Optimální řízení tepelného výkonu s úsporami tepla z tepelných zisků II.
Optimal control of thermal output with savings from heat gain II.
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.
11. Plně automatické regulační procesy
Klíčový význam pro dosažení ekonomického vytápění elektronickou regulací má podmínku, aby funkční vztahy mezi řídicími a řízenými veličinami byly automatické v obou složkách celkové kombinované regulace tepelného výkonu, tj. nejen při regulaci kvalitativní, ale i při regulaci kvantitativní, kde klasickým projektováním nijak zajištěny nejsou.
Je přitom důležité, aby automatické regulační procesy probíhaly i při takových změnách řídicí vnitřní teploty místností, které leží pod prahem vnímání uživatele soustavy a aby působily 24 hodin denně, nezávisle na lidském činiteli. Vzestup teploty o 1°C uživatel bytu ani nepozná, ale automatický regulační proces na něj ihned reaguje úsporami tepla v hodnotě 20% (nezaměňovat s cca 6% úspor snížením vnitřní teploty o 1°C).
12. Regulační funkce kvalitativní regulace
Kvalitativní regulace zajišťuje ekonomický provoz vytápění v závislosti na vnější teplotě bez působení tepelných zisků (podle konkrétní otopové křivky). V termohydraulice nově přistupuje korekce parametru "tpj" v závislosti na působení tepelných zisků.
13. Regulační funkce kvantitativní regulace
Kvantitativní regulace na prahu otopných těles nezávisí na termických, ani na hydraulických parametrech teplonosné látky a je zcela nezávisle řízena aktivačními teplotami vzduchu vytápěných místností, do kterých se promítají tepelné zisky. Proto je jejím úkolem, snižovat odběr tepla z tepelného zdroje o úroveň tepelných zisků. Kvantitativní a kvalitativní regulace nesmějí mít stejnou řídicí veličinu.
14. Signální veličiny pro automatické regulační procesy v termohydraulických soustavách
Termohydraulika vyřešila všechny vztahy mezi řídicími a řízenými veličinami regulačních procesů a umožnila oboru M+R návrat k racionálnímu řízení ekonomického vytápění, s využitím všech signálních hodnot.
OBR.1 Signální hodnoty pro regulaci výkonu termohydraulických soustav.
Působení tepelných zisků je v termohydraulických soustavách tepelnému zdroji signalizováno změnou součtového korigovaného průtoku "Gkor" a změnou teploty zpětné vody "tzjr", vyplývající z kvantitativní regulace na prahu spotřebičů tepla. Porovnáním okamžité hodnoty "tzjr" se známou hodnotou "tzj" otopové křivky a okamžitého průtoku "Gkorj" se známým korigovaným průtokem "Gkor" je působení tepelných zisků kvantifikováno a lze korigovat teplotu přívodní vody do soustavy "tpj".
Tepelný zdroj tak už nemusí ohřívat vodu na původní hodnotu "tpj" otopové křivky a vyrábět nadbytek tepla, který je na prahu spotřebičů následně eliminován, ale nadbytek tepla nemusí vůbec vyrobit a do soustavy může přivádět rovnou korigovanou teplotu vody "tpjkor".
Tím je elektronická regulace poprvé schopna, v termohydraulicky seřízených soustavách s TRV cíleně reagovat na lokální tepelné zisky úsporami tepla.
Nejenže nadbytečné teplo nemusí být vyráběno, ale korekcí parametru "tpj" na hodnotu "tpjkor" jsou zároveň sníženy distribuční tepelné ztráty na straně dodavatele tepla, i náklady spojené s jeho výrobou.
Elektronická regulace se tak snímáním, vyhodnocením a zpracováním všech hodnot otopové křivky, vrací zpět k racionálnímu řízení tepelného výkonu, které existovalo před zavedením radiátorové regulační techniky. Termohydraulika tak v soustavách IRC i v běžných soustavách s TRV, "inteligentní" elektronické regulaci uděluje "inteligenci" skutečnou.
15. Korigované průtoky Gkor
Ve 21. století už klasické hodnoty průtoků "G" nepoužíváme a ve všech fázích návrhu otopných soustav, rozvodných sítí, vyvažovacích armatur i akčních členů regulace, pracujeme výhradně s korigovanými průtoky, podobně jako dřívější hydronika. Výrazné zkvalitnění je však v tom, že termohydraulické průtoky "Gkor" zajišťují shodnou střední teplotu vody ve všech bodech otopných soustav, zkoordinovanou funkci obou složek celkové kombinované regulace tepelného výkonu a termické vyvážení soustav s plným využitím tepelných zisků z vnitřních zdrojů i oslunění k úsporám tepla. Jde o řádově vyšší úroveň kvality regulace.
16. Návrh akčních členů regulace
Elektronická regulace ve vytápění realizuje všechny regulační procesy pomocí obyčejných ventilů, jejichž návrh bývá v oboru M+R nejslabším článkem. Chybí přitom možnost, výpočtově kontrolovat zdvih kuželky akčního členu v oblasti požadovaného regulačního rozsahu, který je důležitý z hlediska stability regulačních procesů, i z hlediska jejich přesnosti. Návrh akčního prvku pouze podle kritéria hydraulické autority mezní úrovně pracovního zdvihu kuželky určit neumožňuje a samotné kritérium autority je zcela nedostatečné.
Uveďme zde proto přehled alespoň základních vztahů, odvozených v =CRA= pro návrh regulačních ventilů s definovanou charakteristikou (lineární, parabolickou a ekviprocentní) a připomeňme, že ve všech vztazích musí být použito termohydraulicky určených korigovaných průtoků, převedených na objemové jednotky. Klasicky projektované průtoky "Qo" v klasických soustavách totiž správnou regulaci TEPLA, ani jeho úspory regulačními procesy, negarantují.
Požadovaná hodnota KV pro všechny druhy charakteristik:
Kde K = 100 pro ΔpS (Pa) ; K = 0,1 pro ΔpS (kPa) ; K = 0,0001 pro ΔpS (MPa)
Tlaková ztráta plně otevřeného ventilu ΔpO pro všechny druhy charakteristik:
Kde K1 = 105 pro ΔpS (Pa) ; K1 = 102 pro ΔpS (kPa) ; K1 = 10-1 pro ΔpS (MPa)
Tlaková ztráta seřízeného ventilu ΔpS pro všechny druhy charakteristik:
Kde K1 = 105 pro ΔpS (Pa); K1 = 102 pro ΔpS (kPa) ; K1 = 10-1 pro ΔpS (MPa)
Poměrný zdvih kuželky ventilu s nulovou výrobní tolerancí Kv a Kvs, z poměru Kv / Kvs
Poměrný zdvih kuželky ventilu s nulovou výrobní tolerancí Kv a Kvs, z poměru ΔpO / ΔpS
Hydraulická autorita dvoucestného ventilu v regulovaném okruhu
Dílčí objemový průtok regulovaným okruhem Qo při zdvihu kuželky "h"
Maximální objemový průtok regulovaným okruhem Qo100 při plném zdvihu kuželky "h = H100" pro všechny druhy charakteristik
| Označení | Jednotka | Název veličiny |
|---|---|---|
| a | ( - ) | Hydraulická autorita ventilu v regulovaném okruhu |
| Hdif | ( Pa ) | Diferenční ( hnací ) tlak, působící na regulovaný okruh ( minimální hodnota ) |
| H | ( mm ) | Zdvih kuželky ventilu v regulačním pásmu |
| H100 | ( mm ) | Plný zdvih kuželky regulačního ventilu |
| h | ( - ) , ( % ) | Poměrný zdvih kuželky regulačního ventilu ( H / H100 ) |
| Kv | ( m3 h-1 ) | Objemový průtok média za jednotkových podmínek ( ΔpS = 0,1 Mpa, ρt = 1000 kg m-3) |
| Kvs | ( m3 h-1 ) | Objemový průtok za jednotkových podmínek při h=1 ( ΔpO = 0,1 Mpa, ρt = 1000 kg m-3) |
| P | ( W ) | Tepelný výkon přenášený médiem, při průtoku Qo |
| Qo | ( m3 h-1 ) | Objemový průtok média regulovaným okruhem za provozního stavu |
| Qo100 | ( m3 h-1 ) | Největší objemový průtok regulovaným okruhem za provozního stavu, při h = 1 |
| q | ( - ) , ( % ) | Poměrný průtok regulovaným okruhem ( Qo / Qo100 ) |
| ΔpO | ( Pa ) | Tlaková ztráta otevřeného ventilu za provozního stavu, při h = 1 |
| ΔpS | ( Pa ) | Tlaková ztráta seřízeného ventilu za provozního stavu, při h |
| ΔpOKmax | ( Pa ) | Tlaková ztráta regulovaného okruhu při maximálním pracovním průtoku Qomax |
| ΔpOKt | ( Pa ) | Tlaková ztráta regulovaného okruhu při průtoku Qomax a při změnách hustoty média vlivem změn teplotních parametrů |
| ΔpOKS | ( Pa ) | Tlaková ztráta regulovaného okruhu při průtoku Qo a při změnách hustoty média vlivem změn teplotních parametrů |
| Δtm | ( K ) | Teplotní spád vody v regulovaném okruhu |
| Cts | ( J kg-1 K-1 ) | Měrná tepelná kapacita při střední teplotě média ts v regulovaném okruhu |
| ts | ( C ) | Střední teplota média v regulovaném okruhu |
| ρts | ( kg m-3 ) | Měrná hmotnost média při střední teplotě ts |
| OT | ( - ) | Počet otáček ručního kola ventilu s ručním ovládáním, pro dosažení hydraulického vyvážení okruhu |
| max | ( - ) | Maximální pracovní hodnota |
| min | ( - ) | Minimální pracovní hodnota |
Vliv výrobní tolerance ventilů na přesnost regulace
GRAF 4 dokládá, proč je důležité kontrolovat pracovní zdvih kuželky regulačního ventilu v požadovaném rozsahu regulace řízené veličiny (průtoku). Regulační ventily se vyrábějí s povolenou výrobní tolerancí Kvs +/- 10%. Znamená to, že má-li mít ventil hodnotu Kvs = 10 m3.h-1, může mít konkrétní instalovaný ventil při plném otevření hodnotu Kvs = 11 m3.h-1 nebo 9 m3.h-1. V pracovních polohách zdvihu kuželky jsou pak rozdíly až dvojnásobné a proto je důležité znát polohy kuželky, v nichž se regulační proces bude realizovat. Správně navržený ventil by měl pracovat s rozsahem zdvihů kuželky cca 35% až 90% a v tomto rozsahu by měl ve vytápění linearizovat závislost TEPELNÉHO VÝKONU na zdvihu kuželky a nikoliv průtoku na zdvihu kuželky. Tento požadavek častěji splňují ventily s ekviprocentní charakteristikou, u kterých se ale vliv výrobní tolerance projevuje více. Vyvažovací ventily matematicky předdefinovanou charakteristiku mít nemusejí.
Kritériem správného návrhu akčního členu regulace je proto též správná volba regulační charakteristiky, která navíc přímo ovlivňuje nutnou čerpací práci, potřebnou k zajištění regulačního procesu.
Obecně lze říci, že regulační charakteristika ventilu je tím vhodnější, čím menší hydraulickou autoritou lze závislost regulovaného tepelného výkonu na zdvihu kuželky linearizovat. Toto hledisko nejméně splňují ventily s lineární charakteristikou, u kterých musíme na zajištění regulačního procesu obětovat více než 50% čerpací práce (tj. tlakové ztráty regulovaného okruhu) a nejlépe jej splňují ventily s charakteristikou rovnoprocentní, nebo s charakteristikou speciální.
V této souvislosti pro zajímavost uveďme speciální regulační charakteristiku OPTIMA TVL, vyvinutou v =CRA= pro regulaci výkonu otopných soustav a vzduchotechnických jednotek při teplovodním vytápění, která plně linearizuje závislost regulovaného tepelného výkonu na zdvihu kuželky již při autoritě a = 0,18.
17. Podmínky optimálního řízení tepelného výkonu s úsporami tepla z tepelných zisků
Obor M+R má po 45 letech od svého vzniku bezesporu "inteligentní" úroveň ve své "elektrické" části. Aby mohl dosáhnout plné úspěšnosti, nemůže celá kvantitativní složka na prahu otopných těles pracovat s náhodnými vztahy mezi řídicími a řízenými veličinami, jak je tomu při klasickém projektování a provozování otopných soustav. Nemohou být používána 45 let stará kritéria navrhování akčních členů regulace, vycházející jen z hydraulických poměrů, bez jakékoliv kontroly a znalosti průběhu regulace tepelného výkonu. Obor M+R nemůže být kritizován za nízkou účinnost a nízké úspory tepla v podmínkách, kdy nezná správné průběhy otopových křivek ani správné průtoky garantující přenos tepla a fyzikálně nesprávné průtoky jsou navíc stabilizovány hydraulickým vyvažováním, přičemž celá tato absurdní situace odborným špičkám zjevně nevadí, nebo si ji vůbec neuvědomují. Obor vytápění je termický a nikoliv hydraulický, jak by se mohlo zdát z odborných publikací a přednášek, téměř výhradně zaměřených na hydraulické parametry soustav, jakoby ve vytápění šlo o úspory průtoku a nikoliv tepla.
Princip každé regulace je založen na komparaci, na porovnání snímaných hodnot s hodnotami, jaké by v daném okamžiku a v daném místě soustavy existovat měly a tyto hodnoty musí obor vytápění oboru M+R poskytovat, jako vstupní data. Neexistuje žádný způsob, jak by bez těchto dat mohl obor M+R šetřit teplo zároveň ze změn klimatických podmínek i z působení tepelných zisků, protože nemá zpětnou vazbu a signál k jejich analýze, s následnou korekcí vyráběné tepelné energie. Neexistuje také možnost kombinace elektronicky řízených regulačních procesů, vyžadujících přesné zajištění vztahů řídicích a řízených veličin, s ručními regulačními zásahy, které tyto vztahy nerespektují a naopak je soustavně porušují. Jsou-li úspory tepla ze zateplování budov průměrně 45%, můžeme k nim optimálním řízením tepelného výkonu přidat dalších cca 40% úspor z tepelných zisků. Zajistit podmínky k těmto úsporám je reálné již dnes.
Soustavy musejí být projektovány a seřizovány podle termohydraulických algoritmů, které lze aplikovat v nově projektovaných i stávajících soustavách zateplených i nezateplených budov. Projekt vytápění musí oboru M+R poskytovat všechny údaje o průtokových i teplotních parametrech teplonosné látky, jak to činí projekt termohydraulický. Akční členy regulace musejí být navrhovány na základě jasně definovaných požadavků na rozsah řízené veličiny v závislosti na řídicí veličině a celý regulační proces musí být akčním členem zajištěn v rozmezí zdvihu kuželky, který eliminuje cyklování okruhu a jeho nestabilitu. Směšovací armatury musejí být navrhovány a instalovány tak, aby nedocházelo k deformaci jejich pracovní charakteristiky, a musíme si uvědomit, že klasická "hydraulická kritéria" promítnutá do klasických požadavků na "hydraulickou autoritu" neplatí u směšovacích armatur už vůbec a například u trojcestných ventilů s kombinovanou charakteristikou může být autorita a = 0,5 vážnou chybou.
Termostatické prvky i čidla musejí být seřízeny na aktivační teploty vzduchu vytápěných místností a na působení tepelných zisků musejí reagovat jasně definovanými změnami signálních hodnot. Kompletním seřízením všech prvků soustavy musí být zajištěna zkoordinovaná činnost obou složek celkové kombinované regulace vytápění a do tohoto seřízení nesmí vstupovat žádný náhodný faktor likvidující regulační princip. Prodavači regulační techniky musejí být upozorněni na doslova destrukční dopad jimi doporučovaných manipulací s regulační technikou, kterými jsou všechny vztahy mezi řídicími a řízenými veličinami regulačních procesů porušovány dokonce do takové míry, že regulační technika pak pracuje i se zápornou účinností, prokázanou jak někdejším "vídeňským" experimentem, tak výsledky současných měření, kdy z bilance vychází záporná účinnost regulace často i v hodnotě -20%. Záporná účinnost regulačních procesů ve vytápění, vznikající nejčastěji zkratovými průtoky, je přitom další rozsáhlou oblastí, které klasické projektování otopných soustav nevěnuje žádnou pozornost.
Zajištěním fyzikálně správných podmínek řízení tepelného výkonu dnes obory vytápění a M+R překročily práh dřívější nízké účinnosti a vstupují do éry skutečných úspor tepla 21. století. Zbývá poslední krok, kterým je zajištění prostředků k tomu, aby termohydraulické soustavy s optimálním řízením tepelného výkonu a s úsporami z tepelných zisků nebyly řešitelné na jednom pracovišti, ale aby tyto soustavy mohli navrhovat opravdu všichni.
18. Závěr
Nový způsob optimálního řízení tepelného výkonu s úsporami tepla z tepelných zisků je založen na zpřesněném projektování otopných soustav a na poskytnutí fyzikálně správných údajů oboru M+R. Úzká spolupráce těchto oborů je garancí nejvyšších úspor tepla při vytápění, kterých bez této spolupráce nelze dosáhnout. Na vymezené ploše článku jsem se snažil poukázat alespoň na hlavní styčné body, ve kterých jsou oba obory nositeli úspor tepelné energie a jsou proto vzájemně neoddělitelné. Návrh skutečně úsporného vytápění vyžaduje, abychom otopné soustavy definitivně přestali vnímat jako "hydraulické" a soustředili se na jejich řádově důležitější parametry.
Podklady
Galád - Výsledky měření parametrů v otopných soustavách.
Ráž - "Optimální řízení tepelného výkonu s úsporami tepla z tepelných zisků, interní informace"
Výstupní data: Superdim ATHG
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.