Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Vyřešení energetické účinnosti vytápění je na světě

Závazek ČR, do roku 2020 zvýšit energetickou účinnost vytápění o 20 %, znamená ve stejném poměru zvýšit úspory tepla bez poklesu vnitřní teploty. Poprvé se tím požaduje dosáhnout skutečných úspor tepla, nikoliv jen snížení úrovně vytápění uživateli bytů ve smyslu jejich ekonomického chování. Uživatelé soustav mohou vnitřní teploty místností snižovat, ale zvýšení energetické účinnosti vytápění se tím nedosahuje. Článek informuje o řešení pro všechny zateplené i nezateplené budovy.

Vše mohlo být jinak

V každé oblasti lidské činnosti je víc toho, co nevíme, než toho, co víme, a koncem minulého století to jako jediná o TRV přiznala firma Oventrop. Aby mohly TRV správně plnit svou funkci, bylo potřebné znát teplotu vnitřního vzduchu, na kterou mají být nastaveny hlavice, znát nastavení hlavic při kterém je zajištěno proporcionální pásmo odpovídající laboratorně naměřením průtokovým součinitelům Kv a znát průtoky vody, při kterých je projektovaná vnitřní teplota zajištěna tepelným působením vlastní otopné soustavy. Nic z toho dodnes klasické projektování nezná.

Klasické projektování tepelné působení soustav pouze předpokládá a výsledkem klasických výpočtů je otopná soustava, ve které není řešen přenos tepla od zdroje ke spotřebičům, není určeno správné seřízení instalované regulační techniky a nejsou zajištěny podmínky pro funkci kombinované regulace tepelného výkonu. Je to totiž složité. Aby byla kvalitativní (ekvitermní) regulace účinná, musejí všechna tělesa pracovat se stejnou střední teplotou, směšovací armatury se správnými směšovacími poměry a každé těleso s jiným teplotním spádem vody, přičemž průtoky musejí kompenzovat úbytky tepla na trase od zdroje ke každému konkrétnímu spotřebiči. Vše mohlo být jinak, kdyby výpočtové algoritmy tyto podmínky řešily, ale to se nestalo a tak jsou dodnes investovány astronomické částky do neúčinných metod a postupů.

Vývoj počítačů a SW

Překotný vývoj nastal především v oblasti grafiky a práce se soubory. Výsledkem SW jsou stále hezčí obrázky, ale s chybnými výsledky řešení soustav, protože výpočtové jádro se od poloviny minulého století nezměnilo a klasické výpočty řeší soustavy jako cirkulační vodovody, ve kterých TRV představují jen vyšší hydraulický odpor. Žádná vlastní funkce TRV, ani funkce kombinované regulace vytápění řešeny nejsou a není divu, že instalovaná regulační technika očekávané výsledky nepřinesla. Jak by jinak bylo možné, že po snížení tepelných ztrát na 50 % a při průměrných tepelných ziscích 25 % se v zatepleném objektu místo 75 % uspoří jen cca 40 % tepla?

Když výpočty selhaly a TRV nesplnily očekávání, muselo se na to jinak…

Namluvit lidem, že při vypnutém vytápění dosáhli úspor tepla 100 %. Přesvědčit je, že žádná automatická regulace výkonu neexistuje a jedinou regulací je ruční nastavení libovolné vnitřní teploty podle individuálních požadavků. Přesvědčit je, že každý má právo na legislativně garantovanou tepelnou pohodu při libovolném nastavení armatur, které v přesném protikladu s tím proč byly vyvinuty, jsou instalovány právě proto, aby si libovolnou vnitřní teplotu mohli lidé zvolit. Nastavení armatur a čidel přestalo být v prostinkém uvažování důležité. Klasický projekt, který to neumí určit, se stal technicky téměř zbytečným a změnil se hlavně na požadovaný výpis materiálu s vyčíslením pořizovacích nákladů. Začalo se slepě věřit, že otopné soustavy fungují jako elektrická síť a otopná tělesa jako libovolně zapínané žehličky.

Prakticky nevyprojektované soustavy se začaly hydraulicky vyvažovat, a to bez ohledu na to, že vyvažování se vůbec netýká okruhů těles, vyvažování na patách stoupaček nebo na vstupu do soustavy je prováděno na průtoky chybné a hydraulickým vyvážením se chyby stabilizují. Bylo by to úsměvné, kdyby se to netýkalo téměř 1,5 milionu bytů napojených na CZT, klamavých sloganů diletantů vystupujících v rolích odborníků a promarněných miliard.

Paní, máte špatně nastavené hlavice…

A jak mají být nastaveny? To musíte vyzkoušet… Kouzelné zaklínadlo, které chyby občas „napraví“, i když se o žádnou skutečnou nápravu nejedná. Když ve vzdálenějších bodech soustavy tělesa nehřejí, otevřou se hlavice naplno. Co na tom, že tím TRV ztratí schopnost spořit teplo? Hřeje to moc? To musíte hlavice přivřít… Co na tom, že se náhodným nastavením hlavic změní všechny hydraulické poměry v soustavě, když projekt stejně neplatí a je jen přítěží? Co na tom, že se tím zcela zlikviduje kvantitativní složka kombinované regulace a vytvoří se zkratové průtoky, které v soustavě být nesmějí, aby ostatní tělesa mohla fungovat správně? Co na tom, že se prudkým otevíráním a zavíráním hlavic celé potrubí soustavy doslova láme dilatačními šoky, soustavy hlučí, utrhají se pevné body a životnost soustav se drasticky sníží?

Kdo šetří má za tři a šetří ten, kdo měří

Opravdu? Spotřeba tepla je dána tepelnými ztrátami včetně větrání a je vztažena k uvažované vnitřní teplotě. Je to tak, ať naměřím cokoliv a bude-li dodržena vnitřní teplota, měření nepotřebuji. Měření samo odborníkům vytápění nevadí, pokud nenabádá lidi k tomu, aby projektem určené seřízení soustavy likvidovali.

Jenže měření u koncových odběratelů k tomu lidi nabádá a tím funkci, ekonomiku vytápění, i životnost soustav ničí. Dokonce vymyslelo slogany „plaťte jen za skutečně spotřebované teplo“ nebo „vytápějte jen tam, kde je to nezbytně nutné“, a tak se podívejme, jak to se „spravedlivými platbami za teplo“ podle lokálních náměrů vlastně je. Abychom přeskočili neustálé a marné změny legislativy i neutuchající snahy o stálé vylepšování měřicích přístrojů a nemuseli se zabývat ani hádkami o to, co vlastně měří, přejděme rovnou k tomu, že všechna otopná tělesa nudou vybavena dokonalými přístroji, které se 100% přesností skutečně měří spotřebované teplo.

Lidé budoucnosti už budou plně „vychovaní“, podle sloganů budou vypínat tělesa a přístroje budou neomylně přesné. Lidé se proto dohodnou, že budou opravdu „platit jen za skutečně spotřebované, lokálně naměřené teplo“. Podívejme se na výsledky dvou stoupaček, reprezentujících dvě různě veliké soustavy a sledujme podíl měřeného tepla (sdíleného do místností tělesy) a neměřeného tepla (sdíleného do místností stoupačkami). Na patách obou stoupaček bude pomyslný fakturační měřič dodavatele tepla.

Stoupačka 8. NP

Plný provoz všech těles: neměřené teplo = 24,53 % tepla fakturovaného.
Provoz jen tělesa v nejvyšším podlaží, ostatní vypnuta: neměřené teplo = 290,18 % tepla fakturovaného. Uživatel nejvýše položeného tělesa bude při vypnutí ostatních těles muset platit 2,9krát více, než naměřil jeho přesný měřič.

Stoupačka 15. NP

Plný provoz všech těles: neměřené teplo = 22,06 % tepla fakturovaného.
Provoz jen tělesa v nejvyšším podlaží, ostatní vypnuta: neměřené teplo = 462,89 % tepla fakturovaného. Uživatel nejvýše položeného tělesa bude při vypnutí ostatních těles muset platit 4,6krát více, než naměřil jeho přesný měřič.

Ani to nejpřesnější lokální měření spotřeby tepla nebude nikdy „spravedlivé“ a bude se od fakturačního měřiče lišit dokonce tím více, čím více budou lidé omezovat vytápění podle fyzikálně nesmyslných sloganů. Spravedlivé nebude lokální měření ani v případě, že bude zahrnovat podíl tepla sdílený stoupačkami, protože zbude migrace tepla stavebními konstrukcemi. Nejspolehlivější funkce soustav, nejekonomičtější provoz a nejspravedlivější platby za teplo nastanou naopak tehdy, když budou soustavy provozovány s projektovanými parametry a bez lidských zásahů do správně seřízené kombinované regulace tepelného výkonu. Něco takového ovšem vyžaduje nové poznatky o funkci dynamických otopných soustav, úplně jiný SW a jsme u hlavního tématu tohoto článku.

Nový SW – nové paradigma – nová pomoc všem

Musíme umět řešit to, co jsme nikdy neuměli. Musíme vědět, jaká teplota nastane v místnosti, když otevřením hlavice zvýšíme průtok, když soused vypne vytápění, nebo když otevřeme okno. Chceme-li tvořit pravidla pro vytápění, musíme mu rozumět. Musíme znát důsledky porušení přenosové schopnosti potrubní sítě, průběh teplot vody v soustavě, hodnoty průtoků pro zajištění lokálně požadovaných tepelných výkonů, nastavení hlavic, při kterém zdvih kuželek TRV odpovídá průtokovým součinitelům Kv v podkladech výrobců TRV a spoustu dalších souvislostí, abychom mohli vytápění vůbec pochopit.

Musíme umět řešit soustavy tak, aby pracovaly s nevyšší dosažitelnou energetickou účinností a tedy s nejvyššími úsporami tepla. Nejen proto, že jsme se k tomu zavázali v EU, ale proto, abychom lidem zajistili nejvyšší kvalitu tepelné pohody za co nejnižší cenu. To je pravý úkol SW a odborníků, kteří jej používají.

Open Source R

V případě tohoto SW to znamená, že se získáním SW člověk získá i veškeré know-how a volný přístup ke všem rovnicím. S programem kupuje výsledky dlouhého a náročného vývoje oboru vytápění, což je světová rarita. Už to není získání výstupních dat po zadání dat vstupních, při kterém uživatel neví, jak SW k výsledkům dospěl. Tím se nový SW zásadně liší od všech ostatních výpočtových programů na trhu a stává se nejdůležitějším nástrojem pro trvalý odborný růst uživatele, kterého musí osvěta o této nové možnosti informovat, protože je to její společenská povinnost a nikoliv „PR“.

Energetická účinnost vytápění je priorita č. 1

Ve školství při výuce oboru, při výzkumu a vývoji u výrobců armatur, při projektování nových soustav, při rekonstrukcích, i při diagnostice a nápravě funkce vytápění, je prioritou správná a úsporná funkce, tj. dosažení nejvyšší energetické účinnosti vytápění. U dynamických soustav je nejdůležitější podmínkou, aby projektované průtoky byly funkčně přiřazeny k projektovaným teplotám vzduchu vytápěných místností a aby nastaly právě při projektovaných teplotách místností. Nesplňuje to žádná klasicky projektovaná soustava. Aby soustava mohla tyto podmínky splňovat, musí být ve všech bodech vyvážena hydraulicky i termicky a bez tepelných zisků musejí otopná tělesa zajišťovat projektované vnitřní teploty. Teprve pak může soustava k úsporám tepla plně využívat teplo z působících tepelných zisků a pracovat s nejvyšší energetickou účinností.

Nejen na patách, ale všude musí být soustava vyvážena komplexně. Správné projektování je tedy odpovědná a náročná činnost a k ní je nutný SW, který nutné podmínky vyřeší.

Dva základní způsoby řešení

Globální řešení soustavy, při kterém je nutné nejprve zadat vstupní data celé soustavy najednou, a teprve pak jsou k dispozici data výstupní. Má-li soustava, jako celek řešení (tj. nevyskytnou-li se lokální problémy s dispozičním tlakem, s regulačním rozsahem armatur, atd.), může být projektování o něco rychlejší, ale za cenu ztráty edukativní hodnoty programu, protože do výstupních dat se promítá množství ovlivňujících faktorů, ležících mimo oblast lokálně zadaných dat. Samostatné modelování vlivu lokálně zavedených změn pak není možné, protože například se změnou průtoku se současně mění i teploty vody v potrubní síti a uživatel SW nezná váhu jednotlivých vlivů, proto se ve výsledcích ztratí. Globální řešení vyhovuje u klasických (pouze hydraulických) výpočtů, kde se pracuje převážně s lineárními vztahy a s předpokládaným průtokem, ale ostatní proměnné se zanedbávají. Pro složitější Termo-Hydraulické výpočty je přehlednější fragmentované řešení, tj. samostatné řešení stoupaček a ležatých rozvodů.

Prostředí Excel a kvazi-grafická forma zvoleny záměrně

Zpřístupnit rovnice při maximální možnosti výuky nové metody projektování a dokonalý přehled o vstupních i výstupních datech, umožňuje nejlépe tabulkový procesor Excel.

Obr. 1 – Nejvyšší podlaží stoupačky s termickým vyvážením soustavy
Obr. 1 – Nejvyšší podlaží stoupačky s termickým vyvážením soustavy
Obr. 2 – Pata stoupačky s automatickým výpočtem RDT
Obr. 2 – Pata stoupačky s automatickým výpočtem RDT

Nový SW dimenzuje i armatury a prvky, které se teprve začnou vyrábět

Už nikdy nepotřebuje upgrade, protože fragmentované řešení soustavy a promyšlený systém zadávání dat, umožňují vstupovat do výpočtu řešené části korekcemi hodnot. Lze tak řešit libovolné výrobní řady potrubí, radiátorových armatur, nebo jejich kombinací a také začlenit virtuální prvky se zvolenými vlastnostmi a charakteristikami, které v aktuálních výrobních programech nejsou.

Modelovat lze proto stoupačky s reálnými i s virtuálními armaturami, nebo naopak zjistit jaké vlastnosti by armatury musely mít, aby požadavkům konkrétní stoupačky vyhověly. Má to velký význam pro vývojáře armatur i pro výuku oboru vytápění a pro pochopení souvislostí při navrhování soustav, které by globálně koncipovaný SW uživateli neodhalil.

Vyhnete se problémům při návrhu moderních prvků

Perspektivní dynamické TRV umožňují hydraulické vyvážení soustavy nejen na patě stoupaček, ale ve všech bodech. Svádí však k mylné představě, že „soustavu stačí natlakovat a nemusí se dimenzovat“. Pravdou je pravý opak. Vysoká hydraulická autorita vyžaduje, aby nastavení N bylo přesné a nekompromisně odpovídalo správným průtokům vody po ochlazení v potrubí (pouze hydraulické výpočty soustavy nestačí). Při skokovém nastavení těchto TRV je nutné dočerpání tlaků v okruzích těles.

Obr. 3 – Výpočet dynamických TRV s přesným nastavením nebo s dočerpáním tlaku v okruhu
Obr. 3 – Výpočet dynamických TRV s přesným nastavením nebo s dočerpáním tlaku v okruhu
Obr. 4 – Výpočet dynamických TRV při různých hlavicích
Obr. 4 – Výpočet dynamických TRV při různých hlavicích

Hodnoty Kvc pro sériové zapojení armatur při libovolné kombinaci nastavení N

Více než šedesát vzájemných kombinací nastavení radiátorových armatur se uplatní v projektování, v diagnostice, při kontrole projektů vytápění nebo při kontrole správnosti stávajícího nastavení. Samostatně lze řešit i nastavení regulačních šroubení pro vypočtené Kv, nebo nastavení různých typů hlavic při různé teplotě vody a okolního vzduchu.

Obr. 5 – Kombinace nastavení N radiátorových armatur
Obr. 5 – Kombinace nastavení N radiátorových armatur

Separované řešení ležatých rozvodů umožňuje samostatně modelovat tlakové a teplotní podmínky pro libovolně volené hodnoty přenášených tepelných výkonů

Lze sledovat vliv libovolných průměrů potrubí různého materiálu, okolních teplot a různých druhů izolace na koncové teploty vody a koncové diferenční tlaky v rozvodných sítích. Stejně jako ve všech ostatních částech SW lze počítat nově navrhované i stávající potrubí.

Pro rozpočítání plateb za teplo, nebo pro dodavatele tepla, je důležité automatické vyčíslení nákladů na provoz vnitřních i vnějších rozvodných sítí.

Obr. 6 – Tlakové ztráty, tepelné ztráty a výpočty izolací ležatých rozvodů potrubí
Obr. 6 – Tlakové ztráty, tepelné ztráty a výpočty izolací ležatých rozvodů potrubí

Dimenzování okruhů zdrojů tepla

Výpočty otopových křivek, směšovacích poměrů, tlakových ztrát nově navrhovaného i stávajícího potrubí, oběhových čerpadel, směšovacích armatur, dílčích tlakových ztrát kotlů, i vyvažovacích ventilů pro zajištění nedeformovaných charakteristik akčních členů kvalitativní regulace.

Lze také určovat teploty vody pro naměřenou okamžitou vnější teplotu, nebo ekvivalentní teploty vody a teplotní spády po zateplení objektu. K dispozici jsou tak veškeré hodnoty pro návrh domovních nebo bytových stanic, k rekonstrukcím sekundárních okruhů výměníkových stanic po připojení objektu k dodavateli tepla, pro úpravy zdrojů po zateplení budov, nebo pro návrh okruhů kotelen při odpojení od CZT.

Důležité vyvážení směšovacích okruhů zvyšuje přesnost a účinnost kvalitativní regulace, eliminuje cyklování směšovacích armatur a zvyšuje životnost prvků regulace. Věděli jste například, že běžně doporučovaná hydraulická autorita a = 0,5 způsobí u směšovacího TRV s kombinovanou charakteristikou „záhadné“ nedostatečné vytápění při normálové vnější teplotě? S novým SW se to nestane a je proto vhodný i pro projektanty M+R.

Obr. 7 – Návrh zónové kvalitativní regulace
Obr. 7 – Návrh zónové kvalitativní regulace
Obr. 8 – Návrh centrální kvalitativní regulace
Obr. 8 – Návrh centrální kvalitativní regulace

Zpracování klimatických dat, výpočty spotřeb tepla a vyhodnocení efektivity provozu soustav

Numerické i grafické zpracování klimatických údajů s výpočtem vážených průměrů vnějších teplot ve sledovaném a normálovém roce, včetně vlivu působících tepelných zisků, umožňuje významné zpřesnění všech výpočtů pro projektanty, zpracovatele auditů i správce budov. Každoroční závěrečné vyhodnocování dosažených úspor tepla a ekonomiky provozu soustavy, se stane záležitostí několika minut.

Tepelné ztráty místností, obálková metoda objektu a modelování výkonu těles

V nové metodě se kromě tepelných ztrát a velikostí otopných těles počítají důležité hodnoty teplot vnitřního vzduchu tv, které jsou řídicími veličinami lokální kvantitativní regulace. Bez těchto hodnost nelze soustavu termicky vyvážit, ani zajistit zkoordinovanou činnost celkové kombinované regulace vytápění.

Obr. 9 – Při výpočtu ztrát se určí řídicí teplota vzduchu v místnosti „tv“
Obr. 9 – Při výpočtu ztrát se určí řídicí teplota vzduchu v místnosti tv

Proč komplexní výpočtová linka

Řešení energetické účinnosti začíná určením vnitřních řídicích teplot, pokračuje určením individuálních teplotních spádů a průtoků vody, na které se dimenzuje potrubí i nastavení armatur a končí nastavením parametrů na počátku soustav a v tepelných zdrojích. Jedná se o komplexní zajištění pracovních podmínek, nutných pro správnou a úspornou funkci vytápění. Pouze dílčí řešení, například výpočet ochlazení vody v potrubí, je ke správné funkci a k zajištění energetické účinnosti nedostatečné.

Netýká se to jen paneláků

Nová výpočtová metoda je univerzální. Principy jsou obecně platné pro každou soustavu s přenosem tepla teplonosným médiem. Význam nové metody je tím větší, čím větší je soustava a čím více odběrných míst je připojeno na společný tepelný zdroj. Chování rozsáhlých otopných soustav je úplně jiné, než chování jednoho tělesa, připojeného co nejblíže zdroji, a proto dynamice větších soustav nelze při aplikaci klasických výpočtů porozumět.

Vyřešená energetická účinnost vytápění a její zpřístupnění veřejnosti je dosažením cíle

Vytápění rozumíme jen do té míry, do jaké jsme schopni provádět výpočty a chápat jejich výsledky. Vyšší úroveň výpočtů znamená bezkonkurenční úroveň projektů, i možnost napravit funkci a znásobit úspory tepla ve všech soustavách zateplených i nezateplených budov. A tuto nejvyšší odbornou schopnost může s novým SW dnes získat každý podnik i jednotlivec.

Od prvního tepelně technického výpočtu, provedeného setníkem von Brauckmannem v roce 1827, uplynulo 189 let. Od té doby se lidé snažili, aby centrální vytápění bylo funkční a za „Svatý grál“ považovali soustavu, která bude současně úsporná, protože ústřední vytápění spotřebovalo až třikrát více paliva než vytápění lokální. Dnešní ústřední vytápění reaguje daleko citlivěji než lidský faktor a díky plnému využití okamžitých tepelných zisků spotřebuje méně tepla než lokální vytápění.

„Svatý grál“ celé historie ústředního vytápění teplonosným médiem je na světě a dnes je k dispozici všem. Úkolem osvěty je, informovat o tom veřejnost a umožnit odborníkům přístup k úspěšnému řešení soustav plně regulovaných, o které obor vytápění usiloval od poloviny minulého století. Je to navrhování soustav s plným využitím vnějších i vnitřních tepelných zisků a proto s minimem tepla, potřebného k dosažení a udržení požadované vnitřní teploty. Jak ukázal dlouholetý vývoj, nelze toho dosáhnout žádným výrobkem, dodatečným postupem či legislativou, ale řešení spočívá ve způsobu projektování a v jeho komplexnosti. Cca u 1,5 milionu bytů lze teď funkci otopných soustav napravit a při plném využití tepelných zisků bez poklesu projektovaných vnitřních teplot dosáhnout násobně vyšších úspor tepla, než je tomu v současnosti. Vnější parametry soustav lze optimalizovat domovními stanicemi a poprvé ve vytápění dosáhnout na vrchol fyzikálních možností úspor.

Podrobnější informace o novém řešení soustav a novém SW lze získat zde: centrotherm@seznam.cz

 
Komentář recenzenta Ing. Vladimír Galád

Článek shrnuje posloupnost poměrně strastiplného hledání optimální cesty k nejvyšší dosažitelné účinnosti využití tepelné energie v oboru vytápění. Poukazuje na poměrně hlubokou vývojovou propast mezi uskutečňovanou praxí a závěry fyzikálního poznání procesu vytápění. Rovněž připomíná, že mezi pojem energetická účinnost a úspory tepla nelze dávat rovnítko (až na některé vzácné výjimky, kdy úspora vzniká skutečně zvýšením energetické účinnosti), ač je tomu běžně naopak, jelikož je v běžné praxi problematika vytápění hrubě zjednodušována s mizernou rozlišovací schopností relevantních veličin, která vykazuje hrubé chyby i při sebepřesnějším měření, které se tím stává zcela irelevantním nejen pro praxi, ale i pro hledání fyzikálních souvislostí ≈ iluze myšlení odtržené od fyzikálních závislostí a souvislostí, což poskytuje nepraktické a nepoužitelné, ale často vychvalované statistické výsledky. Článek poskytuje i ukázky správných postupů při řešení kvality otopných soustav.

English Synopsis
Resolving the energy efficiency of heating

The commitment of the Czech Republic to increase the energy efficiency of heating by 20 % until 2020, is in the same ratio to increase heat savings without decreasing the internal temperature. For the first time it requires to achieve real savings of heat, not only reduce the level of heat in terms of economic behavior of users of flats. Network users can reduce the inside temperature, but increasing the energy efficiency of heating it falls short. The article informs about solutions for all insulated and non-insulated buildings.

 
 
Reklama