Termické vyvážení při úpravách otopných soustav I.
Článek popisuje význam termického vyvážení pro dosažení úspor tepla při úpravách dynamických otopných soustav, poskytuje některé podklady (matematický model funkce TRV, ukázka úplných výkonových charakteristik TRV a podklady pro nastavování termostatických hlavic) a na jednoduchých příkladech demonstruje jeho účinek.
Světově nové termické vyvažování dynamických soustav spočívá v zajištění podmínek, při kterých bude otopná soustava reagovat na tepelné zisky jako na poruchovou veličinu regulačních procesů a bude tím dosaženo úspor tepla v plné úrovni tepelných zisků. Podmínkami se rozumí stav, kdy je korigovaným průtokem topné vody ke každému otopnému tělesu přivedeno množství TEPLA, jehož působením je bez tepelných zisků zajištěn základní zdvih kuželky TRV, od kterého se při změnách řídicí teploty vzduchu vytápěných místnosti odvíjejí regulační procesy.
Soustava pak funguje bez neekonomických zkratových průtoků, všechny TRV pracují se 100% účinností a pomine-li působení tepelných zisků, soustava se automaticky vrátí k původnímu projektovanému stavu, bez zbytkových chyb v hydraulických poměrech sítí a v přenosu tepla mezi zdrojem a spotřebiči. Termické vyvážení soustavy v koncových bodech má proto klíčový význam pro úspory tepla i pro funkci.
GRAF 1 dokládá, že o průtocích topné vody ve vnitřních a vnějších sítích dynamických soustav nerozhoduje jen hydraulické vyvážení na hodnoty "N", ale hlavně zdvih kuželek TRV v koncových bodech, který nemá s hydraulikou nic společného, protože je zcela nezávisle řízen teplotou vzduchu vytápěných místností. Zatímco klasické projektování výchozí regulační stav soustavy zdvihem kuželky pomíjí, termohydraulika jej termickým vyvážením řeší. Z GRAFU 1 plyne, že u TRV s tzv. "druhou regulací" (N = 1 až 9) je autorita kuželky předem dána nastavením "N" a výpočet hodnot "N" je u tohoto druhu TRV prováděn pro jednotné proporcionální pásmo XP, s jednotným zdvihem kuželky.
Například při XP = 2K dojde k uzavření průtoku z nominální hodnoty na nulovou při vzestupu teploty o 2°C u všech TRV, ať má kuželka jakoukoliv autoritu. To je důvod, proč renomovaní výrobci TRV od snah o řešení vlivu autority (například profilací kuželky) zcela upustili a proč příčiny nízkých úspor tepla regulační technikou v profilovém tvaru nebo v autoritě kuželky nejsou. Plné úspory tepla z tepelných zisků by nemohly být zajištěny ani termostatickým ventilem s autoritou kuželky a = 1, pokud chybí termické vyvážení, kterým jsou hydraulické poměry dynamické soustavy funkčně přiřazeny k řídicím teplotám vytápěných místností.
Regulační rozsah konkrétního typu TRV
Z existujících čtyř druhů TRV se dnes na trzích EU vyskytují prakticky už jen TRV s tzv. "druhou regulací". Regulační rozsah je v tomto případě dán kombinací jednotného proporcionálního pásma XP a stupně nastavení kuželce předřazeného elementu (profilové nebo úhlové regulační clony).
Pro jednotlivé stupně nastavení předřazeného elementu je výrobcem TRV v prospektech uváděna závislost nastavení druhé regulace "N" na požadované hodnotě "Kv", například:
| Nastavení TRV uvedené výrobcem (tab.1) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Nastavení N | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Kv (m3.h-1) | 0,073 | 0,174 | 0,285 | 0,361 | 0,443 |
Při projektování otopných soustav se často zapomíná, že celá škála této stupnice platí jen pro jedinou hodnotu proporcionálního pásma XP a tedy pro jediný zdvih kuželky termostatického ventilu, který pro platnost výrobcem publikovaných "Kv" musí být projektem zajištěn seřízením kompletu TRV+hlavice. Není-li tato podmínka splněna (viz průběh funkcí v GRAFU 1), je projektované nastavení TRV chybné a projekt vytápění neposkytuje investorovi garanci ani správné funkce, ani úspor tepla funkcí regulační techniky.
U dvojregulačních TRV jsou výrobcem publikované hodnoty vztaženy k proporcionálnímu pásmu XP = 2K (kterému při roztažnosti čidla 0,25 mm.K-1 odpovídá zdvih kuželky 2 x 0,25 = 0,5 mm) a někteří výrobci udávají ještě závislost při XP1K, případně XP3K.
Ve všech případech však musí být pro platnost projektu vytápění a pro úspory tepla funkcí TRV, odpovídající zdvih kuželky v základním stavu (bez působení tepelných zisků) dodržen a proto musí být pro různé projektované teploty místností co nejpřesněji vymezen nastavením termostatické hlavice.
Termostatický ventil + termostatická hlavice tvoří jediný regulační prvek, jehož funkci nelze chápat odděleně a bude úsporně fungovat jen tehdy, bude-li kompletně seřízen jako celek. 100% účinnost prvků kvantitativní regulace v koncových bodech dynamických soustav proto nastane pouze v podmínkách, kdy bude zajištěn správný přenos TEPLA aktivující teplotní čidla ke správnému základnímu zdvihu kuželek a komplet TRV+hlavice bude seřízen na výchozí regulační stav bez působení tepelných zisků. Tento stav nelze žádným měřením soustav, ani hydraulickým vyvažováním, zajistit. Pro úspory tepla regulační technikou je proto rozhodující PROJEKT, obsahující termické vyvážení soustavy.
Dále platí, že správný zdvih kuželek TRV se správnými průtoky v sítích nastane v případě, že do soustavy nebude přiváděn nedostatečný, ani nadměrný tepelný výkon. Proto je potřebné, řešit navíc zkoordinovanou činnost kvantitativní a kvalitativní složky celkové kombinované regulace vytápění a souhrnnému zajištění těchto podmínek se říká plné TERMICKÉ VYVÁŽENÍ otopné soustavy.
Termohydraulicky seřízená soustava má však proti klasické soustavě velkou výhodu v tom, že jsou termicky vyvážené koncové body a případný nadbytek přiváděného tepla vyvolá u všech TRV podobnou odezvu, takže nevzniknou nadměrné zkratové průtoky ani hydraulické disproporce a řešení optimálních teplotních parametrů na počátku soustavy může být zajištěno až následně, ve druhém kroku. Soustava proto pracuje úsporně už předtím, než dojde k úpravě teplotních parametrů na počátku sítě. To umožňuje souběžné řešení úprav otopných soustav v zateplených i nezateplených budovách s úsporami tepla v obou stavech.
Pro řešení správné funkce dynamických soustav, nebo jejich úprav s plnými úsporami tepla, nesmí matematický model, ani návrhový software, pracovat s průtoky teplonosné látky jako s výchozí veličinou při voleném teplotním spádu, ale musí pracovat přímo s přenášeným TEPLEM. Korigované průtoky i teplotní spády v bodě připojení otopných těles musejí být výstupními, nikoliv vstupními daty. Otopné soustavy jsou ve své podstatě termické, smyslem jejich řešení je distribuce a ekonomické využití TEPLA a nikoliv teplonosné látky, která je ve vytápění jen nosičem tepla a tedy pouze veličinou pomocnou.
Matematický model s virtuálním termostatickým ventilem stál kdysi u zrodu řešení dynamických otopných soustav s plnými úsporami tepla, je plně platný, ale průběh funkcí v GRAFU 1 nemůže být univerzální, protože konkrétní typy TRV se vyrábějí s různými charakteristikami.
GRAF 2 ukazuje výseč pracovní charakteristiky reálného TRV v oblasti XP1 až XP3, i s případnými nepřesnostmi měření. Kdyby bylo provedeno měření ve více bodech, byl by průběh funkcí méně zkreslený a bylo by lépe vidět, jak křivky mají nejprve téměř konkávní a teprve poté konvexní průběh.
Přenesení výsledků měření do srozumitelnějšího OBR.1 poskytuje názornější obraz podmínek, jaké musí úprava otopné soustavy pro dosažení plných úspor tepla zajistit.
OBR. 1 Dosud nepublikovaný příklad úplných výkonových charakteristik TRV a průtoků topné vody.
Projektant používá pro výpočet nastavení TRV běžně publikované hodnoty KvXP2 a regulační rozsah TRV zde proto činí 0,073 m3.h-1 až 0,443 m3.h-1. Při tlakové ztrátě TRV 10 kPa pak mohou být seřízením TRV vyregulovány tepelné výkony cca:
| Při 92,50/67,50°C | 670 W (G = 23 kg.h-1) až 4081 W (G = 140 kg.h-1) v nezatepleném stavu objektu |
| Při 60,55/50,52°C | 268 W (G = 23 kg.h-1) až 1632 W (G = 140 kg.h-1) v zatepleném stavu objektu |
Oba stavy s regulačním poměrem 1 : 6,07 sice svědčí o vysoké regulační schopnosti TRV, ale zdvih kuželky 0,5 mm (odpovídající proporcionálnímu pásmu XP2) musí být vždy nastavením hlavice zajištěn, jinak by neplatil projekt vytápění, ani údaje výrobce o vztahu mezi nastavením "N" a požadovanou hodnotou "Kv".
Protože zdvih kuželky (zde 0,5 mm) musí být zajištěn při různých projektovaných teplotách různých vytápěných místností, je hlavice otočná, aby zdvih mohl být vymezen v různých teplotách místností a aby mohl stále při XP2 platit vztah mezi hodnotou "Kv" a projektovanou hodnotou "N". Pokud tomu tak není, je výrobcem garantovaná regulační charakteristika na GRAFU 2 porušena a TRV pak nemohou vykazovat plně úsporné vlastnosti. Hlavice tedy není otočná pro volbu libovolné teploty v místnosti uživatelem a takové tvrzení, z fatálního nepochopení principu funkce TRV, nás připravuje o úspory tepla.
Například při nastavení druhé regulace projektantem na hodnotu N = 5 s XP2, by při současném uživatelském otevření hlavice na hodnotu XP = 3 činil zdvih 0,75 mm (místo 0,5 mm), ventilem proudilo 218 kg.h-1 (místo 140 kg.h-1) a 78 kg.h-1 zbytečně ohřáté vody dopravené k tělesu, by se vracelo zpět, bez plného využití k vytápění na 20°C. Teplota v místnosti by sice mírně stoupla (viz článek "Úspory tepla při úpravách otopných soustav na TZB-info), ale nikoliv na teplotu 27°C, protože plocha otopného tělesa (projektovaná na 20°C) je pro přenesení zvýšeného tepelného výkonu do místnosti malá a XP bude ještě větší.
Při nastavení hlavice uživatelem na hodnotu NH = 5, je tedy vytápění silně neekonomické a klasický projekt vytápění neplatí, protože uživatelem nastavené proporcionální pásmo by bylo při 27°C XP3 a nikoliv XP2. Při XP3 navíc k uzavření průtoku tělesem nestačí vzestup teploty místnosti působením tepelných zisků o 2°C, ale teplota místnosti musí stoupnout o 3°C. To znamená termicky nevyvážený stav a nižší úspory tepla regulační technikou o dalších 33%. Hlavice proto musí být nastavena správně. Naopak v objektu se sníženou teplotou místností (nebo v objektu nevytápěném) zase o žádné fyzikálně zdůvodněné úspory tepla nejde, protože nebyla dodržena vnitřní teplota.
Vztahy mezi tepelnými ztrátami místností, velikostmi otopných ploch, proporcionálním pásmem TRV, průtoky a teplotami topné vody, jsou na sobě fyzikálně závislé a pro dosažení plných úspor tepla při vytápění budov proto musejí být projektem vyřešeny a nikoliv jen předpokládány. Vyřešením těchto vztahů se zabývá termohydraulika, jejíž součástí je termohydraulické seřizování a termické vyvažování soustav a sítí před zateplením a po zateplení stavebních objektů.
Termické vyvážení na prahu tepelných spotřebičů - nejdůležitější podmínka úspor tepla
Jsou-li při korigovaných průtocích, garantujících požadovaný přenos TEPLA termostatické ventily seřízeny na hodnoty "N" odpovídající podle podkladů výrobce danému proporcionálnímu pásmu, je základní zdvih kuželek TRV přiřazen k řídicím teplotám vzduchu základním nastavením hlavic. Tím jsou k hodnotám řídicích teplot vzduchu přiřazeny průtoky i tlakové ztráty soustavy a jsou tím zajištěny automatické regulační procesy na prahu koncových spotřebičů tepla.
Tepelné zisky se tím stanou poruchovou veličinou nastaveného výchozího bodu regulačních procesů a TRV reagují na tepelné zisky automaticky, se 100% účinností.
Stoupne-li pak působením tepelných zisků teplota v místnosti o 1°C, tak u TRV nastaveného na hodnotu N = 3, s hlavicí nastavenou na NH = 3, klesne podle OBR.1 průtok z původních 90 kg.h-1 na průtok 47 kg.h-1 a pomine-li působení tepelných zisků, kuželka TRV se automaticky vrátí k původnímu správnému zdvihu 0,5 mm, s původním proporcionálním pásmem XP2. Takovou funkci ani účinnost a přesnost regulace nelze jinými prostředky dosáhnout, nehledě k tomu, že soustava s automatickou funkcí je pak trvale v projektovaném optimálním stavu seřízení regulační techniky. Úspory tepla jsou pak nejvyšší a hlavně skutečné, protože jich nebylo dosaženo snižováním úrovně vytápění bytů.
Základní nastavení hlavic při termickém vyvážení
Při vzestupu řídicí teploty o 1°C se sníží zdvih kuželky o 0,25 mm, tlaková ztráta TRV nastaveného na N = 3 se zvýší na 380% a průtok poklesne z 90 kg.h-1 na 47 kg.h-1. Nepatrná změna zdvihu kuželky vlivem teploty tedy způsobí značnou změnu hydraulických poměrů v celé soustavě i vnější síti a proto musí být hodnota "NH" základního nastavení termostatické hlavice určena přesně. Necitlivé manipulace s hlavicemi vyvolávají řádově větší změny zdvihu kuželky a pro úspory tepla regulačními procesy jsou proto doslova destrukční.
Výrobcem uváděná stupnice nastavení hlavic "NH" platí pro stejnou teplotu vzduchu a topné vody. Uvedená hodnota NH = 3 pro 20°C znamená, že proporcionální pásmo XP2 a zdvih kuželky 0,5 mm nastanou, když teplota vzduchu v místnosti bude 20°C a teplota topné vody bude také 20°C. Jsou to parametry měřené ve vodní lázni s teplotou 20°C a tedy mimo reálnou pracovní oblast soustavy. V reálném provozu soustavy jsou vždy obě hodnoty vyšší, a proto musí být vyšší i hodnota nastavení hlavice.
Teplota vzduchu musí být větší než požadovaná výsledná teplota 20°C v místnosti, protože okolní stěny jsou při prostupu tepla chladnější než vzduch. Také teplota vody je vyšší než 20°C a nastavení hlavice, při kterém bude garantován zdvih kuželky a zajištěna platnost podkladů výrobce, se musí vypočítat.
U nezateplených budov s větším podílem transparentních konstrukcí (oken) může při ti = 20°C činit požadovaná teplota vnitřního vzduchu i více než 22°C, ale to už by byl TRV s hlavicí nastavenou na NH3 zcela uzavřen. Výpočet správného nastavení termostatické hlavice je tedy pro termické vyvážení soustavy důležitý a je dalším důkazem o 700% vyšší náročnosti termohydraulického projektu proti klasickému. Při výpočtu nastavení hlavic se do hodnot "NH" promítají různé teploty vzduchu "tv" (i u místností vytápěných na stejnou výslednou teplotu ti = 20°C) a také měnící se teplota topné vody v potrubní síti, která kondukčním ohřevem teplotního čidla mírně mění zdvih kuželky. Při požadované výsledné teplotě místnosti 20°C pak činí nastavení hlavice například NH = 3,56 a nikoliv NH = 3, podle podkladů výrobce. Termické vyvážení dynamické soustavy je tedy poměrně náročné. Zajištěno ale být musí, nejen pro plné úspory tepla regulační technikou, ale i pro její základní funkci. Týká se to například i regulátorů diferenčního tlaku, které jsou též schopny udržovat správné hodnoty jen při správných průtocích (tj. korigovaných) a týká se to i všech ostatních, například vyvažovacích a regulačních armatur v celé soustavě.
Nedostatečné úspory tepla v soustavách s regulační technikou jsou důsledkem stavu, kdy je regulační technika projektována a používána jako prosté uzavírací armatury a nevyřešené regulační procesy v oboru vytápění byly ponechány na člověku, který je má svými uživatelskými zásahy nahradit. Klasicky projektované nastavení "N" je vztaženo k předpokládanému zdvihu kuželky, který je však ve skutečnosti zcela jiný a neznámý, protože je dán uživatelským (nikoliv správným) nastavením hlavic. Údaje z OBR.1 dokazují, že při nastavení termostatických hlavic už jen v rozsahu XP1 až XP3, činí odchylky reálných průtoků v celé soustavě minimálně 50% až 155% s tlakovou ztrátou 25% až 240% a při plném otevření hlavic jsou ještě větší. Hydraulické vyvažování je navíc chybné, protože soustava není vyvažována v koncových bodech a vyvažované klasicky určené průtoky nezajišťují správnou aktivaci teplotních čidel. Takže klasicky projektované soustavy jsou z hlediska úspor tepla nevyprojektované a existuje dokonce mnoho soustav, kde byla regulační technika podle zákona 406/2000 Sb. instalována bez jakéhokoliv projektu. Použita byla přitom jen tabulka s nastavením TRV podle chybného klasického průtoku a úsporná funkce dynamických soustav regulačními procesy zůstala zcela neřešena. Cena takového "projektu" byla nízká, ale vzhledem ke skutečnému technickému řešení dynamické soustavy byla až příliš vysoká, protože nastavení armatur i hydraulické vyvážení byly chybné a termické vyvážení nebylo žádné. Otázka, proč takové soustavy "fungují" byla odpovězena již v předchozích dvou článcích. Takové soustavy pracují se zbytečným přebytkem vyráběného a distribuovaného tepla, proto sice hřejí, ale teplo nespoří.
Podklady pro nastavování termostatických hlavic při úpravách otopných soustav
Protože kuželka TRV má v pracovní oblasti vyšší autoritu než nastavení druhé regulace "N", je pro zajištění ekonomických průtoků v dynamických soustavách nastavení hlavic na hodnoty "NH" důležitější, než nastavení ventilů "N". Nastavení hodnot "N" je navíc v klasickém projektu provedeno na chybné průtoky a přidá-li se nesprávné nastavení hlavic "NH", ovlivňující zdvih kuželky a tím i regulační charakteristiku TRV, pak takové seřízení soustavy doslova likviduje schopnosti regulační techniky spořit teplo.
Dnes jsou všechny TRV i hlavice vysoce kvalitními výrobky a vlastnosti některých z nich uvádí TAB.2.
| Hlavice | Teplota přívodní vody tp = 90°C | Teplota přívodní vody tp = 50°C | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| NH při teplotě vzduchu tv°C a XP = 2K | NH při teplotě vzduchu tv°C a XP = 2K | |||||||||||||||
| 10° | 12° | 15° | 18° | 20° | 22° | 24° | 26° | 10° | 12° | 15° | 18° | 20° | 22° | 24° | 26° | |
| Danfoss RA2020 RA2510 |
- | 1,43 | 2,42 | 3,40 | 4,06 | 4,71 | - | - | - | 1,21 | 2,19 | 3,18 | 3,83 | 4,49 | - | - |
| Heimeier K6000 K6020 K7000 K9700 K9710 K9800 |
0,77 | 1,26 | 2,00 | 2,74 | 3,23 | 3,73 | 4,22 | 4,71 | 0,63 | 1,13 | 1,87 | 2,61 | 3,10 | 3,59 | 4,09 | 4,58 |
| Honeywell 2080 |
0,97 | 1,45 | 2,19 | 2,92 | 3,41 | 3,90 | 4,38 | 4,87 | 0,73 | 1,22 | 1,95 | 2,69 | 3,17 | 3,66 | 4,15 | 4,64 |
| Honeywell Thera 3 |
0,78 | 1,27 | 2,01 | 2,75 | 3,24 | 3,74 | 4,32 | 4,72 | 0,64 | 1,13 | 1,87 | 2,61 | 3,10 | 3,60 | 4,09 | 4,58 |
| Oventrop Uni-L |
0,93 | 1,42 | 2,16 | 2,89 | 3,38 | 3,87 | 4,36 | 4,85 | 0,72 | 1,21 | 1,94 | 2,67 | 3,16 | 3,65 | 4,14 | 4,63 |
| Gampper 320 KH |
- | 0,59 | 1,58 | 2,57 | 3,23 | 3,89 | 4,55 | - | - | 0,46 | 1,45 | 2,44 | 3,10 | 3,76 | 4,42 | - |
| ORIGINAL=CRA=SOFTWARE (tab.2) | ||||||||||||||||
Vidíme, že ani v jednom případě není v reálném provozu soustavy nastavení hlavice totožné s údaji výrobce a žádnou z uvedených hlavic nelze v reálném provozu soustavy nastavit na 28°C, některé hlavice pak ani na 26°C. Je to způsobeno rozdílem tv - ti, kondukčním ohřevem teplotního čidla od topné vody přes izolant, i konstrukčním přiřazením hlavice k tělesu ventilu. To je hlavní příčinou, proč na stupnicích nastavení hlavic zmizely konkrétní údaje o nastavených teplotách, které tam kdysi byly. Ale údaje o konkrétních teplotách místností zmizely i z jiného důvodu. Existují místnosti, ve kterých přerušením vytápění poklesne teplota třeba o 20°C, zatímco v jiných nečiní pokles teploty ani 2°C. To dokazuje, že každá místnost teplotně reaguje na přívod tepelné energie jinak, otopné těleso v ní představuje jiný podíl na energetické rovnováze a termické vyvážení soustavy musí být proto v každé místnosti řešeno individuálně.
Nároky na poměrně vysokou přesnost základního nastavení hlavic z údajů v TAB.2 přímo vyplývají. Například v místnosti s požadovanou teplotou vzduchu 22°C při výsledné teplotě 20°C, má být hlavice nastavena na NH = 3,73, ale bude-li nastavena na NH = 3,23, bude TRV při výsledné teplotě místnosti 20°C již zcela uzavřen a v prospektu výrobce přitom dokonce najdeme hodnotu NH = 3! To samozřejmě znamená úplně jiné než projektované tlakové ztráty soustavy a pokus o nápravu případných nedostatků, přinutí uživatele bytu s hlavicí manipulovat. Ale uživatelským nastavením nelze zajistit podmínku XP = 2K při které platí regulační charakteristiky TRV i vlastní hydraulické vyvážení soustavy, takže těmito manipulacemi regulační technika ztratí svou účinnost a soustava úspornost.
Na druhé straně všechny termicky vyvážené soustavy, tj. projektované se správným nastavením hodnot ventilu "N" a hlavic "NH", vykázaly vysoce úspornou funkci a seřízení kompletu TRV + hlavice je průkaznou podmínkou plných úspor tepla regulační technikou.
The article describes the importance of thermal balance for savings in the heat dynamic adjustments of heating systems and provides some background (mathematical model of TRV function, demonstration of the complete performance of the functions of thermostatic valves and documentation for thermostats settings) and simple examples to demonstrate this effect.
