Vliv tepelných ztrát rozvodů a ochlazování otopné vody na návrh otopné soustavy

Úvod

Článek se zabývá vlivem tepelných ztrát rozvodů (dále TZR) do okolí a s tím souvisejícího chladnutí vody v potrubí na dimenzování dvoutrubkové protiproudé otopné soustavy (dále OS).

Při klasickém návrhu otopných soustav s TZR není uvažováno a tím pádem se navrhuje s konstantními teplotami po celé OS, což není fyzikálně zcela přesné [1, 2, 3]. Vliv TZR je v klasickém výpočtu kompenzován stejně jako u dalších nepřesností volbou vyššího výkonu tělesa, než je vypočítaná tepelná ztráta místnosti. Ve skutečnosti k TZR dochází a díky jejich zanedbání ve výpočtech může u některých soustav docházet k chybným stavům. Ty se projevují zejména v rozsáhlejších OS s vyššími počátečními teplotami vody, ale ani u nízkoteplotních OS nemusí být odchylky zanedbatelné. Příkladem chybných stavů je například nedotápění nejvzdálenějších otopných těles (dále OT) od zdroje tepla, protože naprojektovaná výroba tepla z klasického návrhu je nedostačující a teplo, které je předáno v podobě TZR při cestě do okolí, musí zákonitě na cílových místech chybět. Problém je řešen zvýšením počáteční teploty a tvorbou většího množství tepla, což vede k neekonomickému provozu. Díky tomuto problému dochází k diskomfortu obyvatel v jednotlivých prostorech a neefektivnímu návrhu a provozu z hlediska ekonomiky i energetické náročnosti.

Analýza problému

Obr. 1 Schéma referenční otopné soustavy
Fig. 1 Diagram of the reference heating system

Na referenční OS (viz obr. 1) bylo namodelováno chování OS při uvažování TZR, pokud byla OS navržena klasickým výpočtem a stabilizována na průtoky z tohoto výpočtu. Skutečné chování OS při klasicky navržených a nastavených hmotnostních průtocích je řešeno v následujících variantách.

Var. A – rozvody s tepelnou izolací (s TI) dle [4] (s_TI = 30 mm), např.: novostavba.
Var. B – rozvody bez tepelné izolace (bez TI), např.: rekonstrukce zateplení obálky objektu, OS stávající:

• původní OT 950 W – teplotní rozdíl OS 90/70 °C,
• OT po zateplení 700 W – teplotní rozdíl OS 75/60 °C,
• rozvody vedeny mimo vytápěný prostor.

Tyto varianty byly porovnávány s výsledky z klasického výpočtu.

Obr. 2 Teplota na konci úseku – přívodní potrubíbr />Fig. 2 Temperature at the end of the section – supply pipe

Obr. 3 Teplota na začátku úseku – vratné potrubí
Fig. 3 Temperature at the beginning of the section – return pipe

Na obr. 2, resp. obr. 3 jsou znázorněny skutečné teploty přívodního, resp. vratného potrubí na konci, resp. na začátku jednotlivých úseků.

Z výsledků je patrné, že skutečné teploty nejsou takové, jaké byly v klasickém výpočtu uvažovány. Pokles teplot se zákonitě musí projevit snížením předávaného výkonu jednotlivých OT, protože se vzdáleností od zdroje tepla klesá střední teplota na OT. Poklesy výkonů OT jsou znázorněny procentuálně na obr. 4.

Obr. 4 Tepelný výkon OT
Fig. 4 Heat output OT

Z výsledků vyplývá, že výkon OT se při klasickém návrhu odchyluje se zvětšující se vzdáleností od zdroje tepla od požadovaného výkonu. Z tohoto důvodu může docházet k nedotápění, i když jsou otopná tělesa navržená o 1 až 10 % vyšší, než jsou tepelné ztráty prostoru.

Návrh řešení

Obr. 5 Schéma pro rovnici tepelné ztráty úseku potrubí
Fig. 5 Diagram for heat loss equation of a pipe section

Navrhovaný výpočetní model zohledňuje důsledky TZR a skutečné teploty v jednotlivých bodech OS. Model je založen na zvolené požadované teplotě na počátku soustavy a zvolené koncové teplotě teplonosné látky, která se vrací do zdroje tepla. Ostatní teploty jsou dopočítávány z chladnutí teplonosné látky po trase v důsledku tepelných ztrát do okolí a hmotnostních průtoků v daných úsecích. Skutečné hmotnostní průtoky pak odpovídají zmenšujícímu se teplotnímu spádu se vzdáleností od zdroje. Zákonitě tedy musí být větší než při klasickém výpočtu. V každém bodě OS platí obecně:

Každý úsek je tedy popsán rovnicí pro přívodní, resp. vratné potrubí:

kde je

Q

tepelná ztráta úseku [W],

m

hmotnostní průtok [kg/s],

c

měrná tepelná kapacita [J/(kg.K)],

t₁

teplota vody na počátku úseku [°C],

t₂

teplota vody na konci úseku [°C],

t_i

teplota okolí [°C],

L

délka úseku [m],

U

součinitel prostupu tepla vztažený na jednotku délky, viz [4] [W/m.K].

OT jsou tedy navrhována na skutečné teploty a také je uvažováno s tím, že se TZR podílejí na vytápění jednotlivých vytápěných prostor. Takto navržená OS má přesnější hodnoty hmotnostních průtoků pro extrémní návrhové podmínky, na které je poté hydraulicky vyvážena.

Analýza řešení

Porovnání výsledků výpočtu OS klasickým návrhem oproti návrhu s ochlazováním vody a TZR bylo provedeno na referenční OS, viz obr. 1. Pro znázornění důležitosti tepelné izolace byl výpočet s ochlazováním proveden ve dvou variantách:

Var. 1 – rozvody s tepelnou izolací (s TI) dle [4] (s_TI = 30 mm).
Var. 2 – rozvody bez tepelné izolace (bez TI).

Obr. 6 Teplota na konci úseku – přívodní potrubí
Fig. 6 Temperature at the end of the section – supply pipe

Obr. 7 Teplota na konci úseku – vratné potrubí
Fig. 7 Temperature at the end of the section – return pipe

Pro přehlednost je uvažováno s tím, že vytápěné prostory nejsou dotovány TZR, které v tomto případě vedou v jiném prostoru. Na obr. 6 a 7 je vidět, o kolik poklesne teplota směrem od zdroje tepla k jednotlivým OT na přívodním potrubí a o kolik poklesne na vratném potrubí směrem od OT ke zdroji.

Tyto důsledky zmenšujícího se teplotního spádu směrem od zdroje pak musí být zohledněny v hmotnostních průtocích. Jejich procentuální nárůst oproti průtokům vypočítaným klasickým návrhem je zobrazen na obr. 8.

Obr. 8 Porovnání hmotnostních průtoků v úsecích
Fig. 8 Comparison of mass flow rates in sections

Z obr. 8 je patrné, že hmotnostní průtoky vychází rozdílně při uvažování ochlazování otopné vody oproti klasickému výpočtu. Dále také je vidět, že na rozdílné výsledky má vliv izolace rozvodů (výsledky Var. 1 oproti Var. 2), proto by se měla řešit kvalita izolace již v dimenzování OS.

Dalším, čeho si můžeme všimnout při výpočtu s ochlazováním a co v klasickém výpočtu není řešeno, je, že všechny tři stejně velká OT nemají stejný hmotnostní průtok. Zde je to dáno tím, že OT jsou v jiné vzdálenosti od zdroje tepla. S rostoucí vzdáleností se voda cestou více ochladí, a to znamená menší teplotní spád. Z tohoto důvodu pak na úseku E-E´ vychází vyšší průtok než na úseku B-B´ i D-D´.

Odchylky hmotnostních průtoků, které jsou patrné z obr. 8, budou mít vliv na nastavení regulačních ventilů, vyvažovacích ventilů a oběhových čerpadel.

Závěr

V článku bylo poukázáno na odchylky, které způsobuje dimenzování OS klasickým způsobem, v němž nejsou zohledněny poklesy teplot po trase a vliv tepelných ztrát rozvodů. Dále byl ukázán možný přístup k návrhu OS, tak aby nedocházelo k nedotápění jednotlivých prostorů, které mohou TZR způsobovat. Při navrhování otopných soustav by měly být zohledněny vlastnosti a tloušťka tepelné izolace potrubí, a to již při výpočtu dimenzování OS a návrhu OT. Z grafů jsou patrné značné rozdíly mezi OS bez tepelné izolace a OS s tepelnou izolací dle [4].

V článku byla pro referenční OS použita maximální počáteční teplota, kterou povoluje [4]. Je samozřejmé, že s nižšími teplotami se sníží TZR a tím se sníží i odchylky teplot a hmotnostních průtoků od výsledků z klasického výpočtu. Jaké jsou velikosti odchylek hodnot při nízkoteplotních OS, bylo namodelováno v [1].

Použité zdroje

1. SPURNÝ, Jakub: Vliv ochlazování topné vody při návrhu otopné soustavy. Praha, 2016. Diplomová práce. ČVUT v Praze.
2. RÁŽ, J. V., CENTROTHERM. [online]. 15. 6. 2016. Dostupné z: http://www.usporyteplaets.cz/
3. CIHELKA, J. a kol., ISBN Vytápění, větrání a klimatizace. Praha: STNL, 1985.
4. Vyhláška č. 193/2007 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu.