Návrh tlakové membránové expanzní nádoby podle ČSN EN 12828/2014
Pro řadu aplikací je nutné provést návrh velikosti expanzní nádoby podle ČSN EN 12828/2014, přestože jde o normu právně nezávaznou. V článku je uveden teoretický základ návrhu a konkrétní příklad.
Úvod
ČSN EN 12828+A1 Tepelné soustavy v budovách – Navrhování teplovodních otopných soustav u nás vyšla přímým překladem v r. 2014 a v příloze D. 2 se zabývá výpočtem velikosti expanzní nádoby. Oproti našim zvyklostem nám tato evropská norma vycházející především z původní DIN 4807 částečně nahrazuje ČSN 06 0830 a mění tak i návrh tlakové membránové expanzní nádoby, který již v české normě uveden není. Vzhledem k tomu, že nepatří mezi normy závazné, lze se nadále držet praxí prověřeného původního a zcela vyhovujícího návrhu, pokud nejsme zrovna vázáni evropskými dotacemi a nuceni tak používat pouze evropské normy.
Postup výpočtu
Ze své podstaty musí výpočet vycházet ze stejných fyzikálních principů, a tak je potřeba nejdříve určit expanzní objem Vex. Ten je dán standardně jako součin objemu vody v celé otopné soustavě včetně zdroje tepla Vsystem násobený součinitelem zvětšení objemu e (v našem standardním návrhu je značen n a určí se úplně stejně podle maximálního rozdílu teplot tmax − tmin , tj. pro otopné soustavy teplovodní tmax − 10).
[m3, l]
Vlastní expanzní objem je potřeba zvětšit o tzv. vodní rezervu Vwr , aby docházelo k odpovídajícímu doplňování vody při ochlazení vody v otopné soustavě úměrně tepelné roztažnosti vody. Evropská norma říká, že expanzní nádoby o objemu menším než 15 l mají mít alespoň 20 % expanzního objemu Vex pro vodní rezervu a expanzní nádoby o objemu větším než 15 l mají mít vodní rezervu nejméně 0,5 % celkového vodního objemu soustavy Vsystem , avšak nejméně 3 l.
Nejmenší jmenovitý objem VN,min tlakové membránové expanzní nádoby se stanoví ze vztahu
,
[m3, l]
kde je
- VN,min
- nejmenší jmenovitý objem tlakové expanzní nádoby [m3, l],
- Vex
- vlastní expanzní objem [m3, l] ,
- Vwr,min
- minimální objem vodní rezervy [m3, l],
- p0
- nejnižší provozní tlak (nesprávným překladem normy z angličtiny bylo použito slovo tlak, ale jde o přetlak), nám známý jako pd,dov nejnižší dovolený přetlak [kPa], který se určí u vertikálních otopných soustav s dostatečnou výškou vodního sloupce jako hydrostatický tlak vodního sloupce nad expanzní tlakovou nádobou zvětšený o 5 až 10 %. Nejčastěji však o 10 %.
,
[kPa]
Nebo tam, kde nemáme zaručeno působení hydrostatického tlaku vodního sloupce, tj. u nástřešní kotelny, nebo u zdroje tepla pro etážovou otopnou soustavu, se volí 100 kPa = 1 bar (event. i nižší u nástřešní kotelny s ohledem na tlakové namáhání prvků otopné soustavy v nejspodnějších částech soustavy).
pfin konečný tlak (opět chybný překlad, má být přetlak) je roven nejvyššímu provoznímu přetlaku ph [kPa], který můžeme určit jako otevírací přetlak pojistného ventilu psv = pot minus bezpečné pásmo (většinou 50 kPa = 0,5 bar) určené při nastavování vypínacího přetlaku při dopouštění.
Norma uvádí ještě vztah pro výpočet velikosti expanzní nádoby s řízeným přetlakovým systémem a kompresorem, nebo čerpadlem. To je však zastaralý systém, a pokud si to tvůrci normy snad zaměnili s automatickým expanzním zařízením (expanzní automaty např. Reflex, Olymp atd.), tak to musíme navrhovat jednoznačně podle pokynů výrobce a nikoli podle níže uvedeného vztahu.
,
[m3, l]
kde je
- η
- stupeň využití expanzní nádoby s přetlakovým systémem [–].
Po výpočtu nejmenšího jmenovitého objemu expanzní nádoby volíme nejbližší vyšší objem expanzní nádoby v rámci výrobní řady tlakových expanzních nádob.
[m3, l]
U tlakových membránových expanzních nádob musí být splněna ještě podmínka, že počáteční tlak soustavy pini (opět nesprávný překlad, jedná se o přetlak), tj. náš nejnižší provozní přetlak pd, vyhoví následujícímu vztahu.
[kPa]
Správný návrh expanzní tlakové nádoby je zajištěn, pokud splníme níže uvedenou nerovnost. Pokud ne, pak bychom podle normy měli zvětšovat jmenovitý objem expanzní nádoby VN, dokud není dosaženo stanovené podmínky.
[bar, kPa]
Pokud není dána nejnižší přípustná teplota vody pro doplňování či jiný způsob udržování stavu vody v otopné soustavě, lze doplňovací přetlak pfil stanovit takto.
[kPa]
Tzv. doplňovací přetlak je vlastně spínací hodnota přetlaku, na které se doplňování vody ukončí, aby již nadále v otopné soustavě nerostl přetlak. Jedná se o nastavení automatického doplňovacího zařízení. Pro přehlednost uveďme obrázek přetlaků v otopné soustavě značených vlevo podle „nové“ EN a vpravo podle původních zvyklostí.
Obr. 1 Značení přetlaků v otopné soustavě
pPAZ = pom – nastavovací přetlak omezovače tlaku; ostatní legenda viz text výše
Příklad
Mějme vertikální dvoutrubkovou otopnou soustavu v podsklepeném pětipodlažním činžovním domě, kde je ve sklepě umístěn kondenzační kotel spolu s tlakovou membránovou expanzní nádobou. Teplotní parametry otopné soustavy jsou projektovány tw1/tw2 = 55/40 °C. Výška vodního sloupce od středu expanzní nádoby do nejvyššího místa otopné soustavy h = 15 m. Objem vody v celé otopné soustavě včetně navrženého kotle Vsystem = 578 l. Otevírací přetlak pojistného ventilu je psv = 300 kPa.
Součinitel zvětšení objemu nám podle maximálního rozdílu teplot vyjde následovně:
.
Vlastní expanzní objem činí:
.
Nejnižší provozní přetlak určíme jako:
.
Konečný přetlak pfin = ph navrhneme jako otevírací přetlak pojistného ventilu snížený o 50 kPa.
Vodní rezervu Vwr určíme z celkového vodního objemu otopné soustavy jako 0,5 %, neboť předpokládáme, že objem expanzní nádoby bude větší než 15 l.
Vodní rezerva je však nejméně 3 l a s těmi budeme dál počítat.
Nejmenší jmenovitý objem VN,min tlakové membránové expanzní nádoby se stanoví ze vztahu
Výrobní řada nám nabízí tlakové membránové expanzní nádoby 35, 50, 80 l. Volíme proto expanzní nádobu 50 l. Nyní je potřeba zjistit počáteční přetlak soustavy pini, tj. náš nejnižší provozní přetlak pd.
Počáteční přetlak soustavy vypočteme ze vztahu
Správný návrh expanzní tlakové nádoby je zajištěn, pokud splníme níže uvedenou nerovnost. Pokud ne, pak bychom měli podle EN zvětšovat jmenovitý objem expanzní nádoby VN, dokud není dosaženo stanovené podmínky.
Počáteční přetlak nám vyšel menší než požadovaný, a tak bychom měli volit tlakovou expanzní nádobu 80 l.
S 80 l expanzní nádobou byl požadavek splněn.
Závěr
Problém, na který u evropské normy narážíme, je právě podmínka, kdy přičítáme 0,3 bar a která způsobuje, že jsou expanzní tlakové nádoby zbytečně předimenzované. Například podle našeho původního návrhu by vyšla velikost expanzní tlakové nádoby pro náš příklad 40 l a byla by zcela dostačující. Nikde není zdůvodněno, proč tvůrci normy přičítají do kritické podmínky právě 0,3 bar. Proč to není např. 0,25 bar, kdy by expanzní nádoby vycházely stejně, jako podle našeho, generace úspěšně používaného, návrhu? Je to logické, neboť 0,3 bar nejde obecně pro všechny případy zdůvodnit. Proto bylo zřejmě střeleno od boku číslo, které je významně na straně bezpečnosti z hlediska zavzdušňování otopných soustav, ale pro všechny otopné soustavy není zdaleka stejně relevantní. Sám za sebe musím konstatovat, že jsem s touto částí evropské normy poněkud nespokojen.
Jiný způsob návrhu
Návrh expanzní nádoby, který sice nerespektuje požadavky ČSN EN 12828+A1 Tepelné soustavy v budovách – Navrhování teplovodních otopných soustav, ale který se osvědčil v praxi, je popsán v článku „Návrh tlakové expanzní nádoby“ na TZB-info.
For many applications, it is necessary to design the size of the expansion vessel according to CSN EN 12828/2014, although it is a legally non-binding standard. The article presents the theoretical basis of the proposal and a specific example.