 krát účinnější než regulace kvantitativní a představuje základní regulaci tepelného výkonu bez působení tepelných zisků, tj. ve výpočtovém stavu soustavy.
6. Podmínky plné účinnosti regulace
Podmínkou 100% účinnosti kvalitativní regulace je shodná střední teplota teplonosné látky na prahu zdroje i ve všech spotřebičích tepla. Podmínkou 100% účinnosti kvantitativní regulace je seřízení kompletu akčního prvku (např.TRV) a teplotního čidla na prahu spotřebiče, při kterém bude komplet zajišťovat základní tepelný výkon spotřebiče (bez působení tepelných zisků) a na změnu řídicí teploty místnosti (do které se promítají tepelné zisky) bude reagovat jako na poruchovou veličinu, adekvátní úpravou množství odebírané energie z tepelného zdroje.
7. Definice účinnosti kombinované regulace
Kombinovaná regulace vykazuje nejvyšší účinnost, když podle již dříve publikované energetické bilanční rovnosti
pracuje s minimálním fázovým posunem amplitud řídicích a řízených veličin.
Okamžité tepelné ztráty místností "Qcj", výkony otopných těles "Qtj", korigované průtoky "G", přívodní a zpětná teplota teplonosné látky "tpj"a "tzj", musejí odpovídat okamžité vnější teplotě "tej" a nad rámec uvedené bilanční rovnosti i působení okamžitých tepelných zisků. Pro plně úsporné regulační procesy není proto možné při užívání otopných soustav libovolně měnit projektované vztahy mezi řídicími a řízenými veličinami (tvj,tej,G,tpj,tzj), projektované velikosti a druhy otopných těles (parametry QTj, ex), ani způsob vytápění (Qcj) z projektovaného nepřerušovaného, na tzv. "tlumené" nebo "nesoučasné". Tzv. "nesoučasné" vytápění vyvolává vnitřní tepelné ztráty, na které nejsou dimenzovány výkony otopných ploch (QTj) ani hodnoty "tpj" nebo "G" a podmínky energetické bilanční rovnosti jsou tím významně porušeny. Projektované vztahy mezi parametry, uvedenými v energetické bilanční rovnosti, musejí být pro dosažení úspor tepla v reálném provozu otopné soustavy dodrženy.
7a. Parametr "tvj" (řídicí veličina lokální kvantitativní regulace)
Teplotní čidla na výslednou teplotu místností "ti", se kterou běžně pracuje obor vytápění (ČSN 06 0210,atd.) nereagují. Reagují na teplotu vzduchu místností "tv", která musí být známá, protože rozdíl "tv - ti" může být i větší, než celé proporcionální pásmo regulačního prvku (např.TRV s XP = 2K). Při zvětšení proporcionálního pásma na XP = 3K, uspoří termostatická regulační technika o 33% méně tepla z tepelných zisků a při zmenšení tohoto pásma na XP = 1K by v základním výpočtovém stavu měla otopná soustava hydraulickou ztrátu cca 400% projektované hodnoty. Termostatická hlavice není otočná pro "volbu vnitřní teploty místnosti uživatelem" (energetická bilance by byla porušena), ale je otočná pro vymezení proporcionálního pásma TRV, k němuž se vztahuje výrobcem publikovaná závislost nastavení hydraulického odporu TRV na požadované hodnotě průtokového součinitele "Kv". Seřízení termostatických hlavic na výpočtové hodnoty je proto potřebné nejen pro dosažení úspor tepla z tepelných zisků, ale i pro platnost klasického i termohydraulického projektu vytápění. Při náhodně voleném proporcionálním pásmu, například při libovolných manipulacích uživatelů s termostatickými hlavicemi, projekt vytápění neplatí a negarantuje ani správnou funkci soustavy, ani úspory tepla ve smyslu bodu 2. Uživatelské manipulace s termostatickými hlavicemi znemožňují zdroji tepla reagovat na tepelné zisky, protože signální veličina "tzj", uvedená v bodě 7c, je vlivem uživatelských zásahů náhodná a pro elektronickou regulaci ztrácí význam.
Pro regulační procesy klíčové přesné hodnoty teplot vzduchu "tvj" se určí zpřesněným výpočtem tepelných ztrát budov (=CRA=) nebo u typových bytových staveb přibližně, podle prováděcí vyhlášky zákona 406/2000 Sb. Z výpočtu tepelných ztrát obálkovou metodou (energetický audit), nebo podle současné legislativou požadované normy, řídicí veličiny lokální kvantitativní regulace, určit nelze.
7b. Parametr "tpj" (řízená veličina kvalitativní regulace na počátku soustavy v závislosti na "tej")
Požadovaná okamžitá teplota přívodní (náběhové) vody "tpj" na počátku soustavy se určí následujícím postupem:
- Z výpočtů tepelných ztrát objektu pro minimální a maximální hodnotu vnější teploty se určí průběh požadavků na okamžitý tepelný výkon v závislosti na vnější teplotě "tej".
- Pro určený průběh se vypočtou hodnoty otopové křivky, tj. náběhová, vratná a střední teplota vody.
7c. Parametr "tzj" (signální veličina, na počátku soustavy)
V klasicky projektovaných soustavách je výslednicí náhodných uživatelských zásahů, se zásadním porušením podmínek energetické bilance a proto zde parametr "tzj" použitelnou informaci neobsahuje.
V termohydraulicky projektovaných nebo seřízených soustavách nese parametr "tzj" informaci o působení tepelných zisků, na které zdroj reaguje snížením množství vyráběné a distribuované tepelné energie.
Okamžitá teplota zpětné vody na počátku soustavy je bez působení tepelných zisků shodná s teplotou zpětné vody podle otopové křivky. Například při vnější teplotě -12°C, vstupní teplotě vody 90°C a vnitřní teplotě místností 20°C činí teplota zpětné vody 70°C, ale stoupne-li působením tepelných zisků teplota místností na 21°C, sníží se funkcí TRV průtok na 53,25% a výstupní teplota vody z otopných těles se sníží na 58,73°C, což je 83,94% hodnoty "tzj" otopové křivky. Závěrná křivka TRV se tedy podle druhu otopných těles a TRV konkrétního typu, promítá do snímané signální veličiny a lze korigovat výkon zdroje.
8. Definice kvalitativně regulované zóny
Kvalitativně regulovanou zónou je skupina spotřebičů (nebo objektů) s obdobným průběhem otopové křivky. Rozhodující je podíl tepelných ztrát vnitřními stavebními konstrukcemi "QZn". U vnitřních místností, které s vnějším prostředím nesousedí (QZn = 100%), jsou v celém rozsahu vnějších teplot požadovány nejvyšší parametry topné vody, proto nemohou být tyto místnosti regulovány společně například s jižní nebo severní fasádou. Stavební dispozice, určující podíl tepelných ztrát vnitřními konstrukcemi, může mít podstatně větší vliv než přirážka na světovou stranu vztažená k fasádám, proto je tzv. "zónování podle fasád" často chybou.
V technické praxi lze "zónování podle fasád" zdůvodnit nižšími pořizovacími náklady, ale je potřebné neopomenout, že vnitřní místnosti (s QZn = 100%), jsou pak v přechodových obdobích (s vyššími vnějšími teplotami) nedotápěné a chyba je v teplotách vody, nikoliv v hydraulických poměrech soustavy.
GRAF 2 Příklad průběhu otopových křivek
Výpočet tepelných ztrát budov, prováděný v rámci energetického auditu tzv. "obálkovou metodou" s tepelnými ztrátami vnitřních konstrukcí nepracuje, hodnoty QZn ani průběhy otopových křivek určit neumožňuje a proto nemůže být podkladem pro návrh funkční regulace tepelného výkonu. Na základě výpočtů provedeného auditu proto zajistit odpovídající úspory tepla regulačními procesy nelze.
Protože výpočty požadovanými v dnes platné legislativě nelze určit parametry "tvj" podle bodu 7a, parametry "tpj" podle bodu 7b, ani parametry "tzj" podle bodu 7c, nemá obor M+R při klasickém projektování důležitá vstupní data, ani hodnoty signálních veličin a nemůže plné úspory tepla regulačními procesy garantovat.
9. Parametry otopové křivky a směšovacích poměrů na počátku soustavy
Při klasickém projektování se konkrétní parametry otopové křivky neurčují, nebo se vychází z publikovaných křivek, bez zohlednění podílu vnitřních tepelných ztrát "QZn". Obor M+R proto nemá k dispozici přesné požadavky na termickou kvalitu teplonosné látky, ani správné údaje o průtocích a směšovacích poměrech.
Při klasickém projektování proto nemá obor M+R snímané veličiny s čím porovnat a nezná ani správný průběh parametru "tpj", závislý na požadovaném průběhu "Pj", druhu otopných těles, atd.
Termohydraulický projekt všechny tyto důležité konkrétní údaje poskytuje.
| tej °C | Pj W | tpj °C | tzj °C | Δtmj K | GSj kor kg.h-1 | GPj kg.h-1 | GMj kg.h-1 | GZj kg.h-1 | GKj kg.h-1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -12 | 100000,00 | 90,00 | 70,00 | 20,00 | 4289,82 | 0,00 | 4289,82 | 0,00 | 4289,82 |
| -10 | 94117,65 | 87,65 | 68,82 | 18,83 | 4289,82 | 477,60 | 3812,23 | 223,87 | 4036,10 |
| -8 | 88235,29 | 85,25 | 67,59 | 17,66 | 4289,82 | 912,71 | 3377,12 | 405,42 | 3782,54 |
| -6 | 82352,94 | 82,79 | 66,30 | 16,49 | 4289,82 | 1309,75 | 2980,07 | 549,06 | 3529,13 |
| -4 | 76470,59 | 80,26 | 64,95 | 15,31 | 4289,82 | 1672,54 | 2617,29 | 658,59 | 3275,88 |
| -2 | 70588,24 | 77,66 | 63,52 | 14,14 | 4289,82 | 2004,32 | 2285,50 | 737,30 | 3022,80 |
| 0 | 64705,88 | 74,97 | 62,01 | 12,96 | 4289,82 | 2307,96 | 1981,86 | 788,02 | 2769,88 |
| 2 | 58823,53 | 72,20 | 60,41 | 11,79 | 4289,82 | 2575,89 | 1703,93 | 813,21 | 2517,14 |
| 4 | 52941,18 | 69,31 | 58,70 | 10,61 | 4289,82 | 2840,26 | 1449,56 | 815,01 | 2264,57 |
| 6 | 47058,82 | 66,30 | 56,86 | 9,44 | 4289,82 | 3072,91 | 1216,91 | 795,28 | 2012,19 |
| 8 | 41176,47 | 63,13 | 54,87 | 8,26 | 4289,82 | 3285,46 | 1004,36 | 755,62 | 1759,98 |
| 10 | 35294,12 | 59,78 | 52,69 | 7,08 | 4289,82 | 3479,26 | 810,56 | 697,39 | 1507,95 |
| 12 | 29411,73 | 56,19 | 50,28 | 5,90 | 4289,82 | 3655,46 | 634,37 | 621,75 | 1256,12 |
TAB.1 - Příklad základních parametrů otopové křivky bez působení tepelných zisků
10. Parametry teplonosné látky uvnitř otopné soustavy
Uvnitř každé (i klasické) otopné soustavy základní teplotní parametr "tpj" úbytkem tepelné energie na trase od zdroje k jednotlivým spotřebičům dále klesá. Touto změnou je porušena podmínka účinnosti kvalitativní regulace uvedená v bodě 6 (zachování shodné střední teploty vody ve zdroji i ve spotřebičích tepla) a pro udržení shodné střední teploty vody musí být u vzdálenějších spotřebičů tepla výstupní teplota vody vyšší, než základní teplotní parametr "tzj" otopové křivky. Grafy průběhů parametrů "tpj" a "tzj" na prahu jednotlivých otopných těles jsou již obecně známé. GRAF 3 poprvé ukazuje, jak se tyto parametry mění působením tepelných zisků, ovlivňujících vnitřní teplotu místnosti "tv".
Z příkladu průběhu teploty zpětné vody "tzj" je vidět, jak snižování průtoků v soustavě zhoršuje účinnost kvalitativní (ekvitermní) regulace. Například stoupne-li působením tepelných zisků řídicí teplota místnosti v 5.NP z 20°C na 21°C, pracuje těleso s parametry 81,67/62,19/21°C a se střední teplotou vody 71,30°C, zatímco při nesníženém průtoku by pracovalo s parametry 85,41/72,77/20°C a se střední teplotou 78,86°C.
Při plném uzavírání otopných těles uživateli bytů dochází často až k úplné likvidaci účinnosti kvalitativní regulace. GRAF 3 potvrzuje, že pro uplatnění regulačních procesů voda musí proudit a snížení průtoků musí být automatickou regulační odezvou na působící tepelné zisky, nikoliv náhodnou volbou uživatele soustavy. Elektronická regulace nemůže plnit svou funkci, když vztahy mezi řídicími a řízenými veličinami závisejí na náhodných zásazích uživatelů a nemají s principy regulace nic společného.
Dojde-li při vzestupu teploty na 21°C ke snížení průtoku automatickým regulačním procesem, trvá snížení účinnosti kvalitativní regulace pouze po dobu působení tepelných zisků a pak se soustava automaticky vrátí do projektovaného stavu, garantujícího ekonomický provoz. Při uživatelských manipulacích je však seřízení prvků náhodné a snížení účinnosti regulačních procesů trvalé.
Dosažení maximálních úspor tepla regulačními procesy proto vyžaduje, aby soustavy byly řešeny termohydraulicky, regulační procesy byly automatické a korigované průtoky nebyly náhodně voleny uživatelem, ale odpovídaly definici účinnosti kombinované regulace, podle bodu 7.
OPTIMÁLNÍ ŘÍZENÍ TEPELNÉHO VÝKONU s úsporami tepla z tepelných zisků
J.V.Ráž, DiS =CRA=CENTROTHERM
Recenze: Ing. Vladimír Galád
Bez vzájemné těsné vazby mezi profesemi m+r a vytápění nelze dosahovat kvalitních výsledků z pohledu úspor tepla. Zabývá se úzkým propojením obou oborů a ukazuje možnosti, jak dosahovat řízením tepelného výkonu maxima z potenciálu úspor. Článek je aktuální, vystihující současnou problematiku vytápění, kdy nejsou, zejména po zateplení objektů, dosahovány očekávané úspory. Autor konkrétně řeší styčné body obou profesí.
Autor své znalosti využívá i v praxi a v oblasti panelových domů provádí:
- Vyhodnocení úspor zateplením a funkcí stávající regulační techniky v zateplených i nezateplených budovách.
- Projekty termohydraulického seřízení a termického vyvážení soustav pro dosažení maximálních úspor tepla v zateplených i nezateplených panelových domech.
- Projekty pro nápravu funkce vytápění.
- Poradenství v oblasti vytápění panelových domů.
e-mail: centrotherm@seznam.cz, T 286 591 550, M 607 660 843
The article describes a new way to control the output of heating systems, redefining the relationship between control and controlled variables, includes the equations for designing control actuators, analyses the importance of signal values and sets the conditions for total savings of the heat gain regulatory processes in thermal-hydraulic systems. In addition, it provides some key information for field measurement and control.