Provoz otopných těles v teplotních a průtokových režimech odlišných od standardního měření dle EN 442-2

Obr. 1

Zcela na samém začátku bych rád uvedl všechny dále uvedené poznatky vycházejí z měření provedených v akreditované zkušební laboratoři HEATEST s. r. o., v kalorimetrické komoře postavené a provozované v souladu s normou EN 442-2. Tato kalorimetrická komora je tzv. „schváleným zkušebním místem“ dle výše uvedené normy, a to od 10. května 2007 (obr. 1).

Tuto skutečnost uvádím hned na začátku proto, aby snad nemohly vzniknout pochybnosti o důvěryhodnosti dále uváděných výsledků měření.

1. Úvod

Výběr vhodných otopných těles je, nebo spíše měl by být, závislý především na jejich topném výkonu. Teprve potom by měla následovat další hlediska jako je vzhled, cena, životnost atd.

Z výše uvedených parametrů jsme však schopni exaktně určit pouze topný výkon a samozřejmě cenu. Ostatní je buď otázkou subjektivního názoru nebo dlouhodobých zkušeností.

Ale ani s tím výkonem to není zas tak úplně jednoduché. Pro, dá-li se říci standardní podmínky, máme normu EN 442-2 (resp. její národní znění ČSN EN 442-2), která nám dává „návod“, jak topný výkon změřit. Jenže doba se nám zas trochu posunula dále a mnohdy se objevují požadavky na pro vozní režim (teplotní, průtokový), který se těmto „standardním“ podmínkám vzdaluje a vyvstává otázka, jak se vlastně potom otopné těleso chová. A tomu bych se rád v následujícím textu věnoval.

Na tomto místě by snad tedy bylo vhodné se trochu blíže zabývat pojmem standardních podmínek dle EN 442-2, abychom pak mohli říci, co to jsou podmínky odlišné.

Norma EN 442-2 vedle mnoho dalšího určuje postup odvození katalogových údajů tepelného výkonu, a to výpočtem z regresní charakteristické rovnice. A ta zase vzniká na základě zkoušek – měření souboru vybraných vzorků stejného typu. Podstatné na tom je to, že základem je vždy měření ve třech teplotních režimech prováděných při jednom tzv. jmenovitém průtoku vody (s přípustnou odchylkou).

Tyto tři teplotní stavy jsou:

1. teplotní spád mezi střední teplotou vody a vztažnou teplotou vzduchu ΔT 50 °C
   vstupní teplota vody 75 °C
   výstupní teplota vody 65 °C
   vztažná teplota vzduchu 20 °C
   pro dodržení těchto hodnot (v rozsahu povolených odchylek) je nutný tzv. jmenovitý průtok vody (opět v rozsahu povolené odchylky), který je udržován i v průběhu následujících teplotních režimů
2. teplotní spád mezi střední teplotou vody a vztažnou teplotou vzduchu ΔT 60 °C
   vztažná teplota vzduchu 20 °C
   vstupní a výstupní teploty již „vyjdou“ samy, stejně tak i v následujícím teplotním režimu
3. teplotní spád mezi střední teplotou vody a vztažnou teplotou vzduchu ΔT 30 °C
   vztažná teplota vzduchu 20 °C

Toto je minimální rozsah měření a norma se nebrání rozšířenému rozsahu jak v jiných teplotních, tak i průtokových režimech. Jenže měření není zadarmo a upřímně řečeno, zde uvedený rozsah měření velmi dobře charakterizuje výkonové vlastnosti otopných těles, pokud jsou používána v mezích teplot a průtoku zde uvedených.

Dnes už existuje výsledek značného počtu provedených měření ve standardních podmínkách dle EN 442-2. Ovšem jako vše, i požadavky na způsob použití otopných těles se mění (např. v důsledku použití tepelných čerpadel jako zdroje energie pro vytápění). Objevuje se proto otázka, zda platí takto získané informace i při významně odlišných podmínkách používání. Norma se dokonce tváří, že s výjimkou trubkových konvektorů nemá velikost průtoku na výkon vliv (při stálém teplotním spádu). Tak jak to vlastně je?

Na tuto otázku jsem ve své praxi začal opakovaně narážet s příchodem tepelných čerpadel, který přinesl i požadavky na teplotu vstupní vody kolem 35 °C. Když projektant nebo investor přišli za výrobcem s požadavkem na takto odlišný způsob použití otopného tělesa, tak někdy vznikl ze strany výrobce i požadavek na změření otopného výkonu v takto odlišných podmínkách (pokud nebyl „statečný“ a prostě si nevymýšlel). A já jsem měřil ...

Často jsme pak oba, to jest já i výrobce, jen zírali, neb jak praví klasik, „všechno je jinak“. To mne po několika letech při stále se zvyšující poptávce o atypická použití otopných těles (ostatně, bude to stále atypické, nebo se to časem stane také standardním) vedlo k nutkání dosavadní praktické poznatky (tedy výsledky skutečných měření) nějakým způsobem shromáždit a zpracovat.

Samozřejmě, že všechny zde dále uvedené výsledky měření jsou bez konkrétní identifikace výrobce a typu (kompletní údaje jsou důvěrné a bez souhlasu zadavatele měření je nelze sdělovat), jsou pouze definovány jejich základní technické vlastnosti (deskové těleso, článkové těleso tzv. koupelnový žebříček apod.) tak, aby bylo možno získané výsledky aplikovat na obdobné typy výrobků.

Podkladem pro takové shrnutí a vyhodnocení jsou:

1. dříve provedená měření dle požadavku výrobce, samozřejmě to limituje rozsah parametrů měření dle zadání a někdy tak máme k disposici jen dílčí údaje, ovšem i ty mají svoji vypovídací hodnotu,
2. vlastní měření laboratoře HEATEST s. r. o. v případě, že byl dostupný vhodný vzorek.

V ideálním případě jsem měl nakonec k dispozici základní měření vzorku tělesa dle normy EN 442-2 a další měření v jednotlivých teplotních či průtokových režimech, jinak jsem vycházel aspoň ze základního měření v teplotním režimu 75/65/20 °C. Tam, kde to bylo možné jsem zhotovil i grafické znázornění závislosti. A s výjimkou měření tělesa s konvektorem vznikly při měření i snímky infrakamerou, které nám pomohly objasnit příčiny chování jednotlivých typů těles.

K porovnání vlastností jsem mohl použít níže uvedené typy otopných těles:

1. deskové těleso jednoduché bez přídavné přestupní plochy
2. článkové těleso s plochými vodorovnými články (obdélníkového profilu)
3. článkové těleso s kulatými vodorovnými články – tzv. žebříček
4. otopné těleso – konvektor (s více trubkovým lamelovým výměníkem)

Jak se ukázalo, výsledky byly v některých případech velmi překvapivé. Současně také ukazují na komplikovanost celé této problematiky. Nelze je proto automaticky přebírat pro jednotlivé konkrétní případy. Ale také to ukazuje na fakt, že nelze pro přepočty na jiné provozní režimy mechanicky aplikovat v ČR existující normu ČSN 06 1101, zvláště v případech, kdy má být otopné těleso použito v provozním režimu, jehož parametry se podstatně odchylují v oblasti, v níž bylo uskutečněno základní měření dle EN 442-2.

Přesto si jedno zobecnění neodpustím. Jednoduché deskové těleso se chová téměř dokonale – viz kap. 2.1.

2. Výsledky

Ještě dříve, než začnu uvádět konkrétní údaje, chci upozornit na skutečnost:

1. povaha měření je taková, že změřené hodnoty výkonu s rozdílem do 1 % musíme považovat za shodné,
2. vzhledem k tomu je provedeno zaokrouhlení poměrných hodnot (%) na celá čísla,
3. všechny hodnoty změřeného tepelného výkonu jsou přepočteny na jmenovité hodnoty příslušných teplotních spádů.

Pokud někoho více zajímá, proč tomu tak je, nechť si prostuduje normu EN 442-2.

2.1 Deskové těleso

Obr. 2

Tento typ otopného tělesa jsem pojal jako výchozí, základní. Mám k tomu své důvody a myslím, že nakonec sami pochopíte proč. Výhodou navíc bylo také to, že k dispozici mám dva trochu odlišné kousky, jeden z nich dokonce patří do souboru tří etalonových těles (dle EN 442-2), kterými je kalorimetrická komora navázána na referenční komoru v HLK Stuttgart.

Na jednom z nich jsem mohl provést rozsáhlejší soubor měření, na druhém z nich jsem několika měřeními výsledky potvrdil. Základní měření bylo uskutečněno s jednoduchým deskovým tělesem délky 1600 mm, výšky 500 mm (obr. 2).

Výpis z naměřených hodnot je uveden v tab. 1.

V průběhu měření byly získány poněkud neočekávané poznatky z hlediska závislosti výkonu deskového tělesa na průtoku. Proto byl proveden větší počet měření ve dvou skupinách, při teplotním spádu mezi střední teplotou vody a teplotou vzduchu:

1. ΔT = 10 K
2. ΔT = 50 K.

Pro přehlednost jsou zde dále z této tabulky extrahovány údaje do dvou samostatných tabulek (tab. 2, tab. 3) tak, aby byla zřejmá závislost výkonu otopného tělesa na průtoku při výše uvedených teplotních spádech.

Výsledek je skutečně překvapivý. Snižování průtoku vody deskovým tělesem vede k mírnému zvýšení výkonu tělesa a naopak. Platí to při spádu ΔT = 50 K (obr. 3), ale ještě více při spádu ΔT = 10 K (obr. 4). Z praktického hlediska z toho plyne, že pro reálně použitelné teplotní a průtokové poměry v takovém tělese můžeme bez obav vycházet z přepočtu parametrů získaných dle EN 442-2.

Obr. 3

Obr. 4

Obdobně můžeme zjistit závislost výkonu tělesa při konstantním průtoku na teplotním spádu ΔT ve vztahu k hodnotám zjištěným přepočtem z charakteristické rovnice vzorku (tab. 4, obr. 5).

Obr. 6 Deskové těleso 1800 × 500 mm, 30,5 / 29,5 / 20 °C, ΔT 10 °C, průtok 9,5 kg/h


Obr. 7 Deskové těleso 1800 × 500 mm, 89 / 51 / 20 °C, tj. ΔT 50 °C, průtok 22,3 kg/h


Obr. 8 Deskové těleso 1800 × 500 mm, 65 / 35 / 22 °C, tj. ΔT 28 °C, průtok 11,5 kg/h

Obr. 5

Opět trochu nečekaný výsledek, snižující se teplotní spád ΔT vede k mírnému zvyšování relativního výkonu. Znamená to opět, že můžeme bez obav vycházet z přepočtu parametrů získaných dle EN 442-2.

Pro lepší představu o chování tělesa jsou k dispozici záběry z infrakamery (obr. 6, 7, 8), které ukazují rozložení teplot v tělese a tedy i charakterizují proudění vody ve třech poměrně extrémních případech. Ve všech případech je rozložení teploty rovnoměrné, a to ukazuje i na rovnoměrné rozdělení proudu vody v tělese. Při prohlížení prosím věnujte pozornost rozdílným teplotním stupnicím, které odpovídají max. teplotě v konkrétním případu.

Předchozí výsledky potvrdila i dílčí měření etalonového deskového tělesa o rozměru 1160 × 690 mm, také rozložení teplot v tělese je obdobné (obr. 9, tab. 5).

Obr. 9 Etalonové deskové těleso, 75 / 65 / 20 °C, tj. ΔT 50 °C, průtok 66,9 kg/h

2.2 Těleso s plochými vodorovnými články

Obr. 10

V tomto konkrétním případě bylo měřeno těleso tvaru na obr. 10.

Celková délka tělesa je 1500 mm, bočnice jsou tvořeny dvěma lamelami obdélníkového profilu o rozměru 70 × 10 mm nad sebou.

Toto měření bylo realizováno na základě požadavku výrobce (viz např. teplota vzduchu 22 °C), aniž bych původně předpokládal další měření a vzorek již není k dispozici. Proto se jedná o poněkud nesourodý soubor měření, který ale přesto poskytl důležité údaje a vlastně toto měření mi dalo podnět zabývat se problematikou nestandardních provozních stavů trochu blíže. Hned jsem provedl několik doplňujících měření.

K dispozici jsem měl dvě podobná tělesa, měření provedená na prvém tělese obsahuje tab. 6, měření na druhém tělese (tab. 8) opět potvrdilo získané poznatky.

Obr. 11

Na rozdíl od deskového tělesa je zde při měření v nestandardních provozních režimech na první pohled zřejmý, dovolím si říci že zcela zásadní, pokles naměřeného výkonu ve vztahu k výkonu vypočteného ze základního provozního režimu 75/65/20 °C.

Až se podíváme na snímky z infrakamery bude nám celkem jasné, proč tomu tak je.

Pro přehlednost jsou naměřené a vypočtené hodnoty upraveny do následující tab. 7 a graficky znázorněny v odvozeném grafu na obr. 11.

Obr. 12 Těleso článkové (lamelové) s vodorovnými články 75 / 65 / 20 °C, tj. ΔT 50 °C, průtok 129,0 kg/h

Pokles výkonu je prakticky shodný s hodnotami získanými měřením prvního vzorku (viz tab. 6).

Z dále uvedených třech snímků z infrakamery (obr. 12, 13, 14) je zřetelně vidět, že zatímco při průtoku vody cca polovičním jmenovitémo průtoku dochází jen k téměř neznatelné nerovnoměrnosti v rozložení proudu vody (což odpovídá malému poklesu výkonu proti výpočtové hodnotě), tak při poklesu na cca necelou jednu desetinu si voda prostě najde jednu cestičku otopným tělesem a zbytek ji vlastně vůbec nezajímá. Na výkonu je to samozřejmě velmi patrné.

Obr. 13 Těleso článkové (lamelové) s vodorovnými články 55 / 45 / 22 °C, tj. ΔT 28 °C, průtok 58,6 kg/h

Obr. 14 Těleso článkové (lamelové) s vodorovnými články 65 / 35 / 22 °C, tj. ΔT 28 °C, průtok 11,1 kg/h

2.3 Těleso s válcovými vodorovnými články – tzv. žebříček

Obr. 15

Dalším, dnes často používaným typem otopného tělesa je tzv. žebříček, který se obvykle vyskytuje v koupelnách. Proto i ten se dostal do mého výběru k měření. Použil jsem těleso na obr. 15.

Postupoval jsem ve shodě s předchozími měřeními, výsledky uvádí tab. 9, tab. 10 a graf na obr. 16.

Obr. 16

Obr. 17 Těleso článkové s vodorovnými články – žebříček, 30,5/29,5/20 °C, tj. ΔT = 10 °C, průtok 64,6 kg/h

Obr. 18 Těleso článkové s vodorovnými články – žebříček, 32,5/27,5/20 °C, tj. ΔT = 10 °C, průtok 11,3 kg/h

Obr. 19 Těleso článkové s vodorovnými články – žebříček, 75/65/20 °C, tj. ΔT = 50 °C, průtok 40,1 kg/h

Pokles výkonu ve vazbě na pokles průtoku je podobný tělesu s plochými vodorovnými články, tedy je značně velký (obr. 17, 18, 19).

2.4 Konvektor s lamelovým výměníkem

K měření jsem použil základní provedení otopného tělesa, tj. výměník 8trubkový, dlouhý 1450 mm, který je po stranách opatřen bočnicemi ve shodné výši a takto uložen ve shodě s EN 442-2, tj. ve výši 110 mm nad podlahou kalorimetrické zkušební komory (nejedná se o podlahový konvektor!). Výsledky měření uvádí tab. 11.

Obr. 20

Dle očekávání se projevil významný pokles výkonu proti výpočtové hodnotě při poklesu průtoku vody tělesem. Naopak zvýšení průtoku má poměrně malý vliv, z praktického hlediska bezvýznamný vliv.

Zde je na místě ještě upozornění, že na základě dosud získaných zkušeností je možno u výměníků s menším počtem trubek očekávat větší vliv průtoku na výkon (tab. 12, graf na obr. 20).

Závěr

Na základě zde uvedených měření je možno konstatovat, že:

1. deskové otopné těleso je velmi „odolné“ vůči nestandardnímu způsobu použití a vykazuje velmi slušnou shodu naměřených i vypočtených hodnot topného výkonu v širokém rozsahu provozních režimů
2. u ostatních typů otopných těles je při jejich nasazení v „nestandardních“ provozních režimech nutná opatrnost, zvl. při poklesu průtoku vody pod polovinu jmenovité. V takovém případě je měření prakticky nevyhnutelné.