Rozdeľovače zberače so stupňovitým teplotným nárastom / poklesom s funkciou THR

Úvod

Prúdenia teplonosnej látky vo vykurovacích sústavách a prúdenie chladiacej zmesi v sústavách chladenia zabezpečuje čerpalo. V prípade jednoduchého málo rozľahlého systému s jedným zdrojom tepla alebo chladu je postačujúce jedno čerpadlo, pričom zabezpečenie správneho prietoku v koncových spotrebiteľských zariadeniach je pomocou armatúry umiestnenej na týchto zariadeniach.

Problémy s prúdením teplonosnej látky, respektíve chladiacej kvapaliny nastávajú v zariadeniach rozľahlejšieho charakteru, kde je potrebné zaradiť viac čerpadiel. Nutnosť ich zaradenia si vyžadujú rôzne teplotné, prietokové alebo tlakové požiadavky na jednotlivé okruhy, resp. zaradenie viacerých zdrojov tepla / chladu do okruhu.

Málo rozľahlé systémy s jedným zdrojom tepla

Obr. 1 Riešenie hydraulického oddelenia s prepúšťacím ventilom a regulátorom tlakovej diferencie
TV – ventil s termostatickou hlavicou, PRV – prepúšťací ventil, RTD – regulátor tlakovej diferencie, VV – vyvažovací ventil

Samotný problém vznik prebytočného tlaku čerpadla spôsobuje vo vykurovaní kvantitatívna regulácia vplyvom termostatickej hlavice na ventile pred vykurovacím telesom. Ich uzatváraním klesá hmotnostný prietok v sústave, a tým klesá aj tlaková strata potrubného rozvodu. V minulosti bolo jedným z riešení pre eliminovanie prebytočného tlaku čerpadla zaradenie prepúšťacieho ventilu na prahu vykurovacej sústavy (obr. 1). Jeho úlohou bolo vyrovnať pretlak vo vykurovacej sústave, a to prepúšťaním určitého prietoku z prívodnej vetvy do vratnej. Bolo to lacné riešenie, avšak jedným z problémov v tomto prípade je, že sa zvyšuje teplota vratnej vody do zdroja tepla. Obdobným riešením, ktoré odstraňuje zvyšovanie teploty vratnej vody je použitie regulátora tlakovej diferencie miesto prepúšťacieho ventilu.

V súčasnosti, keď sú už v prevádzke čerpadlá s frekvenčným meničom, pri jednoduchých systémoch hydraulicky vyvážených, problém vzniku prebytočného tlaku od čerpadiel nehrozí a preto nie sú potrebné riešenia z obr. 1.

Rozľahlé systémy s viacerými zdrojmi tepla / chladu

Pri rozľahlých systémoch s viacerými zdrojmi tepla, resp. chladu a zároveň s viacerými okruhmi vykurovania, resp. chladenia s rôznymi hmotnostnými prietokmi a dokonca aj s rôznymi teplotnými spádmi, môže prísť počas prevádzky k vzájomnému ovplyvňovaniu tlaku čerpadiel. V nevýhode bývajú čerpadlá s menším prietokom teplonosnej látky alebo s menším pracovným tlakom.

Pre zabezpečenie teplotnej a tlakovej rovnováhy v sústave sú v praxi zaužívané viaceré spôsoby riešenia hydraulického oddelenia v okruhoch tepelných zdrojov a vykurovacích okruhov, či v okruhoch zdrojov chladu a chladiacich okruhov.

Obr. 2 Riešenie zdroja tepla a vykurovacej sústavy s tlakovým prepojením
1, 2 – zdroj tepla, SK – spätná klapka, RV – trojcestný regulačný ventil, OČ – obehové čerpadlo, UK – okruh vykurovania s vykurovacími telesami, PODL – podlahový okruh vykurovania, TÚV – okruh prípravy teplej vody

Obr. 3 Beztlakové prepojenie zdroja tepla a vykurovacej sústavy s tzv. gravitačnou klapkou v rozdeľovači / zberači
1, 2 – zdroj tepla, SK – spätná klapka, RV – trojcestný regulačný ventil, GK – gravitačná klapka, UK – okruh vykurovania s vykurovacími telesami, PODL – podlahový okruh vykurovania, TÚV – okruh prípravy teplej vody

Obr. 4 Beztlakové prepojenie zdroja tepla a vykurovacej sústavy pomocou termohydraulického rozdeľovača
1, 2 – zdroj tepla, SK – spätná klapka, RV – trojcestný regulačný ventil, THR – termohydraulický rozdeľovač, UK – okruh vykurovania s vykurovacími telesami, PODL – podlahový okruh vykurovania, TÚV – okruh prípravy teplej vody

Obr. 5 Riešenie hydraulického oddelenia s dvojitým T-kusom
1, 2 – zdroj tepla, SK – spätná klapka, OV – odvzdušňovací ventil, ON – odlučovač nečistôt, F – filter, D – priemer potrubia

Vzhľadom k tomu, že z hydraulického charakteru pracujú okruhy vykurovania a chladenia na podobnom princípe, budú jednotlivé príklady demonštrované len na okruhoch vykurovania.

Z hydraulického hľadiska môže byť prepojenie okruhov zdroja tepla a spotrebiteľských okruhov

• tlakové,
• beztlakové.

Pri tlakovom prepojení nie sú z hydraulického hľadiska okruhy zdrojov tepla a spotrebiteľských okruhov nijako oddelené. To znamená, že pracovné tlaky jednotlivých čerpadiel sa môžu navzájom ovplyvňovať (obr. 2).

Tlakové prepojenie kotlových okruhov so spotrebiteľskými okruhmi je vhodné v prípade podobných parametrov čerpadiel (hmotnostný prietok, tlak čerpadla) v spotrebiteľských okruhoch a v kotlovom okruhu. Inak je vhodnejšie použitie beztlakového prepojenia spotrebiteľských okruhov s kotlovým okruhom ako to naznačujú riešenia na obr. 3 a 4.

Riešenie beztlakového prepojenia zdroja tepla a vykurovacej sústavy s tzv. gravitačnou klapkou sa využíva v združených rozdeľovačoch / zberačoch, pričom hodnota pretlaku, kedy sa klapka začne otvárať, sa nastavuje hmotnosťou klapky. Toto riešenie nahradzuje externý prepúšťací ventil, je však viazané na konkrétny rozdeľovač vyrobený na mieru. V tomto prípade ale nastáva problém zvyšovania teploty vratnej vody, a preto toto riešenie nie je vhodné pri kondenzačných kotloch a nie je prípustné pri napojení na rozvod sústavy centralizovaného zásobovania teplom.

Jedným z najrozšírenejších spôsobov hydraulického oddelenia spotrebiteľských okruhov od zdroja tepla je zaradenie termohydraulického rozdeľovača (THR) medzi tieto okruhy (obr. 4). Termohydraulický rozdeľovač predstavuje v sústave tzv. nulový bod a oddeľuje dve pripojené strany okruhov teplotne aj tlakovo – hydraulicky, preto sa niekedy používa aj názov hydraulický vyrovnávač dynamických tlakov (HVDT).

V zahraničí sa používa hydraulické oddelenie spotrebiteľských okruhov od zdroja tepla použitím dvojitého T-kusu (obr. 5). Dva T-kusy umiestnené blízko seba sú určitou alternatívou ku klasickému termohydraulickému rozdeľovaču. Osová vzdialenosť oboch T-kusov by mala byť maximálne štvornásobok priemeru potrubia a rýchlosť prúdenia je do 0,6 m/s. Rozdeľovač / zberač riešený T-kusmi môže byť umiestnený vo zvislej aj vo vodorovnej polohe. Tento spôsob zapojenia je najviac rozšírený v Spojených štátoch a v Kanade a používa ako vo vykurovaní, tak aj v chladení (zapojenia s chillermi).

Rozdeľovač / zberač so stupňovitým teplotným poklesom

Obr. 6 Klasické riešenie s rozdeľovačom / zberačom a s termohydraulickým rozdeľovačom (THR)

Obr. 7 Umiestnenie združeného rozdeľovača / zberača v priestore

Hydraulické oddelenie okruhu zdroja tepla od spotrebiteľských okruhov pomocou termohydraulického rozdeľovača s následným pripojením cez rozdeľovač / zberač je technicky vhodné, ale priestorovo náročné riešenie. Združené rozdeľovače / zberače majú pri napojení viacerých okruhov s väčšími hmotnostnými prietokmi značné rozmery, čo projektantom častokrát komplikuje ich návrh a núti k hľadaniu iných riešení. Obr. 6 ilustruje rozmerové nároky zostavy rozdeľovač / zberač (primárna strana) – THR – rozdeľovač / zberač (sekundárna strana). Z obrázku je vidieť, že počtom okruhov tieto nároky rastú.

Jedným rozmerovo nenáročných riešení oddelenia kotlového okruhu od spotrebiteľských okruhov je riešenie použitím termohydraulického rozdeľovača / zberača so stupňovitým teplotným poklesom a s funkciou THR (obr. 8).

Uvedené riešenie je patentované riešenie, ktoré ponúka v jednom telese, tzv. centrále, viacej funkcií:

• rozdeľovač a zberač pre vykurovaciu vodu alebo chladiacu kvapalinu,
• termohydraulický rozdeľovač,
• mini oddeľovací zásobník,
• stupňovité rozloženie / nárast tepla/chladu po vrstvách,
• beztlakový rozdeľovač,
• prepojovací systém bez rušivých hydraulických ovplyvňovaní.

Centrála je tvorená tvarovo ako jedno valcovité teleso, ktoré je rozdelené na teplotné vrstvy. Počet vrstiev môže byť 1 až 6, pričom tieto vrstvy nie sú od seba fyzicky oddelené, dalo by sa teda povedať, že sú tlakovo závislé. Vývody pre jednotlivé okruhy sú usporiadané v tvare kruhu (obr. 10). Pri tomto riešení sa nehovorí prioritne o rozdeľovači / zberači, pretože každá vrstva môže mať súčasne funkciu rozdeľovača aj zberača. Hydraulické oddelenie resp. funkciu THR zabezpečuje konštrukčné riešenie centrály a je zabezpečené pre každý okruh a každú vrstvu.

Obr. 8 Riešenie s dvojvrstvovou centrálou

Obr. 9 Nulový bod – princíp funkcie

Ku klasickému riešeniu rozdeľovač / zberač – THR – rozdeľovač / zberač (obr. 6) sa najviac približuje vyhotovenie s dvojvrstvovou centrálou (obr. 8). Je tu ale podstatný rozdiel. Iným tvarovaním centrály sa dosiahne, že pri tomto riešení vzniká v centrále tzv. nulový bod. Pretože sa netvorí tlaková strata v takto koncipovanom rozdeľovači, obehové čerpadlá sa neovplyvňujú, a to ani v prípade že nemajú rovnaký výkon. Princíp funkcie nulového bodu ilustruje obr. 9.

Obr. 10 Usporiadanie vývodov na vrstve

V prípade centrály má každý okruh rovnaký hydraulický predpoklad. Rozmiestnenie vývodov do kruhu sa najviac približuje ideálnemu stavu z hľadiska prúdenia a tlakových pomerov v telese rozdeľovača (obr. 10).

Funkcia hydraulického oddelenia je zabezpečená pre každý okruh a smer, čo zabezpečuje úplné hydraulické oddelenie okruhov. V prípade klasického riešenia s rozdeľovačom / zberačom a s THR dochádza k určitému vzájomnému ovplyvňovaniu okruhov. Toto ovplyvňovanie je možné spozorovať najmä vtedy, ak sú vedľa seba v susediacich okruhoch umiestnené čerpadlá s veľkým a malým výkonom. Ďalším problémom je efektívne prepojenie rôznych zariadení pracujúcich na rôznych teplotných spádoch.

Obr. 11 Centrála – rozdeľovač/zberač so stupňovitým teplotným poklesom s funkciou THR

Centrála vychádza rozmerovo podstatne menšia. Len pre ilustráciu dvojvrstvová centrála o priemere 700 mm môže byť použitá pre výkon 1,9 MW a mať 8 vývodov na každej vrstve o priemere DN150. Čo sa týka polohy, môže pracovať s osou vo vodorovnej polohe aj zvislej polohe (obr. 11). Ak si to situácia vyžaduje, môže byť centrála navrhnutá aj s opačným poradím vrstiev, čiže chladnejšia vrstva bude hore a vrstva s vyššou teplotou dolu.

Obr. 12 Riešenie s rozdeľovačom / zberačom so stupňovitým teplotným poklesom s funkciou THR

Princíp činnosti centrály je ilustrovaný na obr. 12. Štvorvrstvová centrála v danom príklade má teplotné úrovne 90/70/50/30 °C. Na strane zdrojov sú tri rôzne zariadenia, kondenzačný kotol, tepelné čerpadlo, aj kogeneračná jednotka. Každé z týchto zariadení pracuje s iným teplotným spádom. Centrála umožňuje tieto zariadenia prepojiť tak, aby sa navzájom hydraulicky neovplyvňovali, ale zároveň aby mohli optimálne pracovať na svojich parametroch. Ak si preberieme zapojenie jednotlivých okruhov spotrebičov, tak vratná vetva okruhu vykurovacích telies je zapojená v úrovni prívodnej vetvy podlahového vykurovania a okruhu aktívnych betónových jadier v rámci tretej vrstvy. Toto zapojenie umožňuje efektívnejšie využitie vyrobenej energie. Vratná vetva okruhu teplej vody je zapojená v úrovni prívodnej vetvy okruhu vykurovacích telies. Takýmto zapojením môžeme permanentne zabezpečiť vysoký stupeň využitia kondenzačného kotla, pretože stále bude mať dostatočne nízku teplotu vratnej vody do kotla.

Obr. 13 Príklad použitia centrály v chladení

Príklad použitia štvorvrstvovej centrály v chladení je na obr. 13. Teplotné úrovne v centrále sú 0/6/12/18 °C. Zapojenie využíva externú akumulačnú nádrž. Je to príklad, ako sa môže postupne odovzdávať energia. Vratná vetva okruhu 0 °C je napojená v úrovni prívodnej vetvy chladenia okruhu +6 °C a energia z nej sa využije na chladenie okruhu +6 °C, vratná vetva tohto okruhu je napojená v úrovni prívodnej vetvy chladenia +12 °C a energia z nej sa využije na chladenie okruhu +12 °C. Je potrebné si pripomenúť, že po hydraulickej stránke sú všetky zariadenia od seba oddelené, pretože nie je to prepojenie na vetve, ako by to bolo riešené v klasickom zapojení.

Návrh centrály

Centrála sa vyrába na mieru a bez použitia výpočtového programu nie je možné ju navrhnúť. Projektant definuje len požiadavky na centrálu.

Stručne k postupu:

• V zadaní sa uvedie zoznam zdrojov aj spotrebičov, ich tepelné výkony, hmotnostné prietoky a teplotné spády, resp. určí sa počet vrstiev a požadované teplotné spády a počet resp. usporiadanie vývodov.
• Na základe vstupných údajov výrobca určí budúce rozmery centrály a navrhne vnútorné usporiadanie pre výrobu.
• Do projektu sa zakresľuje už centrála s konkrétnymi rozmermi a usporiadaním vývodov.

Záver

Koncepcia centrál so stupňovitým teplotným nárastom / poklesom s funkciou THR získala ocenenie Energie Oscar už v r. 1994. Odvtedy preukázala flexibilitu vo veľkom množstve rôznych projektov. Je využiteľná v oblasti technických zariadení budov, v priemysle ako aj v teplárenstve, a to od malých výkonov (20 kW) až po veľké výkony (50 až 70 MW). Špeciálnymi oblasťami pre jej aplikáciu sú oblasti využitia odpadového tepla, geotermálnej energie a pri chladení v dátových centrách.

Literatúra

1. Turner, S., Sorenson, B: Modern Hydronic System Designs for Condensing Boilers – Fulton, 12/2014.
2. Siegenthaler, J: Alternatives to primary secondary piping – HPAC 01-02/2007.
3. Bašta, J.: Hydraulika a řízení otopních soustav, ČVUT, 2003, ISBN 80-01-02808-9.
4. Hydraulischer Nullpunkt ordet Heizwasserströme, IKZ-HAUSTECHNIK, 10/2009, str. 30–31.