Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Posuzování tepelněizolačních vlastností teplovodního potrubí

Část 5 – Příklady ochlazování potrubí u teplovodního vytápění

V článku je na grafickém průběhu ochlazování vody v potrubí demonstrován význam tepelné izolace při malé rychlosti proudění vody. Menší nutnost izolovat potrubí je při vysoké rychlosti proudění. Tato závislost je aplikovaná na trubních rozvodech teplovodních otopných soustav.

1. Úvod

Článek porovnává nadměrné tepelné ztráty vznikající u starších teplovodních trubních rozvodů pro vytápění s aktuální elastickou otopnou soustavou.

2. Obecné zásady pro nízké tepelné ztráty trubních rozvodů

V předchozích kapitolách, zejména v části 3 byl zdůrazněn význam závislosti tepelné izolace potrubí na:

  • rozdílu teploty okolí a teploty teplé vody
  • prostupové ploše potrubí – tedy průměru potrubí
  • rychlosti proudění teplé vody potrubím.

Zvýšenou rychlostí proudění vody u daného průřezu se zvyšuje průtok vody, kterým se následně přenáší i vyšší množství tepla. Hledisko energetické úspory při vyšším průtoku teplé vody je obecně znám.

V dalších kapitolách věnujme však pozornost průběhu ochlazování vody v závislosti na rychlosti proudění tak, jak byla popsána v předchozích částech 2 a 3 s aplikací na praktické příklady.

3. Exponenciální průběh ochlazování vody

V teoretické části 2 byl odvozen průběh ochlazování vody v potrubí. Ve vztahu (6) byla zdůrazněna závislost chladnutí vody na exponentu chladnutí „K“. Následně pak, pro lepší matematickou aplikaci, byl vztah upraven na součinitel chladnutí eK.

Součinitel chladnutí eK můžeme zjednodušeně považovat za základní parametr ochlazování vody, ze kterého se stanoví tepelná ztráta při proudění vody potrubím. Na základě součinitele chladnutí eK můžeme pro konkrétní průměr potrubí (D), součinitel prostupu tepla (U) a konkrétní délku potrubí (L) vyjádřit graficky na obr. 1, 2 a 3, exponenciální průběh ochlazování vody v závislosti na objemovém průtoku, resp. na rychlosti proudění teplé vody při průtoku potrubím.

4. Grafické vyjádření ochlazování teplé vody (obr. 1, 2 a 3)

Význam rychlosti proudění vody potrubím na míře ochlazování vody, vyjádřené součinitelem chladnutí eK, byl v části 3 demonstrován výpočtem tepelné ztráty, resp. ztrátového výkonu pro referenční případ trubního teplovodního rozvodu. Pro větší objasnění této závislosti použijme grafické zobrazení průběhu tohoto referenčního stavu na obr. 1, 2 a 3.

4.1 Ochlazování vody v potrubí při nízké rychlosti v = 0,2 m/s (obr. 1)

Obr. 1 Vyznačení součinitele chladnutí eK u referenčního příkladu z části 3, při rychlosti proudění vody v = 0,2 m/s. Stav 1 – pro potrubí DN 40/U₂ – neizolované. Stav 2 – pro potrubí DN 25/U₂ – neizolované. Stav 3 – pro potrubí DN 25/U₁ – izolované.
Obr. 1 Vyznačení součinitele chladnutí eK u referenčního příkladu z části 3, při rychlosti proudění vody v = 0,2 m/s
Stav 1 – pro potrubí DN 40/U2 – neizolované
Stav 2 – pro potrubí DN 25/U2 – neizolované
Stav 3 – pro potrubí DN 25/U1 – izolované

Ochlazování vody zobrazené součinitelem chladnutí eK při rychlosti proudění vody 0,2 m/s dává:

  • relativně nízké ochlazení u extrémně izolovaného potrubí se součinitelem prostupu tepla U1 při DN 25 – stav 1
  • přibližně dvojnásobně větší ochlazování u neizolovaného potrubí se součinitelem prostupu tepla U2 u DN 25 – stav 2
  • trojnásobné ochlazování u neizolovaného potrubí se součinitelem prostupu tepla U2 u DN 40 – stav 3.

Na referenčním případu (podle části 3) je ukázáno, že při nízké rychlosti proudění vody má tepelná izolace potrubí, pro výši tepelné ztráty, podstatný význam.

 

4.2 Stejný stupeň ochlazování vody v potrubí v závislosti na rychlosti proudění (obr. 2)

Obr. 2 Vyznačení konstantní hodnoty součinitele chladnutí eK u referenčního příkladu z části 3. Stav 1 – pro potrubí DN 25/U₁ – izolované, při v = 0,2 m/s. Stav 2 – pro potrubí DN 25/U₂ – neizolované, při v = 0,4 m/s. Stav 3 – pro potrubí DN 40/U₂ – neizolované, při v = 0,65 m/s.
Obr. 2 Vyznačení konstantní hodnoty součinitele chladnutí eK u referenčního příkladu z části 3
Stav 1 – pro potrubí DN 25/U1 – izolované, při v = 0,2 m/s
Stav 2 – pro potrubí DN 25/U2 – neizolované, při v = 0,4 m/s
Stav 3 – pro potrubí DN 40/U2 – neizolované, při v = 0,65 m/s

V pásmu nižších rychlostí lze u uvedeného referenčního případu dosáhnout stejného ochlazování eK při:

  • rychlosti proudění vody 0,2 m/s u maximálně izolovaného potrubí (U1) při DN 25 – stav 1
  • rychlosti proudění vody 0,4 m/s u potrubí bez tepelné izolace (U2) při DN 25 – stav 2
  • rychlosti proudění 0,65 m/s u potrubí bez tepelné izolace (U2) při DN 40 – stav 3.

U potrubí bez tepelné izolace, resp. většího průměru potrubí lze dosáhnout shodných ochlazování vody zvýšením rychlosti proudění teplé vody (ze stavu 1 na stav 2, resp. 3).

 

4.3 Nízké ochlazování vody v potrubí při větší rychlosti proudění (obr. 3)

Obr. 3 Vyznačení přibližně konstantního součinitele chladnutí eK u referenčního příkladu z části 3 při rychlosti proudění vody v = 1,4 m/s
Obr. 3 Vyznačení přibližně konstantního součinitele chladnutí eK u referenčního příkladu z části 3 při rychlosti proudění vody v = 1,4 m/s

U větší rychlosti proudění vody tak, jak je uvedeno na obr. 3, jsou hodnoty součinitele chladnutí přibližně shodné. Význam tepelné izolace na potrubí při větší rychlosti proudění je podstatně snížen oproti stavu při proudění vody s nízkou rychlostí.

 

4.4 Hodnocení vlivu rychlosti proudění

Z předchozích grafických průběhů chladnutí teplé vody v potrubí můžeme odvodit zásadní pravidlo, že průtok teplé vody by měl být co největší. Energetický význam tepelné izolace se u vyšších průtoků podstatně snižuje. Teplovodní potrubí by nemělo být předimenzované. Pro výpočet by návrhové hodnoty měly vycházet z toho, že mezních rychlostí proudění vody potrubím je dosahováno v co nejdelším čase. Aerodynamický tvar průtokových armatur a tvarovek na hlavních trasách potrubí by měl, z hlediska akustického, tomuto zvýšení rychlostí odpovídat. Dimenzování potrubí by mělo být stanoveno na základě výpočtů, vycházejících ze znalosti průtoků vody potrubím.

5. Příklady ochlazování teplovodních potrubí v otopné soustavě

Parametry trubních rozvodů se od časů klasických otopných soustav k současným podstatně změnily, zejména z hlediska dimenzování potrubí a regulace průtoku.

5.1 Vertikální potrubí samotížné teplovodní otopné soustavy

U samotížné teplovodní otopné soustavy byl dispoziční tlak pro požadovaný průtok vody otopným tělesem mnohem nižší než jaký je současný dispoziční tlak u soustav s oběhovým čerpadlem.

U komplexní bytové výstavby dožívají stávající teplovodní soustavy, kde stoupací vedení je dimenzováno jako samotížná soustava s větším průměrem potrubí. Toto potrubí je většinou neizolované a pro věžový bytový dům může být jeho průměr ve spodních podlažích DN 40 až 50. U zmiňovaného objektu došlo k zateplení obvodového pláště, zejména oken a střechy a tím ke snížení tepelné ztráty na polovinu původního výkonu. Pro stávající otopná tělesa byla původní návrhová teplota 90/70 °C. Aktuálně vychází návrhová teplota pro současný výkon 60/40 °C. Vzhledem k tomu, že domovní regulace není ekvitermně řízena pro tuto teplotní změnu, ale je vázána na společný dálkový rozvod, regulovaný ekvitermně v předávací stanici, společně pro několik bytových nezateplených a občanských objektů dochází k přetápění budovy v důsledku vyšší teploty vody než jaká je požadovaná teplota 60/40 °C. Zejména je tomu na jihozápadní fasádě, kde teploty otopné vody bývají mnohem vyšší než je požadováno pro tepelnou ztrátu. Předpoklad, že regulaci zajistí termostatické ventily na otopných tělesech škrcením je koncepčně nesprávná. Je nutná ekvitermní regulace na patě domu, která z důvodů finančních nebyla při modernizaci objektu navržena. Zůstala tak představa, že regulaci zajistí termostatické ventily otopných těles. Uzavíráním (škrcením) termostatických ventilů dochází ke snížení průtoku vody v předimenzované trubní soustavě, navíc s nadměrně vysokou teplotou otopné vody. Regulace škrcením v termostatických ventilech průtok vody snižuje, ochlazování vody v potrubí se zvyšuje a tím se z povrchu potrubí předává více tepla.

Dvoutrubní vertikální rozvod k otopným tělesům je neizolovaný, zejména v nižších podlažích, kde jsou největší průměry potrubí a působí jako otopná plocha. Někdy uživatelé uvádí, že mohou mít otopná tělesa uzavřená a přitom předimenzovaný trubní rozvod s vysokou teplotou otopné vody jim místnost dostatečně vytápí. Stává se údajně, že musí i při uzavřených tělesech regulovat teplotu v místnosti otevíráním oken. K největší nerovnoměrnosti u jednotlivých odběratelů tepla dochází při vyúčtování podle poměrových měřidel, přičemž odběratelé tepla s uzavřenými termostatickými ventily otopných těles jsou značně zvýhodněni, neboť jejich otopná tělesa nevytápí.

5.2 Nízkoprofilové teplovodní trubní rozvody

Před desítkami let se začaly prosazovat teplovodní nízkoprofilové „elastické“ soustavy, které jsou charakteristické malým obsahem vody v soustavě a vysokou regulační schopností přizpůsobit se náhlým změnám při odběru tepla. Snížení průměru potrubí i osazení regulačních prvků vytváří pochopitelně vyšší tlakové ztráty při průtoku soustavou. Toto zvýšení tlakových ztrát je umožněno používáním mnohonásobně vyššího dispozičního tlaku od oběhových čerpadel, než jaký byl u samotížných otopných soustav. Vyšší rychlosti proudění v nízkoprofilových trubních rozvodech oběhových tras je doplněno na hlavních trasách hydraulicky přizpůsobivějšími armaturami a tvarovkami tak, aby nadměrné turbulence nezpůsobily hlučnost rozvodu. K hlavním důvodům, proč současný nízkoprofilový trubní rozvod klade mnohem menší požadavek na tepelnou izolaci, patří:

  • nízká prostupová plocha potrubí
  • snížení součinitele chladnutí eK zvýšením rychlosti proudění
  • menší rozdíl v ochlazování vody mezi tepelně izolovaným a neizolovaným potrubím při větší rychlosti proudění (obr. 3)
  • nízká teplota otopné vody používáním nízkoteplotních otopných soustav, které se v současné době stále více navrhují
  • používání ekvitermní regulace otopné vody, např. podle světových stran, kterou se zajišťuje požadovaná teplota otopné vody a tím konstantní rychlost proudění.

Rozdělení trubního rozvodu do více větví, podle ekvitermní regulace otopné vody v jednotlivých úsecích, zajišťuje trvaleji téměř stálou rychlost proudění vody potrubím oproti případu společného trubního rozvodu se stejnou teplotou otopné vody pro celý objekt, kde regulace je zajištěna pouze škrcením v termostatických ventilech.

Nízkoprofilový trubní rozvod většinou nízkoteplotních soustav nepůsobí na funkci poměrových měřidel, i když je potrubí tepelně neizolované, neohřívají trubky interiér místnosti.

6. Závěr

Číselné hodnoty uváděné u daného referenčního stavu slouží pouze pro obecné vyjádření závislosti tepelněizolačních vlastností potrubí a jeho ochlazování na rychlosti porudění teplé vody. Neplatí tedy univerzálně pro jiné teploty vody, průměry a délky trubních úseků. V celém komplexu návrhu trubních teplovodních soustav je nutné porovnat oprávněnost použití tepelné izolace s hydraulickými parametry a reálnými teplotami proudící otopné vody. Jmenovitých návrhových teplot otopné vody je v průběhu topného období dosahováno jen krátce, jinak jsou po většinu topné sezony teploty otopné vody v soustavě nižší. Stávající soustavy jsou rovněž už vzhledem k zateplování nízkoteplotní, tedy tepelné ztráty jsou mnohem menší, neboť je nižší teplota otopné vody.

Při stále větší snaze dosáhnout energetických úspor nemusí vycházet paušální požadavek na tepelnou izolaci teplovodního potrubí, vedeného vytápěnými prostorami, dostatečně efektivní. Někdy by bylo vhodnější přesunout investici z tepelné izolace potrubí do přesnějšího návrhu dimenze potrubí a na regulaci teploty otopné vody.

 
Komentář recenzenta prof. Ing. Karel Kabele, CSc.

Posuzování tepelněizolačních vlastností teplovodního potrubí.

  • Část 1 – Prostup tepla stěnou potrubí
  • Část 2 – Teoretické zásady ochlazování vody při průtoku
  • Část 3 – Příklad výpočtu exponenciálního průběhu ochlazování
  • Část 4 – Navrhování tepelné izolace podle ČSN EN 12 828
  • Část 5 – Příklady ochlazování potrubí u teplovodního vytápění

Předložený soubor článků řeší aplikaci teorie sdílení tepla na problematiku ochlazovaní teplovodního potrubí.

V první části je shrnuta obecná teorie prostupu tepla stěnou potrubí aplikovaná na rovinnou stěnu a potrubí kruhového průřezu. Závěr první části je zaměřen na stanovení součinitele prostupu tepla potrubí.

Druhá část článku řeší problematiku ochlazování potrubí v tepelné síti a aplikace teoretických postupů na ochlazování cirkulačního potrubí teplé vody.

Třetí část na příkladu exponenciálního průběhu ochlazování za různých extrémních okrajových podmínek demonstruje účinek tepelné izolace potrubí a v závěrech jsou shrnuty hlavní faktory ovlivňující ochlazování potrubí s teplonosnou látkou.

Ve čtvrté části pak autor řeší otázky spojené s normovým návrhem tepelné izolace potrubí tepelných soustav v budovách a v přehledných tabulkách uvádí základní parametry a hodnoty potřebné pro výpočet.

V závěrečné, páté části článku jsou aplikovány teoretické principy na teplovodní otopnou soustavu a je zdůrazněn vazba mezi tepelnou ztrátou potrubní sítě a rychlostí proudění teplonosné látky.

Soubor článků představuje ucelený pohled na teorii i praxi problematiky izolace potrubí s podrobným teoretickým základem i příklady aplikace. Doporučuji k publikaci.

English Synopsis
Evaluation of thermal insulating property of warmwater tube, Part 5 – Examples of cooling tube of warmwater heating

The article illustrates import of thermal isolation at small speed of water on graphical process of cooling water in a tube. Smaller necessity of isolation tube is at high speed of fluxion. This dependence is appplied on tube distribution of warmwater rating systems.

 
 
Reklama