Sofistikovaná optimalizace otopných soustav po zateplení otvorových výplní či pláště budov
Sofistikované řešení otopných soustav vede k tomu, že když se jednou a v jakémkoliv stádiu zateplení správně osadí TRV a seřídí a současně se instaluje sofistikovaně řešená předávací stanice, která „umí“ připravit a hlavně udržet požadované parametry v průběhu celé otopné sezony, pak již do doby životnosti otopné soustavy (vč. stanice) není třeba nic rekonstruovat a jiného řešit, než správně upravit teplotní a hydraulické parametry v této stanici.
ÚVOD
Valná většina domů byla již před zateplením osazena termostatickými ventily a patní regulací, což přineslo i negativní jevy, zejména hlučnost vícero typů a druhů. Příčiny jsou známy - seřízené hodnoty jsou poplatné statickému projektování, tj. provozní stavy jsou řešeny staticky a stejnými postupy, kterými se dimenzují velikosti otopných ploch a rozvodů, vč. nastavení armatur. Zásadním nedostatkem je při statickém projektování to, že se řeší výkon tělesa a průtoky otopné vody na základě jmenovitých hodnot, tj. podle tepelných ztrát a jmenovitého teplotního spádu, což je správně pouze pro konstrukční návrh otopné soustavy. Takto se, bohužel, nechová žádná dynamická otopná soustava. Proto osazení otopné soustavy regulační technikou neposkytuje všechny výhody, které bychom mohli očekávat, zejména pak úspory tepla.
V dalším stupni se negativní jevy začaly odstraňovat osazováním dalších omezovačů na patách stoupaček a domů, které však nejsou schopny regulovat dynamické stavy. Veškeré tepelné zisky "narušují" chod otopné soustavy a zavádějí do provozu vždy nějakou chybovou veličinu, kterou nelze kompenzovat statickými omezovači.
Vývoj řídící a regulační techniky v energetice a teplárenství je v současné době plně odvislý od aktivit v oborech stavební techniky a fyziky, jelikož se pomocí zateplování (izolace fasád, kvalitnější okna z hlediska ztrát tepla a infiltrace) neustále snižují tepelné ztráty objektů. Řada investorů řeší zateplení několikafázově a s různými časovými prodlevami mezi jednotlivými fázemi. Začínají například zateplením severní fasády, pokračují výměnou oken a dokonce tak, že to ve stejném domě (paneláku) učiní jen ti, kteří mají na to finanční prostředky. Totéž často platí i o osazení termostatických ventilů. Pak se stává, že jsou na jedné stoupačce zcela rozhozené všechny parametry pro hospodárný provoz. Jiní investoři naopak zateplují komplexně, ale neřeší otopnou soustavu vůbec.
Tento trend silně působí na provoz otopných soustav, které jsou ponechány prakticky vždy po zateplení ve stejné podobě, tedy jsou zachovány stejné plochy, potrubí a jejich dimenze, vč. i seřizovacích armatur.
Výsledkem je "divoká" směs požadavků na ekvitermní teplotu otopné vody. Společný zdroj tepla (teplárna, kotelna, atd.) však nemůže poskytovat jiné parametry, než ty, které vyhovují nejméně zateplenému objektu. Všichni ostatní jsou zásobováni fyzikálně přebytečnými parametry (vysoké teploty otopné vody). Důsledkem je prudké snižování průtoků vody oproti původnímu stavu, což vede k naprostému "rozvrácení" termohydraulických podmínek v otopné soustavě, a to se všemi negacemi - opět hlučnost, nedosažení očekávaných úspor (0 - 12 % oproti možným až 40 %). Další úspory by měly být také v důsledku zateplení. Tedy správným seřízením otopné soustavy na bázi termohydraulických výpočtů lze "vytěžit" všechny dostupné úspory. Pasivní úspory v důsledku zateplení a aktivní úspory v důsledku správně fyzikálně řešeného osazení a seřízení otopných soustav.
Dokonce sofistikované řešení otopných soustav vede k tomu, že když se jednou a v jakémkoliv stádiu zateplení, správně osadí TRV a seřídí a současně se instaluje sofistikovaně řešená předávací stanice, která "umí" připravit a hlavně udržet požadované parametry v průběhu celé otopné sezony, pak již do doby životnosti otopné soustavy (vč. stanice) není třeba nic rekonstruovat a jiného řešit, než správně upravit teplotní a hydraulické parametry v této stanici.
ČLENĚNÍ ÚSPOR TEPLA
V posledních 20 letech se rapidně rozvíjela nejen regulační technika v otopných soustavách, ale také se prudce zvýšily požadavky na úspory energií pro vytápění.
Úspory lze dosahovat v zásadě dvěma významnými postupy:
a/ Pasivní úspory, tj.
snižováním tepelných ztrát zateplením konstrukcí a výplní otvorů, což je zpravidla opláštění fasády tepelně-izolačními deskami či rohožemi, ev. dalšími technologiemi a třeba u oken je to volba dvojího či trojího zasklení v několikakomorovém rámu okna. Pojem pasivní byl zvolen proto, že se jedná o jednorázové opatření, které je statické.
b/ Aktivní úspory, tj.
fyzikálně správným řízením tepelně-technických parametrů na patě domu a také správným seřízením všech seřizovacích armatur na patě domu a stoupačky, a také na tělesech. Aktivní v pojetí vytápění se rozumí to, že se použije taková technologie, která reaguje dynamicky na dynamické chování otopných soustav.
Jak ukazuje praxe, oba způsoby mají značný potenciál úspor. Pasivní úspory zateplováním mohou dosahovat podle druhu a rozsahu zateplení až 40, či 45 % původní spotřeby tepla, ale aktivní úspory jsou srovnatelné, pokud máme v budově tepelné zisky.
Zateplená fasáda a výplně tedy významně snižují tepelné ztráty z místností a v létě lépe chrání proti pronikání tepla zvenčí dovnitř, tedy snižují i požadavky na chlazení.
Tepelné zisky mohou být způsobeny jednak z oslunění fasády a také pronikáním slunečního záření průsvitnými konstrukcemi do místností. Sluneční záření může činit 300 - 600 W/m2 plochy okna. Závisí na roční době a poloze objektu vůči Slunci.
Existují také významné vnitřní zisky tepla, které vznikají při domácí činnosti, což mohou být například žehličky s příkonem třeba 1000 W, ale také sporáky s příkonem všech hořáků až 12 kW, nebo třeba televizor s plazmovou obrazovkou o úhlopříčce 100 cm může mít výkon až 400 W. Každá přítomná osoba "topí" v bytě výkonem cca 100 W. K tomu můžeme připočítat další spotřebiče, jako svícení, počítače, atd.
T uvedeného vidíme, že vnitřní tepelné zisky mohou být v domácnosti vysoké a pokud se sečtou například na jaře s osluněním, pak mohou dosahovat v určitých částech dne i více jak 100 % tepelných ztrát. Vždyť po zateplení mají některé místnosti tepelné ztráty menší než 500 W při výpočtové venkovní teplotě například - 12 °C, ale když je venku tepleji, třeba při +7 °C jsou ztráty již jen cca 40 %, tedy asi 200 W. Takové ztráty již může hradit metabolizmus dvou osob.
Obecně se uvádí u předchozí výstavby a vcelku objektivně, že tepelné zisky mohou dosahovat kolem 40 % tepelných ztrát. Jde o průměrné orientační číslo. U pasivních domů, tedy velmi dobře zateplených domů jsou zisky až na úrovni 60-90 % tepelných ztrát.
Sice menší, ale asi 5 - 7% podíl úspor je také možné získat tím, že se po zateplení fasády a okna lepším zasklením a rámem zvýší povrchová teplota stěn až o 2 °C (také vnitřního skla). Toto umožňuje také snížit teplotu vzduchu v místnosti, jelikož je pocit tepelné pohody vytvářen teplotou vzduchu a teplotou okolních stěn. Čím je vyšší teplota stěn, tím může být nižší teplota vzduchu. To má význam právě při větrání místností, kde stačí ohřívat vzduch na teplotu o 23 °C nižší, než před zateplením.
Příklad zateplení a zvýšení povrchové teploty o 2,2 °C (tai je vnitřní teplota vzduchu, tae je venkovní teplota vzduchu, tpi je povrchová teplota, R znamená odpor konstrukce či přestupu tepla).
Proč tak dlouhé vysvětlování potenciálu úspor?
Jde o to, abychom si lépe představili všechny možnosti úspor, tedy nejen ty úspory, které jsou nabízeny odbornými firmami na zateplení domů, ale i ty úspory, které lze docílit kvalitní a sofistikovanou optimalizací spotřeby tepla v otopných soustavách.
SOUČASNÝ STAV HOSPODAŘENÍ TEPLEM
Čtenář si možná klade otázku: "Proč hovořit o sofistikovaných úsporách, když za účelem dosažení úspor přeci provádíme osazení těles v otopných soustavách termostatickými ventily s hlavicemi a na patách stoupaček a patách domů osazujeme regulátory a seřizovací armatury?"
Jsem přesvědčen, že řada čtenářů má zajisté osobní zkušenosti s tím, že i po zateplení budovy a seřízení otopné soustavy nebylo dosaženo očekávaných úspor 45 %, ale není výjimkou, že se úspory nedostavily vůbec, anebo jenom kolem 12 %. Prostě značné prostředky mají prodlouženou návratnost či nemají skoro žádnou.
Existují i příklady, kde dochází k úsporám 25-35 %, ale i to je však stále málo oproti potenciálu, který se dá využít pasivními a aktivními úsporami. To je stav v těch lepších případech, ale v počátcích zateplování (jako i program Panel) se téměř vůbec nevěnovala pozornost změně kvality otopných soustav po zateplení, anebo jen minimální.
A jaké jsou průvodní jevy podobného přístupu? Lze je shrnout do několika bodů:
- hlučnost (vlivem nevhodných teplotních a tlakových parametrů)
- nedosažení předem očekávaných 40 % úspor tepla z tepelných zisků
- umožnění značného přetápění (není výjimkou i 26 °C v bytě
- omezení průtoků po zateplení na 1/4 - 1/6, čímž se de facto vyřazují z funkce automatické regulátory diferenčního tlaku, bývají trvale otevřené a tím ztrácejí svůj význam
- narůstá nestabilita a nepravidelnosti v regulaci (až divoké teplotní a tlakové amplitudy - hlučnost)
- deformují se charakteristiky použitých seřizovacích armatur, jelikož pracují na pokraji nebo mimo optimální podmínky
- zvyšují se tepelné ztráty v potrubí a klesají koncové vstupní teploty do otopných těles
- nedostatečné poučení či proškolení uživatelů termostatických ventilů
- nesprávné nastavení hlavic na TRV zabraňují využití tepelných zisků
- a řada dalších věcí, jako je hydraulická nestabilita, když v zimě více "topí" vyšší patra a spodní mají chladno a na jaře naopak
Pro zvídavější čtenáře si uveďme, co se děje v otopné soustavě po zateplení, pokud nejsou provedena správná, sofistikovaná opatření uvnitř soustavy a na vstupu do objektu. Jde o skutečný objekt, který byl zateplen a osazen regulační technikou a přesto nemůže fungovat správně. Má všechny výše popsané neduhy.
Příklad z praxe:
V dané lokalitě je při venkovní teplotě te= -12 °C dána výpočtová teplota topné vody 81 °C. Po snížení tepelných ztrát na 45 % musí být snížena střední teplota otopné vody na ts = 55 °C. Abychom zajistili příkon 96 kW při vstupní teplotě 81 °C a střední teplotě těles 55 °C, musela by být teplota vratné vody tz = 38,15 °C a průtok 0,535 kg.s-1 (1930 kg/h). To znamená teplotní spád (81-38,15) = 42,85 °C, namísto původních 90/70 °C, tedy 20 °C. Původní průtok vody činil 9 145 kg/h. Z porovnání vyplývá snížení průtoku v poměru 9145/1930 = 4,74 x!!!!! Hydraulické odpory klesnou na cca na 1/23, tj. asi 4,5 % původních. Podíl samotíže vzroste asi 1,55 x, což se projeví v "rozhození" hydraulické stability.
Co tedy s tím dělat?
Kdybychom podle klasických postupů projektování seřídili danou soustavu na původní parametry dodavatele tepla, musíme přeregulovat všechny TRV a stoupačky i na patě domu na podstatně menší průtoky. V našem případě na průtok na patě domu 1930 kg/h oproti původnímu průtoku před zateplením, tj. 9145 kg/h.
Co se stane, když teplárna sníží teplotní parametry? (může nastat, když všichni odběratelé zateplí své domy). Odpověď je jednoduchá, sníží se výkon těles, a pokud je to pod úroveň požadovanou po zateplení, to nemůžeme připustit, jinak by byla zima v bytě. Proto nic nezbude, než provést znovu hydraulické výpočty všech těles a armatur a všechno znovu seřídit na nové průtoky. A to také stojí nemalé náklady.
Existuje lepší řešení?
Abychom mohli hovořit o lepším, tedy sofistikovaném řešení, nestačí dosavadní termická regulace otopné vody, známá pod pojmem ekvitermní regulace, problém je jen v tom, aby projektované parametry byly dodržovány - a to zajišťuje právě technologie SOOS. Ekvitermní regulace zabezpečuje pouze to, že zajistí ohřev otopné vody podle venkovní teplot, tedy vznikne otopná křivka. Například to může být teplota otopné vody 63 °C při venkovní teplotě 0 °C, dále 81 °C při venkovní teplotě -12 °C a třeba 49 °C při venkovní teplotě 9 °C. To znamená, že do těles proudí upravená teplota vody tak, aby byla v místnostech příjemná teplota. Jenže v místnostech působí tepelné zisky, které snižují potřebu tepla z těles a není-li soustava termohydraulicky vyvážena, pak zde již narážíme na problém. Pomocí prosté ekvitermní regulace na patě domu neumíme zajistit snížený příkon tepla do budovy, pokud máme reagovat na místně odlišné tepelné zisky (oslunění sever-jih, vaření, atd). Řídící veličinou je jenom venkovní teplota. A při stejné venkovní teplotě za jasného dne třeba +5°C Slunce skrze okna dodá více energie než když je při stejné teplotě zataženo. To je z hlediska teplot.
Druhým neduhem je fakt, že každý regulátor diferenčního tlaku na patě domu omezuje tlakový rozdíl, aby se tlaková energie nepřenášela na ventily těles a soustava nehlučela. Jenže v okamžiku, kdy se projeví tepelné zisky, průtok se při dané ekvitermní teplotě vody snižuje a zákonitě by se měl snižovat i tlakový rozdíl na patě domu. Jenže, když je regulátor nastaven na konstantní tlak, který je vyšší než potřebný, pak z tohoto důvodu do otopné soustavy proudí více vody, která proteče otevřenými ventily, což je běžný jev u klasicky vyprojektované otopné soustavy. Tedy ani toto opatření není plně dostačující pro sofistikované řešení.
Jak je vidět, nestačí k řešení pouze stabilizace tlakových parametrů, které by měly být dynamické a také nestačí prostá ekvitermní regulace, ať již prostřednictvím výměníkové či směšovací stanice.
Nyní lze říci, že existuje zcela odlišný přístup k regulaci a řízení parametrů otopné vody, které bezpečně zajišťuje úsporný, nehlučný a prakticky značně pokrokovější provoz otopné soustavy zatepleného domu. Technologie odstraňuje všechny výše popsané nedostatky a je schopna zajistit úspory tepla.
Jde tedy o Sofistikovanou Optimalizaci Otopné Soustavy po zateplení - SOOS.
Tato technologie je řešena na bázi termohydraulického seřízení soustavy a na bázi programovatelného regulátoru, ve kterém jsou implantovány algoritmy, vedoucí k rozpoznání výše popsaných nedostatků a kvalitnějšímu řízení provozu. Snímače parametrů a program průběžně s vysokou četností snímají a vyhodnocují kvalitu vytápění a průběžně přizpůsobují a stabilizují potřebné vstupní parametry do otopné soustavy vytápěného objektu. Tato technologie zabezpečuje:
- automatický naprogramovaný chod
- kontroluje tlakové podmínky a hladiny vody v soustavě
- automaticky doplňuje stav vody
- může dle potřeby vyhlašovat alarmy a zasílat je na příslušné místo prostřednictvím GSM
- rozpozná stav dodávky tepla a dle toho například odstavuje čerpadlo
- zaznamenává relevantní údaje pro statistiku, z níž lze odvodit mnoho dalších výpočtů pro potřeby sledování efektivnosti, spotřeby tepla, vyhodnocení dalších parametrů, atd.
- v místě s internetovou přípojkou lze provádět úpravy programu na dálku, číst a zadávat data
- je prakticky bezobslužná - občasný kontrolní dohled
- pracuje jen v otopném období, při odstávce zabezpečuje protočení čerpadla
Největší výhodou SOOS technologie není jen úspornost, ale zejména fakt, že ji lze nainstalovat a jednou pro vždy zabezpečit všechny potřebné parametry pro hospodárný a technicky vyspělý provoz otopné soustavy.
SOOS lze instalovat v jakémkoliv stádiu provozu otopné soustavy budovy, tedy jak v době bez jakéhokoliv zateplení, při částečném zateplení či při plném zateplení. Jediným úkolem po každém stádiu zateplení je úprava vstupních parametrů, které se vloží do regulátoru. Není třeba již nic dalšího seřizovat a dělat nové projekty na seřízení, tedy ani termostatické ventily a ani paty stoupaček či domu. Stačí jedno seřízení před nebo při instalaci SOOS. Není zapotřebí také provádět rekonstrukce otopných soustav, pokud nejsou zastaralé a vadné.
Další velkou výhodou je také to, že není třeba vůbec přeregulovávat otopnou soustavu na tělesech a patách, pokud dojde ze strany dodavatele k úpravě dodavatelských otopných ekvitermních křivek. Z příkladu je patrné, že by se bez SOOS musel provést přepočet a nové seřízení. U SOOS stačí opět změnit pouze vstupní parametry.
Další velkou výhodou je také to, že není třeba vůbec přeregulovávat otopnou soustavu na tělesech a patách, pokud dojde ze strany dodavatele k úpravě dodavatelských otopných ekvitermních křivek. Z příkladu je patrné, že by se bez SOOS musel provést přepočet a nové seřízení. U SOOS stačí opět změnit pouze vstupní parametry.
Technologie byla již odzkoušena na zatepleném panelovém domě o 13 podlažích se 138 byty (4 vchody) po dobu jednoho roku, kde byly snímány technické hodnoty v intervalech 12 minut a pravidelně vyhodnocovány v týdenních cyklech.
Výsledky prokázaly, že je tato technologie dokonalejší, než dosavadní řešení prostými regulátory a v daném paneláku byly po ročním provozu dosaženy významné úspory. Dále uvádím výsledky ze zprávy projednané na schůzi družstva.
V přiložených grafech je hodnocena spotřeba roku 2006 jako výchozí, kdy po zateplení byla spotřeba tepla 2230 GJ/rok a tuto spotřebu považujeme za výchozí. V roce 2007 byla spotřeba nižší, zřejmě vlivem již započatého seřizování armatur na patách stoupaček. Přes veškerou snahu se však podařilo snížit spotřebu tepla jen na 1930 GJ/rok.
V průběhu 1. pololetí roku 2008 byly prováděny další dílčí regulace a ruční omezování nadbytečného tepla ze sítě dodavatele. Teprve po instalování nové sofistikované technologie a seřízení soustavy bylo docíleno automatickým řízením značného snížení spotřeby na 1410 GJ/rok 2008 (přesto, že byla významnější opatření provedena až na podzim roku 2008).
Přiložené grafy vyjadřují poměrné hodnoty, tedy rok 2006 je považován za 100 % a rovněž počet denostupňů v tomto roce je 100 %. Další roky jsou vztaženy na stejnou zimu pomocí měrné spotřeby tepla v GJ/denostupeň a vše je porovnáno v procentech.
 |
 |
Z prvního grafu vidíme, že zima roku 2008 byla jen o necelé 2 % mírnější, než v roce 2006
Jak je však patrné z druhého grafu, klesla po instalaci sofistikované technologie měrná spotřeba tepla v jednotkách GJ/denostupeň ze 100 % v roce 2006 na 64 % stavu z roku 2006. Tedy vidíme úsporu 36 % tepla, ale v roce 2007 to bylo jen 6 %!!!
ZÁVĚR
Jak ukazují výsledky, zlepšování tepelně-technických vlastností vede ke snižování tepelných ztrát a tedy i ke snižování spotřeby tepla. Určitou vadou zůstává nedostatečné využívání a získávání veškerého možného potenciálu tepelných úspor, na které již nestačí jenom "omezovače průtoků a tlaků" v jakékoliv podobě. Chceme-li vytěžit z potenciálu maximum, musíme nastoupit cestu sofistikovanějších řešení, která zajistí průběžně fyzikálně správné parametry pro kvalitní a úspornou funkci otopných soustav. Návratnost investice do technologie SOOS může být od necelého roku do dvou let!
Použití technologie SOOS se doporučuje i pro nezateplené domy, ale zejména by se měla instalovat jako součást realizace zateplování, jelikož náklady na vybavení se mohou pohybovat podle velikosti objektu do pár statisíců oproti rekonstrukci, která může být řádově až pár miliónů a samotné zateplení až desítky miliónů. Konkrétní náklady se pak stanovují podle konkrétního projektu a také závisí na tom, zda je nezbytné kromě jiného provést řešení tlakově nezávislé na zdroji tepla.
Promítneme-li uspořené teplo z výše popsané aplikace do finanční polohy, je stav následující:
Za rok 2008 bylo ušetřeno o něco více než 500 GJ oproti roku 2007. Při průměrné ceně 610.- Kč/GJ se ušetřilo celkem 305 000.- Kč. Prostá návratnost investice byla 1 a 1/4 roku, tedy prakticky již v první otopné sezóně.
RECENZE
Sofistikovaná optimalizace otopných soustav, navrhovaná autorem článku, je technicky propracovaným řešením hospodaření s tepelnou energií, které odstraňuje známé nedostatky a posouvá ekonomiku vytápění budov k hranici fyzikálně dosažitelných úspor tepla při zachování požadované vnitřní teploty místností. Článek je zpracován odborně, je přístupný projektantům, zástupcům SBD i SVJ a srozumitelnou formou dokládá potenciál významných úspor tepla na konkrétních příkladech.
Recenzent: Jiří Ráž
Sophisticated heating solutions lead to the fact that if at any given stage of the thermal insulation a TRV is properly fit and adjusted and, at the same time, a sophisticated substation solution is installed, one that will “know” how to prepare and maintain the required parameters, mainly during the heating season, then there will be nothing to renovate or solve during the lifespan of the heating station, other than adjusting the temperature and hydraulic parameters correctly.