Kombinovaná regulace ústředního vytápění a úspory tepla – 1. část

Výpočty byly provedeny pro aktuální teplotní parametry vody v systémech CZT

Závislosti teplot vody a odpovídajícího výkonu soustav na vnější teplotě v průběhu otopné sezóny pro konkrétní případy v literatuře nenajdeme. Nenajdeme ani provázanou závislost výkonu na průtocích vody a výsledkem je chybné chápání, projektování a provozování otopných soustav. Pro modelové výpočty proto byly vybrány současné teplotní parametry vody na prahu dodavatele tepla (CZT), které bývají nejčastěji 70/50/20 °C. U otopných ploch byl uvažován průměrný exponent 1,294, těleso s nadměrnou otopnou plochou 2,55 m² (jako po zateplení s původním tělesem o původním výkonu 1152 W) a pro podíl ztrát QZn = 10 %.

1. složka – Ekvitermní regulace teplotou vody v závislosti na vnější teplotě a na poměru vnitřních a vnějších tepelných ztrát QZn.

V literatuře uváděné otopové křivky nerozlišují tepelné ztráty vnějšími a vnitřními stavebními konstrukcemi a vycházejí z chybného předpokladu, že okamžitá vnější teplota ovlivňuje všechny vypočtené tepelné ztráty stejně, což není pravda, protože objekty a místnosti volně neplují ve vzduchu.

Důsledkem chybného předpokladu v minulosti bylo nedotápění objektů při zvyšující se vnější teplotě. Na pracovišti =CRA= byl proto v minulosti zaveden (a později publikován) nový výpočet otopových křivek s parametrem QZn%, který vypočtené teploty vody koriguje na správné hodnoty. Výpočty ekvitermní regulace tím získaly novou váhu a problémy s nedotápěním v přechodových obdobích byly odstraněny.

Ve stavebním objektu mohou být vytápěné místnosti, které s venkovním prostředím nesousedí, ale mají tepelnou ztrátu, která je v průběhu otopné sezóny konstantní, takže nemohou být připojeny na kvalitativně regulované okruhy (místnosti s QZn = 100 %). Vnitřní tepelné ztráty nastávají také prakticky u všech vytápěných místností, sousedících s vnitřními nevytápěnými místnostmi, například předsíněmi, u kterých se v průběhu otopné sezóny vnitřní teploty mění jen zanedbatelně. V grafu na obr. 1 jsou uvedeny požadované teploty vody pro místnosti (nebo pro objekty) s poměrem QZn = 0% až 100 %. Běžné hodnoty pro panelové domy (jako celek) činí QZn = 10 % až 15 %.

Byty vytápí rozdíl okamžité střední teploty otopných ploch a vnitřního vzduchu

Z hlediska vytápění a regulace tepelného výkonu, je střední teplota vody nejdůležitější hodnota, která bohužel u dynamických soustav přestala být sledována a k okamžité venkovní teplotě byla přiřazena pouze okamžitá teplota „tp“, vystupující z tepelného zdroje. Teplo se do místnosti předává konvekcí (přestupem) a radiací (zářením), přičemž střední teplota vody (potažmo otopných ploch) musí být správná a v celém otopném systému shodná, aby se účinnost ekvitermní regulace mohla projevit u všech otopných těles.

Na obranu řízení pouhé výstupní teploty „tp“ (bez sledování střední teploty „ts“) nutno říci, že níže popsaná kvantitativní regulace střední teplotu vody mění, proto střední teplota přestala být pro „elektrikáře“ při provozování soustav spolehlivým signálem. Nikdo ovšem už projektantům neřekl, že střední teplota vody je extrémně důležitá pro projektování a že dodržení správné střední teploty v celé soustavě i systému, je ve výchozím regulačním (výpočtovém) stavu alfou a omegou správného projektu vytápění.

„Elektrikáři“ nabyli falešného dojmu, že vytápění rozumí a vše „uregulují sami“, takže dříve těsně propojené obory se rozešly a dnes se pracně snaží opět spojit, aby tuhle katastrofu odčinily.

2. složka – Kvantitativní regulace (průtokem) v průběhu otopné sezóny.

Křivky na grafu 3 jsou izotermy vyjadřující závislost výkonu na průtoku při konstantní teplotě vody, která je ekvitermní regulací přiřazena k okamžité vnější teplotě. Zde je nutné poznamenat, že přiřazená teplota vody je jiná než reálná teplota vody na vstupu do konkrétních otopných těles a proto je nutné projektovat soustavy metodou TH.

Protože každé přiřazené teplotě vody odpovídá jiná izoterma, obsahuje graf 3 též celkový přehled o kombinované výkonové regulaci vytápění v rozsahu vnějších teplot −12 °C až +12 °C a podobně lze kombinovanou regulaci propočítat pro jakýkoliv jiný rozsah nebo parametry. Podle dalších kritérií a vztahů tak lze vypočítat, od které mezní vnější teploty má být daný prostor vytápěn, chlazen, atd.

Změna výkonu průtokem je při každé venkovní teplotě jiná a uživatel ji správně nastavit nemůže

Na vertikálách grafu 3 můžeme sledovat změny poměrného výkonu v závislosti na teplotě při konstantním průtoku a na izotermách můžeme sledovat změny poměrného výkonu v závislosti na průtoku při konstantní teplotě vody. Při průtoku 100 % se jedná o čistě kvalitativní regulaci (změnou teploty), při jiných průtocích o regulaci kombinovanou.

Vidíme, že změny průtoků (například při kroucení s hlavicemi TRV) nemají na tepelný výkon při různých teplotách vody stejný vliv a už vůbec nemají žádnou souvislost s vnitřními teplotami konkrétních místnosti, které se mění podle jiných fyzikálních pravidel. Na prahu otopných těles se navíc absolutní hodnoty všech izoterm posunou k nižším hodnotám tepelných výkonů, protože všechny vstupní teploty vody do těles jsou nižší, než hodnoty uvedené v grafu 3. Limitou kvantitativní regulace je pak rovnost teploty vody a teploty vzduchu v místnosti (tp = tv), kdy je úplně jedno kolik vody tělesem proudí a žádné vytápění nenastane ani nekonečným průtokem. Řešení teplot je tedy pro vytápění mnohem důležitější než průtoky a pouze hydraulické řešení oboru, s předpokládanými (ale neřešenými) teplotními parametry, je odborný renonc.

Téměř všechno, co nám o regulaci vytápění dodnes vyprávějí někteří prodavači regulačních prvků (když nás udělováním bodů za účast na jejich přednáškách odborně školí a nabádají ke kroucení s hlavicemi), jsou z fyzikálního hlediska nebezpečné klamavé informace, poškozující funkci otopných soustav i ekonomiku vytápění a prodavači nechápou, že šířením bludů škodí sobě i svým chlebodárcům. Lze se zamyslet i nad tím, jestli sami výrobci regulační techniky (zde například TRV) vůbec mají správné poradce, protože na prvních prodávaných termostatických hlavicích byly uvedeny konkrétní teploty, vztažené k nastavení hlavic, které mimo laboratoř, v reálných soustavách a v konkrétních místnostech, nikdy nemohly platit. Odborný renonc i bývalé konkrétní teploty na hlavicích TRV jsou důkazem, že ústřední vytápění je nejednoduchý obor, zcela nevhodný pro zmatené diskutéry k odborným článkům na internetu.

Kombinovaná regulace před zateplením a po zateplení budovy

Před zateplením (90/70/20 °C) a po zateplení (70/50/20 °C) ponechal dodavatel tepla teplotní spád vody stejný a kombinovaná regulace stejná není, protože otopná plocha těles se po zateplení nezměnila a tělesa po zateplení pracují v jiném provozním bodě.

Když se po zateplení objektu teplota vody sníží, provozní bod se posune a poměrný rozsah kvantitativní regulace se v oblasti nad 100% průtokem zvýší (graf 4). Je to způsobeno tím, že po zateplení činí poměrný výkon QT100% = 671,15 W, ale před zateplením činil poměrný výkon QT100% = 1152 W, takže v procentech jsou porovnávány dva rozdílné stavy sdílení tepla.

V grafech 3 a 4 vidíme, že při velmi malých průtocích na teplotě vody prakticky nezáleží a naopak, při větších průtocích je dominantní právě teplota vody. Z grafů také plyne, že při nejnižší vnější teplotě musíme pro snížení výkonu na 70 % snížit průtok přibližně na 30 % až 18 % a to je zcela nepřípustné z hlediska celkového přenosu tepla soustavou. Naopak zvýšení výkonu na 135 % průtokem nedosáhneme nikdy a omezí-li nebo dokonce vypne-li soused vytápění, máme po tepelné pohodě. Při průměrné vnější teplotě +3 °C bychom průtokem 1000 % zvýšili výkon jen cca o 14 % a z hlediska hydraulických poměrů dosáhneme pouze cca 200 % až 300 % průtoku. Plným otevřením hlavic při průměrné venkovní teplotě +12 °C zvýšíme výkon jen cca o 8 %, ale zničíme hydraulickou rovnováhu soustavy zkratovými průtoky.

Výroba i regulace tepla musejí při nominální otopné ploše odpovídat stejné vnitřní teplotě (zde 20 °C)

Zkoordinované průběhy funkcí na grafech 1 až 4 nastanou, když kvalitativní i kvantitativní složka kombinované regulace jsou vztaženy ke stejné, nikoliv k náhodně volené, vnitřní teplotě. Jiná vnitřní teplota místnosti, musí být řešena změnou velikostí otopné plochy, nikoliv přiřazením libovolné vnitřní teploty k průtoku. Projektovaný průtok 100 % musí nastat vždy při projektované teplotě místnosti a tomu odpovídá jediné nastavení hlavice. Přiřazení projektovaného řízeného průtoku k projektované řídicí vnitřní teplotě nastavením hlavice proto musí být konstantní a nesmí se u jednotlivých místností náhodně měnit.

Uživatelsky tedy uměle snižovat průtoky nesmíme, abychom nelikvidovali tepelnou pohodu ostatním, a zvyšovat průtoky také nesmíme, abychom vytvořenými zkraty nelikvidovali hydraulické vyvážení (nebrali vodu jiným tělesům). Jakýmikoliv uživatelskými manipulacemi funkci soustav a ekonomiku vytápění poškozujeme, protože tím porušujeme zkoordinovanou funkci složek kombinované regulace a navíc tím ničíme funkční charakteristiky soustavy (ničíme přenos tepla soustavou, přiřazení řízených veličin k řídicím veličinám, i hydraulickou rovnováhu). Takže správné přiřazení řízených průtoků k řídicím vnitřním teplotám správným nastavením hlavic je to nejdůležitější, co musí být v dynamických soustavách vyřešeno a konstantně (trvale) nastaveno. Při klasickém projektování to není vyřešeno vůbec, dokonce je doporučováno kroucení s hlavicemi „podle náměrů“ a zkoordinovaná funkce složek kombinované regulace, tolik potřebná pro úsporné a funkčně správné vytápění při zajištění normálové tepelné pohody, vůbec nemůže nastat!!!

Mnohočetné řídicí veličiny kombinované regulace umožňují využívat zisky k úsporám lokálně

U centrální kvalitativní regulace je vážný problém. Neexistuje otopová křivka, která by současně vyhověla vytápění objektu jako celku a vytápění jednotlivých místností. Každá místnost je jinak závislá na okamžité vnější teplotě a vlastně by měla mít individuální otopovou křivku. Výpočtem tepelných ztrát, opakovaným pro různé vnější teploty, získáme průběh energetických nároků na vytápění v průběhu otopné sezóny a ten je u každé místnosti jiný (proto musí být regulace kombinované a nestačí jen regulace ekvitermní).

Běžná praxe se to snaží řešit různě, například řízením výkonu podle snímané vnitřní teploty v tzv. referenční místnosti. Nikdo ovšem přesně neví, která místnost je opravdu referenční. Je to místnost s největší tepelnou ztrátou? Místnost s největším poklesem vnitřní teploty po přerušení vytápění? Místnost s nejrychlejším poklesem vnitřní teploty za dobu přerušeného vytápění? Nebo je to místnost s nejvyššími nároky na tepelnou pohodu? Kritérií je mnoho a při centrální kvalitativní regulaci tohle jednoznačně určit nelze.

V USA proto vznikly trojcestné radiátorové armatury, ale byly drahé a při klasickém (hydraulickém) projektování to stejně moc nefungovalo. Stále zřetelnější byl požadavek, aby kombinovaná regulace fungovala jinak a požadavek to byl správný. Ekvitermní kvalitativní regulace by měla zajišťovat nejvyšší lokální energetické nároky a kvantitativní regulace by měla přebytek dodávaného tepla korigovat lokálně sníženým průtokem, podobně jako při působení tepelných zisků. Kombinovaná regulace má tedy dva druhy řídicích veličin, vnější teplotu a mnohočetné vnitřní teploty jednotlivých místností, do kterých se promítají jak tepelné zisky, tak i vlastní tepelné působení soustavy a žádnou „referenční místnost“ není třeba mít. Úsměvně lze poznamenat – když Einstein nevěděl co je vlastně síla, nahradil ji zakřivením časoprostoru, které je lokálně individuální a dodnes to funguje.

Fungování mnohočetných vnitřních teplot, řídicích lokální průtoky, narazilo na problém definování lokálních řídicích veličin. Výsledné vnitřní teploty místností to být nemohou, protože teplotní čidla snímají teplotu vzduchu. Začal, spolupracujícím projektantům a pravidelným čtenářům už známý, vývoj termického vyvažování soustav. Teploty vzduchu jednotlivých místností se začaly počítat a s nimi i nastavování termostatických hlavic.

Pro každou místnost je tedy individuální řídicí teplota vzduchu známá i v případě, že výsledné teploty místností jsou shodné. Nastavením hlavic na nominální průtoky (korigované o přenos vlastního tepla) je v reálné soustavě garantována platnost průtokových součinitelů Kv, publikovaná výrobcem pro nastavení hydraulického odporu a je přiřazen odběr tepla k řídicím teplotám vnitřního vzduchu. Případný větší přívod tepla do spotřebiče vlastní soustavou pak nevadí, protože průtok se automaticky sníží tak, aby lokální teplota vzduchu byla dodržena. Totéž se děje při vzestupu teploty vnitřního vzduchu působením tepelných zisků. Nastala éra termicky vyvážených soustav s nejpřesnější regulací a s absolutně nejvyššími úsporami tepla při dodržení požadované teploty vnitřního vzduchu, které lze seřizovat kdykoliv (v sezóně i mimo otopnou sezónu). Termicky vyvážené dynamické soustavy vytápění jsou vrcholem technického řešení oboru.

Investor u těchto soustav ušetří za hydraulické vyvažování, ušetří veškeré teplo z vnějších i vnitřních tepelných zisků, odbourá nežádoucí migraci tepla mezi byty, zajistí tepelnou pohodu ve všech bytech nezávisle na vzdálenosti od tepelného zdroje a přitom se vůbec o nic nemusí starat. Navíc jsou vyřešeny všechny problémy se současnou legislativou, která evidentně nefunguje a stále se mění, protože nerespektuje fyzikální zákonitosti, platné při vytápění budov.

Průtoky se v soustavách s TRV měnit mohou, ale bez porušení vazeb zkoordinované regulace

Regulační charakteristiky na grafu 3 a 4 platí jen za podmínky, že obě složky celkové kombinované regulace se vztahují ke stejné vnitřní teplotě. Změny průtoků se tedy musejí odehrávat při konstantní (projektované) vnitřní teplotě, které odpovídá nastavená otopová křivka. Nemá-li být porušena hydraulická rovnováha soustav zkratovými průtoky, tak je v grafu 3 a 4 využitelné pouze regulační pásmo mezi průtokem 0 % a 100 %. Pokud se k tomuto pásmu přiřadí vzestup teploty vnitřního vzduchu o 2 °C (Δtv = 2 K) bývá označováno jako proporcionální pásmo XP = 2 K, se kterým většinou pracují TRV. Úkolem TRV není projektovanou vnitřní teplotu měnit, ale naopak ji udržovat a při vzestupu vnitřní teploty o 2 °C průtok uzavřít. Aby TRV mohly tuto úlohu plnit (aby vazby v grafech 3 a 4 platily), musí být zdvih kuželek nastavením termostatických hlavic pevně fixován na výchozí hodnotu XP = 2 K a toto nastavení se nesmí měnit. Při jakémkoliv jiném nastavení hlavic už ve vztahu k projektované vnitřní teplotě pásmo XP splněno není, složky kombinované regulace už zkoordinovaně pracovat nemohou a účinnost všech regulačních procesů klesá.

Výchozí zdvih kuželek (výchozí pásmo XP) musí být ve výchozím regulačním stavu nastavením hlavic fixován i z dalšího důvodu. Neodpovídá-li výchozí zdvih kuželek pásmu XP, udanému výrobcem TRV, neplatí nastavení hydraulického odporu „N“ pro požadované hodnoty „Kv“, uvedené výrobcem v projektových podkladech. Není-li dodrženo pásmo XP, neplatí tedy ani celý projekt vytápění, protože nebyla dodržena (a při provozu soustavy zajištěna) podmínka platnosti projektových podkladů, uvedená výrobcem.

Proporcionální pásmo XP tedy dodrženo být musí a každé jiné provozování ústředního vytápění porušuje buď vnitřní tepelnou pohodu, nebo ekonomiku vytápění.

Všechny místnosti slouží jako „referenční“, není to nějaký „obývák bez hlavice“

Účelem referenční místnosti je hodnotou snímané vnitřní teploty referovat tepelnému zdroji, jaký výkon má dodávat. Klasické projektování má problém určit, která z místností má tuto úlohu plnit. Navíc referuje požadavky na výkon kvalitativní složce kombinované regulace a to je špatně. Referenční místnost totiž nemá v průběhu otopné sezóny stejné energetické nároky jako místnosti ostatní.

Termickým vyvážením se v soustavách TH snímá vnitřní teplota všech místností a individuální energetické nároky jsou referovány kvantitativní složce. Průtoky se v závislosti na řídicí teplotě místností mění lokálně, závisí tedy na úrovni lokálně působících tepelných zisků, přesně tak, jak to má v dynamických otopných soustavách být a jak to bylo při vývoji TRV vždy zamýšleno.

Signální veličina pro ekonomickou výrobu tepla

V dřívějších soustavách (bez TRV) to bylo snadné. Průtok byl při jakékoliv teplotě vody stejný a na grafech 3 a 4 žádné izotermy nebyly. Existoval jen průtok 100 %. Když byla výroba tepla nadměrná, stoupal dodávaný tepelný výkon, tělesa jej svou otopnou plochou nedokázala plně předat do místností, a proto teplota zpátečky stoupala. Stačilo snímat návratovou teplotu zpátečky (případně střední teplotu nebo obojí) a zdroj tepla měl zpětnou vazbu.

U soustav s TRV se stoupajícím tepelným výkonem soustavy také stoupá řídicí teplota vnitřního vzduchu, ale zdvih kuželky se tím zmenšuje a s klesajícím poměrným průtokem klesá i teplota zpátečky, včetně střední teploty vody. Jde proto o úplně obrácený signál. Pokles střední teploty a teploty zpátečky přitom není jen důsledkem nadměrné výroby tepla a může být způsoben třeba tepelnými zisky. Návratová teplota zpátečky už pro tepelný zdroj ztratila význam signální veličiny úplně. „Obrácená“ změna návratové teploty zpátečky však musí být spojena s adekvátním (nikoliv s libovolným) poklesem průtoku, aby byl zachován regulační proces. Izotermy, vyjadřující okamžitý poměrný výkon, tedy musejí odpovídat okamžitému poměrnému průtoku při konstantní vnitřní teplotě 20 °C a nikoliv při vnitřních teplotách libovolně volených. Pro správnou funkci a účinnost celkové kombinované regulace vytápění (viz grafy 3 a 4) tedy nesmí být v jedné místnosti náhodně zvolena teplota 18 °C a v jiné třeba 22 °C, protože izotermy by přestaly odpovídat reálné vnější teplotě a kombinovaná regulace vytápění by ztratila účinnost.

Odchylky od projektovaných vnitřních teplot musejí být při ústředním vytápění řešeny změnami velikosti otopných ploch a nikoliv náhodnými změnami vnitřních teplot a průtoků, které izotermám regulačních procesů neodpovídají a nastavené regulační procesy přímo likvidují. Ústřední (centrální) vytápění má centrální kvalitativní regulaci nastavenou na vnitřní teplotu 20 °C a stejné vnitřní teplotě musí ve všech bodech odpovídat i lokální kvantitativní regulace, aby celková kombinovaná regulace mohla fungovat zkoordinovaně.

Stejně tak i projektované průtoky vody otopnými tělesy, které jsou vnitřními teplotami místností řízeny i když s hlavicemi nemanipulujeme, musejí nastat právě při vnitřní teplotě 20 °C. Jakékoliv změny tohoto přiřazení projektovaných průtoků k řídicím vnitřním teplotám 20 °C regulační procesy degradují a je opravdu podivné, že to lidé rozhodující o koncepci ústředního vytápění evidentně nevědí, jinak by si otopná tělesa s kamny nepletli a kroucení s hlavicemi by lidem nedoporučovali (nebo možná ano, pokud by jim o správnou a úspornou funkci ústředního vytápění vůbec nešlo).

Degradace a někdy i úplná likvidace regulačních procesů je přitom zcela zjevná. Stačí porovnat průměrné úspory tepla instalovanými TRV (cca 15 %) s průměrnými tepelnými zisky (30 % až 60 % podle stavu zateplení). Deficit v úsporách tepla je prostou daní za politováníhodnou neznalost oboru vytápění, ve kterém jsou hluboké odborné znalosti prostě nutné. Určování koncepce vytápění neodborníky nás stojí cca 10 mld. za rok. Od roku 1996 jsme mohli plošně ušetřit cca 190 mld. Kč jen v oblasti vytápění panelových domů a to je tak drahé, že si to prostě, jako stát, už nemůžeme dále dovolit.

Správné výchozí nastavení regulace je podmínkou úspěchu a nesmí se náhodně měnit

Rozhoduje o hydraulické rovnováze, o správné funkci otopných soustav i o úsporách tepla, ale klasické projektování jej neřeší. Místo vyřešení problému hází veškerou odpovědnost na uživatele soustavy a na jeho náhodné manipulace s regulační technikou. Nezabývá se tím, že výchozí nastavení náhodné být nemůže. Projekty ústředního vytápění žádné výchozí nastavení regulace neobsahují, takže ani tepelná pohoda, ani úspory tepla, uživatelům soustav ničím garantovány nejsou. Klasické projekty vytápění svůj účel neplní.

Spolupracující projektanti už vědí, že izotermy nesmějí být náhodnými uživatelskými zásahy deformovány a zachování stejné vnitřní teploty v obou složkách kombinované regulace je podmínkou její účinnosti. Chápou, že k dosažení správné funkce a úspornosti vytápění je regulace jediným účinným prostředkem, proto nemůže být její výchozí seřízení uživatelsky náhodné a musí být vyřešeno v rámci projektu.