Regulace kombinovaných otopných soustav

Společným znakem kombinovaných otopných soustav je nutnost vyřešit problémy spojené s rozdílnými teplotami a teplotními spády u jednotlivých okruhů. Okruh s otopnými tělesy by měl být do jisté míry hydraulicky, a tedy teplotně oddělen od okruhu otopných hadů podlahového vytápění. Tuto podmínku lze splnit více variantami řešení.

Jedním příkladem je speciálně upravený rozdělovač (obr. 1). Další možné, ale ne příliš časté řešení, je použití výměníku na rozhraní obou soustav. V tomto případě jsou obě soustavy plně odděleny teplotně i hydraulicky. To může být velmi zajímavé, např. při použití otopné vody s rozdílným chemickým složením či provozními teplotami.

Obr. 1 Směšovací rozdělovač pro kombinované otopné soustavy

Legenda k obrázku 1: 1 - kotel, 2 - čerpadlo, 3 - přepouštěcí ventil, 4 - rozdělovač pro okruh otopných těles, 5 - otopná tělesa, 6 - rozdělovač podlahového vytápění, 7 - otopné hady, V - regulační ventil, RŠ - uzavírací a regulační šroubení, TH - termostatická hlavice, T - teplotní čidlo, R - rozdělovač, S - sběrač, Č - čerpadlo v okruhu podlahového vytápění, K - kapilára

Z hlediska funkčního zapojení a provozování lze tyto kombinované soustavy rozdělit na soustavy, kde je

• podlaha provozována s částečnou zátěží;
• podlaha stabilně temperována;
• a podlaha hlavní otopnou plochou.

Jak je patrné největší potíže v kombinovaných otopných soustavách máme s podlahovou otopnou plochou a tak si nejdříve uveďme vhodné způsoby regulace výkonu této otopné plochy.

REGULACE VÝKONU PODLAHOVÉ OTOPNÉ PLOCHY

Teplovodní podlahové vytápění klade na regulaci výkonu podlahové otopné plochy obdobné nároky, jako teplovodní vytápění s jinými otopnými plochami. Hlavním rozdílem, který bychom měli respektovat, je akumulační schopnost podlahové otopné plochy a s ní související odlišná setrvačnost náběhu, resp. reakce otopné plochy na regulační zásah.

Setrvačnost náběhu T [min] vyjadřuje dobu potřebnou k dosažení jmenovitého tepelného výkonu při přivádění vody o jmenovité vstupní teplotě, jmenovitém průtoku a jmenovité teplotě okolí. Tato hodnota, spolu s časovou konstantou otopné plochy τ_A, která vyjadřuje míru akumulace, je důležitá pro zjišťování rychlosti odezvy otopné plochy na regulační zásah. Jako porovnávací kritérium slouží setrvačnost náběhu T₆₃ při dosažení 63 % tepelného výkonu otopné plochy (event. T₉₀ při dosažení 90 % výkonu). Např. setrvačnost náběhu T63 deskových otopných těles se pohybuje o jeden řád v nižších hodnotách oproti mokrému způsobu pokládky u přímotopné podlahové otopné plochy (7,8 min / 60 min).

Časová konstanta τ_A rozhoduje o tom zda se podlahová otopná plocha chová jako akumulační, poloakumulační či přímotopná. Časová konstanta u plně akumulačních podlah má být nejméně 8 hodin a nejlépe 10 až 15 hodin. Poloakumulační podlahové otopné plochy mají τ_A od 4 do 8 hodin. Podlahy s časovou konstantou kratší než 4 hodiny se již označují jako přímotopné. U přímotopné podlahové otopné plochy s mokrou pokládkou otopného hadu se většinou časová konstanta pohybujeme v rozmezí 2 až 3 hod.

Regulaci tepelného výkonu podlahové otopné plochy lze realizovat třemi základními způsoby:

• regulace podle teploty vnitřního vzduchu;
• regulace podle teploty venkovního vzduchu - ekvitermní;
• ekvitermní regulace se zpětnou vazbou na vnitřní teplotu.

U regulace podle vnitřní teploty se výkon řídí např. prostorovým termostatem umístěným v referenční místnosti. Jinou variantou je P regulátor s čidly teploty v jednotlivých místnostech, který ovládá pohony u regulačních ventilů na patrovém rozdělovači jednotlivých otopných hadů. Rovněž využitelné jsou TRV s termostatickou hlavicí. Ty jsou instalovány buď přímo u každého otopného hadu v jednotlivých místnostech (otopný had vytažen částečně do stěny a instalován TRV) nebo na patrovém rozdělovači s odděleným čidlem v místnosti, spojeným s pohonem kapilárou.

Změna poruchové veličiny se projeví na teplotě místnosti téměř okamžitě. Odpovídající reakce akčního členu, která by měla vliv na odstranění regulační odchylky, se pro velkou akumulační schopnost podlahového vytápění projeví s velkým zpožděním. Vzhledem k této skutečnosti se použití regulace podlahového vytápění podle teploty místnosti spoléhá na tzv. samoregulační schopnost podlahové otopné plochy.

Regulaci podle teploty venkovního vzduchu odpovídá funkční zapojení složené z regulátoru, snímače teploty venkovního vzduchu a snímače teploty otopné vody. Akčními členy jsou směšovací trojcestný ventil či dvoucestný v zapojení pro směšování v pevném bodě potrubní sítě. V případě velkých směšovacích poměrů, které by bylo obtížné zajistit vzhledem k charakteristikám směšovacích armatur projektujeme i pevný zkrat, neboť jen tak zajistíme u regulační armatury regulovatelnost v širokém rozsahu zdvihu. Čerpadlo musí být instalováno zásadně v okruhu soustavy podlahového vytápění a nikoli pouze v okruhu zdroje tepla (obr. 2). Použitelná je rovněž regulace kvantitativní s využitím škrtícího dvoucestného regulačního ventilu.

Obr. 2 Regulace podlahového teplovodního vytápění s využitím trojcestného ventilu

Legenda k obrázku 2: 1 - kotel, 2 - čerpadlo, 3 - trojcestný směšovací ventil, 4 - vyvažovací ventil, 5 - pevný zkrat, 6 - expanzní nádoba, 7 - otopné hady, 8 - rozdělovač podlahového vytápění, 9 - zpětná klapka; (grafické značky použité v dalších obrázcích jsou ve shodě se značkami na obr. 2)

V regulátoru je nastavena příslušná otopná křivka, závislost teploty otopné vody na venkovní teplotě. Při změně venkovní teploty regulátor dává povel k přestavení např. trojcestné armatury tak, aby teplota přívodní otopné vody odpovídala geometrické venkovní teplotě. I zde se však odpovídající reakce akčního členu díky velké setrvačnosti náběhu podlahového vytápění projeví na změně regulované veličiny s velkým zpožděním. U klasického ekvitermního regulátoru se tak musíme opět spolehnou na tzv. samoregulační schopnost podlahové otopné plochy.

Samoregulační schopnost podlahové otopné plochy vychází ze základního definičního vztahu pro přestup tepla na otopné ploše. Pro měrný tepelný výkon podlahové otopné plochy je určující rozdíl povrchové teploty podlahy a teploty vzduchu. Změní-li se teplota vzduchu, změní se i měrný tepelný výkon.

Pro určení samoregulační schopnosti podlahové otopné plochy se vychází z experimentálně stanovených hodnot výkonů s respektováním tepelně-technických a geometrických vlastností otopné plochy. Respektování výše uvedených vlastností postihne teplotní exponent podlahové otopné plochy, který je roven n = 1,1. Rozhodující vztah, ukazující nám samoregulační chování podlahové otopné plochy v závislosti na změně vnitřní teploty vypadá následovně:

Uvažujme např. teplotu podlahové otopné plochy t_P = 26 °C a pro teplotu vzduchu:

a) t_i = 20 °C pak je q = 64 W/m²;
b) t_i = 22 °C pak je q = 41 W/m².

Vidíme, že díky tzv. samoregulační schopnosti podlahové otopné plochy dojde ke snížení měrného tepelného výkonu, ale za cenu zvýšení teploty ve vytápěném prostoru a tudíž i tepelné ztráty. To, že při výše uvedených dvou způsobech regulace spoléháme také na samoregulační schopnost podlahové otopné plochy znamená, že po dobu, než se projeví odezva na regulační zásah (např. 2,6 hod), je požadovaná hodnota regulované veličiny stále překračována.

Ekvitermní regulace se zpětnou vazbou na vnitřní teplotu je možnou variantou optimalizace regulačního procesu. Vzhledem k vnějším a vnitřním tepelným ziskům vstupuje do ekvitermní regulace zpětná vazba z prostoru. Nejedná se zde tedy o čisté ekvitermní řízení, ale o ekvitermní řízení se zpětnou vazbou na vnitřní teplotu. Regulátor měří aktuální teplotu v referenční místnosti (prostoru) a koriguje systém ekvitermní regulace.

Abych dosáhly požadovaných výsledků je třeba použít tzv. samoadaptivní regulátor se schopností "učit se". Regulátor si na základě dříve uložených a vyhodnocovaných dat sám koriguje otopnou křivku v souladu s předjímaným časovým průběhem teplot. Jinými slovy dá např. povel k přenastavení trojcestné směšovací armatury o např. 2,2 hod. dříve, na základě vyhodnocení průběhů venkovní a vnitřní teploty z minulých dní a předpokládaného současného trendu vývoje teplot. Zároveň zpětně koriguje své "rozhodnutí" na základě aktuálně snímaných teplot a přizpůsobuje - adaptuje se na nové podmínky.

PROVOZ

Pokud máme klasický zdroj tepla s nejvyšší teplotou vody např. 80 °C, je potřeba pro nízkoteplotní okruh projektovat i pevný zkrat, neboť jen tak zajistíme u regulační armatury (trojcestný či čtyřcestný směšovací ventil či klapka) regulovatelnost v celém rozsahu zdvihu.

Obr. 3 Regulace podlahového teplovodního vytápění s využitím trojcestného ventilu a s nízkoteplotním zdrojem tepla

V regulátoru je nastavena příslušná otopná křivka - závislost teploty otopné vody na venkovní teplotě. Při změně venkovní teploty regulátor dává povel k přestavení trojcestné armatury tak, aby teplota přívodní otopné vody odpovídala geometrické venkovní teplotě.

Na obr. 3 je opět znázorněna regulace přívodní teploty otopné vody v závislosti na venkovní teplotě (ekvitermně), kde regulátor řídí trojcestný ventil. Avšak zdrojem tepla je zde kondenzační kotel s maximální výstupní teplotou 55 °C. Vzhledem k této skutečnosti není potřebné zkratovací potrubí (obr. 6), přičemž chod oběhového čerpadla může být řízen z regulátoru. Totéž schéma by mohlo být doplněno např. ještě řízením hořáku nízkoteplotního zdroje z téhož regulátoru.

Obr. 4 Regulace podlahového teplovodního vytápění s využitím čtyřcestné armatury

Další způsob nám nabízí použití čtyřcestné armatury (obr. 4), u které se jedná o kvalitativně - kvantitativní regulaci. Aby bylo možné otopnou soustavu řádně tlakově vyvážit, je potřebné instalovat čerpadla jak v kotlovém okruhu tak i v okruhu soustavy.

Při regulaci podlahového vytápění se nám naskýtají i řešení bez použití směšovacích armatur. Zde používáme dvoucestné regulační ventily, tedy kvantitativní regulaci. Dvoucestný ventil ovlivňuje hmotnostní průtok otopné vody v závislosti na změně venkovní teploty. Současně tuto jeho funkci vylepšíme zařazením vyvažovacího ventilu do zkratového potrubí. Tento způsob zapojení ukazuje obr. 5.

Obr. 5 Regulace podlahového teplovodního vytápění s využitím dvoucestných regulačních ventilů

Při tzv. regulaci na částečnou zátěž nestačí instalovaný výkon podlahového vytápění krýt celou tepelnou ztrátu a je třeba použít dodatkových otopných ploch, tj. druhotnou soustavu. Otopná tělesa tvoří samostatný rychle reagující okruh, který není závislý na podlahovém vytápění (obr. 6).

Okruh otopných těles se reguluje v závislosti např. na vnitřní teplotě změnou teploty přívodní vody ve směšovací armatuře a místní regulace TRV s hlavicemi zajistí doregulování. Noční útlum teploty se po celé otopné období dosahuje vyřazením konvekční soustavy s otopnými tělesy z provozu. Ani při nejnižších nočních venkovních teplotách nehrozí zamrznutí konvekční soustavy. Při obvyklém rozdělení tepelných ztrát připadá na podlahové vytápění 50 až 70 % a na dodatkovou otopnou plochu 50 až 30 %.

Obr. 6 Regulace kombinované otopné soustavy s kondenzačním kotlem.

Konvekční okruh s otopnými tělesy se však může regulovat i ekvitermně se zařazenou trojcestnou armaturou a podlahová otopná plocha rovněž tak s použitím nepřetržitého předsměšování. Zdroj tepla se pak může provozovat s konstantní teplotou např. 85 °C (obr. 7).

Obr. 7 Regulace kombinované otopné soustavy s klasickým zdrojem tepla.

V některých případech se podlahové vytápění využívá pouze k temperování podlahy. Je to např. v koupelnách, lázních a v krytých bazénech. Zde má podlahové vytápění dva úkoly. Jedním je zlepšení pocitu lokální tepelné pohody a druhým urychlení vysušení podlahy. Tepelné ztráty hradí zcela vytápění s jinou otopnou plochou, event. klimatizace se samostatnou regulací. Podlahové vytápění pouze temperuje podlahu na konstantní teplotu, např. shodnou s teplotou vody v bazénu. Teplota přívodní otopné vody se reguluje na konstantní hodnotu bez ohledu na teplotu venkovního vzduchu.

Na obr. 8 je schéma, kde výstupní teplota kotle je řízena regulací dvoustupňového hořáku, klasická otopná soustava je napojena přímo a okruh nízkoteplotního vytápění je napojen přes čtyřcestnou směšovací armaturu, s možností ovládat čerpadlo. Otopná soustava je vybavena přepouštěcím ventilem a okruh nízkoteplotního vytápění má nastaven předběžný poměr směšování vyvažovacím ventilem.

Obr. 8 Ekvitermní regulace kombinované otopné soustavy s využitím čtyřcestné směšovací armatury.

Temperování podlahové otopné plochy slouží ke zvýšení komfortu a současně pokrývá část potřeby tepla, se kterou se však ve výpočtech nekalkuluje. U malých ploch lze využít tzv. omezovač teploty na vratné větvi, který zde reaguje na teplotu protékající otopné vody a udržuje ji na nastavené konstantní hodnotě (obr. 9). Podstatné je, že čidlo omezovače teploty snímá teplotu vody v otopném hadu. Ventil otevírá při poklesu teploty vody pod nastavenou hodnotu. Při vyšší teplotě vody, než je nastavená hodnota, je uzavřen. Zde je důležité si uvědomit, že se nejedná o kontinuální regulaci, ale o omezovač teploty (otevřeno / zavřeno) využívající velké akumulační schopnosti a setrvačnosti náběhu podlahové otopné plochy.

Obr. 9 Temperování podlahy s omezovačem teploty na vratné větvi.

Protože tato regulace ovlivňuje průtok vody a teplotní rozdíl, nikoli však vstupní teplotu, musí se u podlahové otopné plochy zvláště dbát na nepřekročení maximální dovolené povrchové teploty. Tento způsob regulace je vhodný pouze pro malé podlahové otopné plochy do cca 15 m², uvažované spíše jako doplněk tepelného komfortu (např. koupelna, přičemž celý dům je vytápěn soustavou s otopnými tělesy).

ZÁVĚR

Kombinované otopné soustavy většinou vyžadují dva oddělené okruhy, neboť klasické vytápění s otopnými tělesy a podlahové vytápění pracuje za jiných hydraulických a teplotních podmínek. Pokud bychom ponechali kombinovanou soustavu jako sourodou, tj. zapojenou na jeden regulovaný okruh, dostaneme se do provozních potíží. Podlahová otopná plocha se vyznačuje teplotním exponentem n = 1,1. Otopná tělesa mají teplotní exponent okolo 1,33. Každá otopná plocha tedy mění svůj výkon se změnou teplotních parametrů po jiné křivce. U ekvitermní regulace teplotnímu exponentu otopné plochy odpovídá prohnutí otopné křivky a tudíž v průběhu otopného období i zcela jiné požadavky na teplotu otopné vody pro jednotlivé otopné plochy.

Podívejme se blíže na řešení podle obr. 10. Kotel a okruh s otopnými tělesy jsou zde regulovány ekvitermně. Otopný okruh podlahového vytápění je regulován rovněž ekvitermně avšak kvalitativně přes trojcestný směšovací ventil. Protože nejde o soustavu s kondenzačním kotlem musí být zařazen nad trojcestný směšovací ventil ještě pevný zkrat. Povšimněme si, že oba okruhy (okruh otopných těles i okruh podlahové otopné plochy) jsou regulovány zvlášť podle vlastních otopných křivek, tj. podle otopných křivek s jiným prohnutím, podle příslušného teplotního exponentu.

Obr. 10 Kombinovaná otopná soustava s nízkoteplotním kotlem

Použití jednoduchého hydraulického napojení podlahové otopné plochy na soustavu přes omezovač teploty vřazený do zpětné větve lze pouze v případech, kdy podlahová otopná plocha nepřekročí 10 až 15 m². Mějme rovněž na paměti, že vždy když nemáme jako zdroj tepla kondenzační kotel či tepelné čerpadlo, je potřebné navrhnout ke směšovací armatuře ještě pevný zkrat.

Literatura:

[1] Bašta, J.: Hydraulika a řízení otopných soustav. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2003. - 252 s., 209 obr., ISBN 80-01-02808-9.
[2] Bašta, J: Kombinované otopné soustavy aneb soustavy s otopnými tělesy a podlahovou otopnou plochou. VVI, 2000, roč. 9, č. 2, s. 63 - 66.
[3] Bašta, J.: Regulace výkonu podlahové otopné plochy. In: VVI, 2006, roč. 15, č. 4, s. 165-168. ISSN 1210-1389.
[4] Bašta, J.: Řízení a regulace ve vztahu k hospodárnosti provozu vytápěcích zařízení. In: Stavebnictví, 2007, 11-12, s. 17-22. ISSN 1802-2030.