Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Měření tepla v soustavách s teplonosnou látkou tvořenou směsí vody a dalších kapalin

Ing. Peter Holyszewski, Enbra, a.s.

Recenzovaný

Autor upozorňuje na nutnost věnovat zvláštní pozornost měření tepla dopravovaného jinou kapalinou než vodou. Směsi vody a různých látek mají odlišné termodynamické vlastnosti než voda a pokud měřič tepla není možné na jiné podmínky měření nastavit, může chyba měření dosáhnout extrémně až 100 %. Diskutovány jsou vlastnosti kapalin ve vztahu ke konstrukci měřidel tepla. V závěru autor přidává doporučení, jejichž dodržení by pomohlo k zajištění přesnosti měření.

V souvislosti se stále zvyšujícím se počtem instalovaných tepelných čerpadel vzduch-voda v konfiguraci monoblok, a se zvyšujícím se počtem termických solárních systémů, vyvstává stále častěji problém, jakým způsobem měřit dodanou tepelnou energii takovým tepelným zdrojem v případě, kdy je teplonosnou látkou v soustavě nikoliv voda, ale nízkotuhnoucí kapalina (často používaný pojem „nemrznoucí směs“ není přesný, protože i „nemrznoucí směs“ při dostatečně nízkých teplotách „zmrzne“, tj. ztuhne), tj. směs s různými inhibitory. V České republice ve většině případů nejsou splněny podmínky, aby měřidlo tepla pro tento typ teplonosné látky bylo korektně použito jako pracovní měřidlo stanovené. Tedy určené pro použití v závazkových vztazích, například při prodeji tepla, při poskytování služeb, při určení výše náhrady škody, popřípadě jiné majetkové újmy, pro stanovení sankcí, poplatků, daní. Přes tuto skutečnost se lze velmi často setkat s měřiči tepla, které projektant do takové soustavy vyprojektoval, nebo montážní firma nainstalovala, aniž by si uvědomili, že naměřená hodnota dodaného tepla se může od skutečné (pravé) hodnoty dodaného tepla významně lišit.

Rozdíl mezi naměřenou (indikovanou) hodnotou a skutečnou (pravou) hodnotou dodaného tepla muže být v extrémních případech až 100 %, tj. měřidlo může ukazovat až dvojnásobek skutečně dodané energie.

Při obvyklých objemech roční dodávky tepla přes měřidlo a obvyklé ceně tepla může být finanční rozdíl mezi skutečnou a fakturovanou úhradou na vytápění i v řádu stotisíců korun.

Lze se setkat s případy, kdy je údaj vyrobené tepelné energie, který byl změřen měřidlem tepla určeným na vodu osazeným v okruhu s nízkotuhnoucí kapalinou, porovnáván s údajem spotřeby elektrické energie monoblokového tepelného čerpadla za účelem zjištění topného faktoru COP nebo SCOP. Číselná hodnota takto zjištěného SCOP/COP pak může mít blízko k naprosto nereálným údajům. Nikoliv ovšem vlivem vynikajících parametrů TČ, ale vlivem zcela chybného měření. Obdobně špatný výsledek můžeme získat při zjišťování energetické a ekonomické bilance u termického solárního systému, případně i v některých technologických procesech. V těchto případech sice nemusí jít o závazkový vztah, ale může jít až o klamání zákazníka, které by bylo v rozporu s dobrými mravy.

Jak vlastnosti nízkotuhnoucích kapalin ovlivňují měření?

Obr. 1 Příklad měřidla, respektive vyhodnocovací jednotky (kalorimetrické počítadlo) SONTEX, typ Supercal 531, s možností volby jiných teplonosných látek než voda. Lze použít jako pracovní měřidlo nestanovené.

Nízkotuhnoucí kapaliny mají obvykle toto složení:

Etylenglykol (též ethylenglycol, ethano-1,2-diol, 1,2-ethandiol) ve směsi s vodou a inhibitory koroze a chemickými stabilizátory.
Propylenglykol (též propylenglycol, propan-1,2-diol, 1,2-propandiol, 1,2-dihydroxypropan, methylethylglykol, methylethylenglykol) ve směsi s vodou a inhibitory koroze a chemickými stabilizátory.
Méně často směs alkoholu (metanolu nebo etanolu) s propylenglykolem ve směsi s vodou a inhibitory koroze a chemickými stabilizátory. Kapaliny na této bázi se velmi často označují přívlastkem „ECO“. Podíl propylenglykolu je většinou nízký, velký podíl tvoří alkohol.

Každý měřič tepla (kompaktní, hybridní a kombinovaný) sestává z dvojice snímačů teploty, průtokoměru a kalorimetrického počítadla. Zatímco měření teploty ve vodě i ve směsi voda-glykol nečiní technický problém, měření průtoku a kalorimetrický výpočet představuje problém, který nelze pominout.

Pokud je k měření tepla přenášeného nízkotuhnoucí kapalinou použito běžné měřidlo určené „na vodu“, pak nutně dochází k značné metrologické chybě měření z těchto důvodů:

Odlišná tepelná kapacita (měrné teplo) směsi proti vodě. Etylenglykol a Propylenglykol mají tepelnou kapacitu přibližně poloviční ve srovnání s vodou. To znamená, že stejný změřený objem Etylenglykolu nebo Propylenglykolu přenese přibližně poloviční množství tepla oproti vodě. Tepelná kapacita není konstantní, její velikost závisí na teplotě. Tepelnou kapacitu vody v závislosti na teplotě udává graf č. 1, vypočtený dle přibližného vztahu

c = (4210 − 1,363 ‧ T + 0,014 ‧ T²) ‧ 10⁻³ [kJ/(kg*K), °C]
Odlišná viskozita vody a nízkotuhnoucích kapalin a z toho plynoucí odlišné chování kapaliny v mechanických rychlostních průtokoměrech vlivem změny charakteru obtékání lopatek průtokoměru. To vede k chybám měření průtoku.
Odlišná rychlost šíření zvuku ve vodě a v nízkotuhnoucích kapalinách a z toho plynoucí vznik chyby měření průtoku v ultrazvukových rychlostních průtokoměrech. Obvyklé ultrazvukové průtokoměry zpravidla indikují chybu v průtokoměrné části až tehdy, když koncentrace glykolu ve směsi přesáhne 50 %.
Nízkotuhnoucí kapaliny obsahují velký podíl chemických stabilizátorů a inhibitorů koroze, jejichž vlastnosti nejsou zpravidla známé. Obsah těchto látek může značně ovlivnit výslednou tepelnou kapacitu kapaliny.
Příprava nízkotuhnoucích kapalin ředěním základní složky s vodou nevhodnou metodou (lidově řečeno na kýble, hrnce atp.). Při takové metodě není nikdy přesně známý skutečný poměr glykol (alkohol) / voda. Tepelná kapacita výsledné směsi závisí na koncentraci glykolu (alkoholu) ve směsi s vodou, a protože koncentrace není známá, nemůže být známá ani tepelná kapacita a měření nemůže být přesné.

Graf 1 – Tepelná kapacita (měrné teplo) vody

Pro výpočet tepelné kapacity směsi voda-propylenglokol a voda-etylenglykol lze podle [2] použít polynomickou rovnici:

kde je

c: tepelná kapacita (měrné teplo) směsi [kJ/(kg*K)]
A₁ až A₅: konstanty polynomické rovnice z tabulky č. 1
T: teplota [°C]
α: hmotnostní koncentrace glykolu v roztoku [–]

Tabulka 1 – konstanty polynomů
Konstanta / směs voda a	Etylenglykol	Propylenglykol
`A`₁	5,36449	4,47642
`A`₂	0,78863	0,60863
`A`₃	−2,59001	−0,71497
`A`₄	−2,73187	−1,93855
`A`₅	1,43759	0,47873

Proč není dostatečně zabezpečena správná aplikace tohoto měření?

Logickou otázkou je, proč používaná měřidla tepla ve veliké většině nejsou typově schválena pro použití v kombinaci s teplonosnou látkou typu směs voda a glykol (alkohol). Odpověď je obecně následující:

Aktuální legislativně platná normativně-technická dokumentace (mezinárodní i národní) dostatečně nezdůrazňuje možnost uvedených aplikací. Uvádí pouze rozlišení použití měřidel tepla pro vytápění a pro chlazení. Při schvalování typu, resp. při certifikaci měřidel tepla se obecně předpokládá použití teplonosné kapaliny voda. Pro použití měřidel tepla s nízkotuhnoucími kapalinami je proto třeba při jejich schvalování typu (certifikaci, jakož i postupu následného ověřování) tento fakt zahrnout na základě spolupráce výrobce měřidla a příslušné metrologické autority.

Na trhu jsou dostupná měřidla tepla, která umožňují nastavení jiné teplonosné látky, než je voda. Pokud však tato měřidla nejsou certifikována pro použití příslušné látky, potom lze tato měřidla použít pouze jako pracovní měřidla nestanovená („pracovní měřidla“), tedy pro účely mimo závazkové vztahy.

Obr. 2 Ukázka možnosti vybrat teplonosnou nízkotuhnoucí tekutinu s odlišnými vlastnostmi, než má voda. Tuto možnost některá měřidla nabízí.

V současné době se vedou v odborných kruzích diskuse, jak tento stav změnit a přiblížit schvalování a ověřování měřidel tepla reálným potřebám trhu, tj. reálné potřebě měřit teplo přenášené i nízkotuhnoucími kapalinami. Tyto diskuze musí vyřešit některé sporné body.

Jak zjistit tepelnou kapacitu nízkotuhnoucí kapaliny?

Základním problémem je, jak v praxi zjistit tepelnou kapacitu nízkotuhnoucí kapaliny a zaručit její neměnnost. Srovnáním grafu č. 2 a grafu č. 3 vidíme, že uváděné hodnoty se poměrně značně odlišují. Literatura [1] je sice poměrně starší a mohla být považována za méně důvěryhodnou. Na druhé straně ani novější zdroj [2] nezahrnuje vliv podílu chemických stabilizátorů a inhibitorů koroze v reálných nemrznoucích kapalinách. To může být podstatný problém.

Graf 2 – Měrné teplo Etylenglokolu (F. Adunka, zdroj [2])

Graf 3 – Měrné teplo Etylenglokolu (M. Conde, zdroj [1])

Graf 4 – Tepelná kapacita Propylenglokolu (M. Conde, zdroj [1])

Pokud dosadíme do polynomické rovnice uváděné v [2] a zadáme nulovou koncentraci propylenglykolu (etylenglykolu) – tedy vynecháme sudé členy a budeme počítat měrné teplo pro vodu, měla by nám vyjít pro obě látky shodná tepelná kapacita v celém oboru použitelných hodnot teplot. Vzhledem k tomu, že konstanty A₁, A₃ a A₅ nejsou shodné pro propylen(etylen)glykol, shodné hodnoty nedostaneme. Z toho lze usoudit, že výpočet tepelné kapacity podle [2] lze použít pouze s omezenou přesností a lze úspěšně pochybovat, že tato přesnost bude vyhovovat pro kalorimetrické měření.

Graf 5 – Srovnání tepelné kapacity naředěného Propylenglokolu a tepelné kapacity kapaliny PEKASOLar

Srovnáním teoretických hodnot tepelné kapacity směsi voda-propylenglykol s hodnotou tepelné kapacity teplonosné kapaliny PEKASOLar (podle údajů výrobce) vidíme, že průběh obou hodnot v závislosti na teplotě není identický a sobě odpovídající křivky se shodují v jediném bodě (graf č. 5). Tuto skutečnost lze pravděpodobně přičíst vlivu chemických stabilizátorů a inhibitorů koroze nebo chybným hodnotám tepelné kapacity uvedené výrobcem teplonostné kapaliny nebo chybě hodnot v [2].

Doporučení na závěr

Pro technickou i metrologickou praxi lze doporučit, aby při měření tepla v teplonosných kapalinách tvořených směsí voda s další látkou bylo povoleno pouze použití kapalin naředěných výrobcem a zakázáno používání dodatečně ředěných kapalin. To znamená i včetně jejich případného doplňování.

Je nezbytně nutné, aby firmware měřiče tepla pracoval s hodnotami tepelné kapacity zjištěnými pro konkrétní obchodní výrobek, s možností nastavení koncentrace ve směsi podle údajů výrobce, a nikoliv s nastavením pro obecné nízkotuhnoucí kapaliny, které způsobuje chyby měření.
Výrobce nízkotuhnoucí kapaliny určené pro přenos tepla v soustavách, ve kterých vznikají vztahové závazky, by měl mít povinnost velikost tepelné kapacity kapaliny v doporučených koncentracích kapaliny uvádět v technické dokumentaci, podle výsledků zjištěných měřením u autorizované osoby, a zajistit neměnnost po celou dobu výroby kapaliny.
Soustavy plněné nízkotuhnoucími kapalinami, ve kterých jsou instalovány měřiče tepla, musí být takto zřetelně označeny, doložen popis použité kapaliny, jejích vlastností a provozovatel soustavy musí garantovat, že vlastnosti skutečně používané kapaliny jsou shodné s kapalinou, na kterou je nastaven měřič, a že během provozu nedošlo ke změně typu kapaliny, ředění aj.

Literatura

F. Adunka, Wärmemengenmessung. Essen: Vulkan Verlag, 1984. ISBN 3802723589.
M. Conde ENGINEERING, Thermophysical properties of brines – models, Zurich 2011
J. V. Ráž, DiS., Fyzikální vlastnosti nemrznoucích směsí a navrhování soustav, www.tzb-info.cz
Materiály společnosti: pro KÜHLSOLE GmbH, Am Langen Graben 37, Düren, Německo
ČSN EN 1434:2016, -1 až -5

Autor: Ing. Petr Holyszewski je dlouholetým odborníkem působícím v oblasti měření tepla a vody, ověřování, zkušebnictví. V současnosti působí jako manager strategického vývoje ve společnosti ENBRA, a.s.

English Synopsis

Issues of heat measurement in systems with a heat transfer medium composed of a mixture of water and other liquids (low-melting liquid)

The author draws attention to the need to pay special attention to the measurement of heat conveyed by liquids other than water. The properties of mixtures of water and different substances have different thermodynamic properties than water and if the heat meter cannot be set for other measurement conditions, the measurement error may reach up to 100% in extreme. The properties of liquids in relation to the construction of heat meters are discussed. In conclusion, the author adds recommendations, the observance of which would help to ensure measurement accuracy.