Proč věnovat pozornost udržování správného tlaku v otopné soustavě?
Nedílnou součástí všech otopných soustav je zajištění správného tlaku, což je zásadní pro spolehlivý rozvod tepla. Proto je třeba zvolit pro konkrétní otopnou soustavu to správné řešení.
Moderní zařízení pro udržování tlaku nabízejí navíc i další funkce, jako jsou dálkové ovládání a možnosti přenosu dat. V tomto článku se budeme zabývat různými typy, funkcemi a technickými parametry zařízení pro udržování tlaku. Zároveň přidáme tipy, na co se zaměřit při návrhu i provozu.
Význam problematiky udržování tlaku pro hladký chod soustavy se bohužel stále velmi často podceňuje. Když se objeví problémy, jako hluk díky vzduchovým bublinám nebo nedostatečný přenos tepla, řada projektantů nejdříve navrhne vyměnit čerpadla nebo provést vyvážení soustavy. Jen zřídka je napadne, že možná nebylo správně projektované zařízení pro udržování tlaku nebo že by s tímto zařízením mohlo být něco v nepořádku.
Také se může stát, že si nejsou projektanti vědomi všech technických možností a funkcí daného zařízení. Například dynamická multifunkční zařízení mohou monitorovat i doplňování, odplyňování a úpravu vody a komunikovat různými způsoby s ostatním zařízením, jako je řídící systém budovy nebo připojenými zařízeními, třeba v podobě chytrého telefonu. Zejména u velkých a komplexních soustav a v changeover soustavách vytápění a chlazení jsou výhody nepřehlédnutelné.
Hlavní funkce zařízení pro udržování tlaku
Hlavní funkcí zařízení je nepřetržitě udržovat tlak v celé soustavě v rámci vymezených limitních hodnot. Jen tak se zabrání negativnímu tlaku, kavitaci a překročení maximální přípustné hodnoty tlaku. Pro dosažení tohoto stavu musí mít zařízení pro udržování tlaku dostatečný objem pro kompenzaci změny objemu vody při výkyvech teploty. Zároveň je také důležité mít dostatečnou zásobu vody jako rezervu při úniku vody v soustavě.
Dolní provozní mez zařízení pro udržování tlaku je definována počátečním tlakem (pa). Měl by být alespoň 0,2 bar nad hodnotou tzv. minimálního tlaku (p0), který by zas měl být alespoň 0,3 bar nad hodnotou statického tlaku (pst). Tak se zajistí kladný tlak 0,5 bar v celé soustavě kromě možnosti negativního tlaku. Minimální tlak lze vypočítat jako p0 = Hst/10 + 0,2 bar.
Hst je statická výška, tj. výškový rozdíl mezi bodem připojení zařízení pro udržování tlaku a nejvyšším bodem soustavy.
Hst/10 je adekvátní odhad statického tlaku vodního sloupce pro tuto výšku.
Konečný tlak (pe) je horní provozní mez zařízení a nesmí přesáhnout hodnotu tlaku pro otevření pojistného ventilu (psvs) mínus uzavírací tlakovou diferenci. Obrázek 1 znázorňuje provozní rozpětí zařízení pro udržování tlaku mezi pa a pe a tlakové meze.
Obrázek 1 – Pracovní oblast zařízení pro udržování tlaku
Silné výkyvy mimo pracovní rozmezí – tj. pod hodnotu počátečního tlaku pa a nad konečný tlak pe – značí, že zařízení pro udržování tlaku nefunguje správně.
Velké výkyvy pod pa a nad pe značí, že zařízení pro udržování tlaku nefunguje správně. Nejjednodušší způsob, jak najít příčinu, je použít manometr s ukazateli min/max. Pokud se aktivuje pojistný ventil a dojde ke ztrátě vody, pak to může být další indikace, že byl překročen maximální tlak. Obecně platí, že pokud se musí často doplňovat do soustavy voda, mělo by se zkontrolovat zařízení pro udržování tlaku. Dalším ukazatelem nedostatečného tlaku v soustavě jsou hlučná čerpadla a ventily kvůli kavitaci nebo zavzdušnění vodního okruhu. Navíc vedle těchto mírných projevů se pokles tlaku pod hodnotu minimálního tlaku soustavy projevuje vypínáním kotle. V takové chvíli se již nedá problém tlaku v soustavě přehlédnout.
Začlenění do hydroniky
Aby zařízení pro udržování tlaku fungovalo bez problémů, je důležitá správná hydronická instalace. Preferuje se instalovat zařízení pro udržování tlaku na stranu zpátečky nebo na sací stranu oběhového čerpadla. Tak se zajistí, aby provozní tlak soustavy při chodu čerpadla převýšil statický tlak (viz obrázek 2) vyjma možnosti negativního tlaku v horním bodě soustavy. Další výhodou je, že nízká teplota vody ve zpátečce oddaluje termín údržby expanzního vaku. Z těchto důvodů se ukazuje sací strana čerpadla pro montáž jako správná volba.
Obrázek 2 – Sací strana zařízení pro udržování tlaku
Pokud je zařízení pro udržování tlaku napojeno ve zpátečce na sací straně oběhového čerpadla, pracovní tlak je většinou nad hodnotou statického tlaku vyjma možnosti negativního tlaku v nejvyšších bodech soustavy.
Další možností připojení je zařízení pro udržování konečného tlaku. Využívá se hlavně jako řešení ve speciálních případech, například v solárních soustavách nebo pro renovaci starších soustav, kde se musí udržovat tlak co nejnižší. Zařízení se namontuje na tlakovou stranu oběhového čerpadla. Je třeba vzít v úvahu tlak čerpadla v závislosti na dané soustavě, aby se zabránilo negativnímu tlaku. Pro zařízení udržování konečného tlaku v soustavě se doporučuje podrobná analýza křivky tlaku.
Výpočet objemu
Správného dimenzování expanzního zařízení lze dosáhnout jen tehdy, když je znám maximální expanzní objem (Ve), vzniklý při provozu konkrétní soustavy. Expanzní objem je přímo závislý na objemu soustavy (Vs) a minimální a maximální teplotě, určující expanzní koeficienty: Ve = Vs * e (tmin, tmax).
Objem soustavy lze odhadnout relativně přesně jako funkci tepelného výkonu (QN): Vs = F (QN). Také se musí ale počítat s objemem vody a minimálními a maximálními teplotami akumulačních nádrží a dalších komponent s velkým objemem vody.
Zařízení pro udržování tlaku musí také zadržovat určitý objem vody kvůli ztrátám vody, způsobeným odpařováním, mikrotrhlinami a údržbě nebo opravě soustavy. Norma DIN EN 12828 i směrnice VDI 4708-1 stanovují, že vodní rezerva (Vwr) musí představovat alespoň 0,5 % objemu soustavy nebo alespoň 3 l.
Kromě objemu se také musí při dimenzování expanzního potrubí počítat i s objemovým průtokem (rychlost expanze). V zásadě se musí předejít aktivaci pojistného ventilu kvůli nadměrnému dynamickému tlaku, vytvořenému ve směru zařízení pro udržování tlaku. Expanzní potrubí jsou obvykle navrhována s tlakovou ztrátou do 5 kPa.
Statické zařízení pro udržování tlaku s membránovou expanzní nádobou
Pro aplikace, vyžadující nízký nebo střední výkon, jinými slovy otopné soustavy až do 300 kW nebo s tlakem až do 3 bar, je statické zařízení pro udržování tlaku nejčastějším řešením. Jsou to membránové tlakové nádoby, které vyrovnávají tlak bez přívodu energie s pomocí plynového polštáře, odděleného pryžovou membránou (polomembrána nebo celomembrána, nazývaná vak). Občas se zapomíná, že nominální objem nádoby (VN) závisí nejen na obsahu vody v soustavě a teplotách, ale také významně na přípustných tlacích soustavy a výsledném tlakovém faktoru (PF). Expanzní nádoby se tak musí navrhovat s ohledem na konkrétní soustavu (viz praktický příklad v rámečku).
Expanzní nádoby lze snadno kombinovat s externím zařízením pro doplňování vody a odplyňování. Jako výsledek tlakového faktoru ale jen 30 % nominálního objemu lze použít pro uskladnění vody. Takže od určitého objemu soustavy se z důvodu nákladů a místa preferuje dynamické zařízení pro udržování tlaku. To samé platí pro soustavy, vyžadující podmínky přesného tlaku, protože membránové tlakové nádoby využívají většinou pro tlakové zařízení provozní rozsah od p0 + 0,3 bar až po psys – 0,5 bar.
Pravidelná kontrola tlaku plynu
Charakteristiky propustnosti membrány jsou důležitým faktorem, určujícím kvalitu membránové expanzní nádoby. U těchto nádob vysoká propustnost materiálu membrány obecně vede k vysokým ztrátám tlaku při provozu. Pokud je ztráta tlaku příliš vysoká, zařízení nemusí fungovat správně nebo dokonce může selhat úplně, což může zapříčinit zavzdušnění soustavy nebo problémy s korozí. To je důvod, proč je nezbytná pravidelná kontrola vždy, když se používá membránová tlaková nádoba. Doporučené intervaly kontrol závisejí na materiálu membrány. Pokud je materiálem styren butadien pryž (SBR), kontrola tlaku plynu by se měla provádět alespoň jednou ročně. Membrány vyrobené z monomerické pryže propylen dien (EPDM) jsou mnohem více propustné než SBR, což se musí projevit i v intervalech údržby. Naopak vysoce kvalitní materiál v podobě butylové pryže, které nabízí nádoby s vakem Statico IMI Hydronic Engineering, má extrémně nízkou difuzi. U tohoto materiálu obvykle postačí provést kontrolu tlaku plynu jednou za tři až pět let.
Pro provedení kontroly udává norma DIN EN 12828, že je nutný uzavírací a vypouštěcí ventil, aby se expanzní nádoby daly vypustit samostatně bez nutnosti vypouštění systému. Expanzní nádoby s plochou membránou, které jsou zabudovány do kondenzačních kotlů zpravidla nemají vlastní uzavírací zařízení. V toto případě se musí uzavřít a vypustit celý kotel, což je nákladný a zdlouhavý proces. Z toho důvodu se u zařízení tohoto typu kontroly tlaku plynu často zanedbávají. Z dlouhodobého hlediska tento přístup vede k problémům s tlakem v soustavě a ke ztrátám vody.
V období mezi údržbami může dodatečná provozní rezerva optimalizovat výkonnost tlaku. Jeden způsob na vytvoření provozní rezervy je zahřát soustavu na maximální teplotu a pak ji doplnit vodou, aby se tlak dostal na hodnotu pe (konečný tlak). To způsobí, že tlak zůstane nad minimálním tlakem p0 + 0,3 bar i po zchlazení soustavy. Eventuelně by se mohlo zvolit, aby membránová expanzní nádoba byla větší, než se kalkulovalo.
Dynamické zařízení pro udržování tlaku s kompresorem nebo čerpadlem
Na rozdíl od expanzních nádob potřebují dynamická zařízení pro udržování tlaku elektrické napájení. Na trhu jsou dostupné systémy řízené kompresorem nebo čerpadlem. Kompresorová zařízení se používají všude tam, kde je důležitá kompaktnost a přesnost. Nejčastěji se používají pro soustavy do 800 kW nebo s nominálním tlakem až do 6 bar. Přirozená elasticita vzduchového polštáře znamená, že tlak lze udržovat na ± 0.1 bar (viz obrázek 3). Kompresorová tlaková zařízení zůstávají funkční i při výpadku elektřiny. Nominální objem expanzní nádoby lze použít pro dopouštění vody.
Obrázek 3 – Kompresorové zařízení na udržování tlaku
Většinou se využívá všude tam, kde se vyžaduje kompaktnost a přesnost, protože zaručují konstantní tlak v soustavě s přesností ± 0.1 bar.
Čerpadlová tlaková zařízení také garantují konstantní tlak v soustavě s vysokým stupněm přesnosti až po ±0.2 bar (viz obrázek 4). Tato řešení se většinou používají ve velkých instalacích, vyžadujících lepší výkonnost než u kompresorových zařízení nebo pro středně velké instalace s kombinací s doplňováním vody a odplyňováním. Na ochranu čerpadla před chodem bez vody se nominální objem expanzní nádoby nepoužívá plně, ale jen na 90 %. Při výpadku elektřiny zařízení není schopno doplnit vodu do soustavy.
Obrázek 4 – Čerpadlové zařízení na udržování tlaku
Většinou se používají v instalacích, vyžadujících vyšší výkonnost než u kompresorových tlakových zařízení, nebo ve středně velkých instalacích s multifunkčními jednotkami s doplňováním vody a odplyňováním.
Doplňkové funkce a datová komunikace
Moderní expanzní zařízení také poskytují řadu dalších funkcí. První tohoto typu, Transfero TV Connect od IMI Pneumatex, kombinuje čerpadlové tlakové zařízení a vakuové odplyňování v jednom výrobku (viz obrázek 5). Tlak v soustavě se s vysokou přesností udržuje konstantní, voda v soustavě se udržuje bez uvolněných plynů, a ještě se šetří místo. Navíc funguje minimálně dvakrát tak efektivně než zařízení s atmosférickým odplyňováním. Zařízení má automatické doplňování vody včetně monitorování objemu doplňované vody a odplyňování. Navíc lze připojit moduly pro změkčování či demineralizaci vody.
Obrázek 5 – Transfero-TV-Connect
Trasnfero TV Connect od IMI Pneumatex kombinuje dvě funkce v jedné jednotce – čerpadla udržují konstantní tlak v soustavě a patentované vakuové cyklónové odplyňování udržuje oběhovou vodu bez volných plynových bublin.
Obrázek 6 – Datová komunikace
Řídicí jednotka BrainCube Connect je součástí jednotky, poskytuje širokou škálu možností datové komunikace a monitorování soustavy.
Obrázek 7 – Changeover instalace
V otopných/chladicích changeover soustavách využívají moderní stanice pro udržování tlaku datovou komunikaci, aby zajistily, že expanzní nádoba na chladicí straně soustavy se včas naplní.
Multifunkční řešení je také vybaveno funkcí datové komunikace a monitorování. Jako standard je použito řídicí zařízení BrainCube Connect, který umožňuje obsluhovat a monitorovat jednotku v reálném čase z jakéhokoli zařízení, připojeného k internetu, nebo i bez přístupu k internetu přes serverové rozhraní. Na dálku lze nejen soustavu analyzovat, řešit případné problémy, ale i ji jednotku uvést do provozu a dělat údržbu, čímž se šetří lidská práce a čas. Je také možné jednotku bezdrátově propojit s řídícím systémem budovy přes Modbus RS-485 a ethernetové rozhraní. Navíc je také k dispozici USB vstup jako spolehlivé a rychlé propojení, stažení dat či aktualizaci software (viz obrázek 6).
Otopné/chladicí changeover soustavy
Moderní zařízení pro udržování tlaku s možností komunikace jsou nezbytnou součástí changeover soustav. Soustavy, které jsou schopné vytápět stejně jako chladit, se instalují stále častěji, například v kombinaci s fancoily. Otopná část stejně jako chladicí část mají vlastní zařízení pro udržování tlaku. Pokud jsou tyto dvě jednotky instalovány do stejné soustavy, voda bude postupně proudit z chladicí části do otopné přes společné spotřebiče, dokud nebude expanzní nádoba přetékat na otopné straně nebo nebude zcela prázdná na chladicí straně.
Spolehlivé řešení tohoto problému je hydronické propojení ovládané motorickým kulovým ventilem, přes který lze řízeně vrátit vodu z otopné části (viz obrázek 7). To ale může fungovat jen, když obě jednotky pro udržování tlaku mohou komunikovat spolu a s propojovacím ventilem na propojovacím potrubí. Zařízení pro udržování tlaku na chladicí straně se udržuje v chodu, dokud není expanzní nádoba skoro prázdná. Ventil se pak automaticky otevře a soustava se přepne do řídicího módu, dokud se expanzní nádoba na chladicí straně znovu neobnoví.
Praktický příklad návrhu pro membránovou expanzní nádobu
Nominální objem (VN) membránové expanzní nádoby může být zhruba stanoven využitím otopného výkonu soustavy. Například pokud je otopný výkon 40 kW, použije se expanzní nádoba s nominálním objemem 40 l. Expanzní nádoby s plochou membránou jsou v provozu zabudovány do mnoha nástěnných kondenzačních kotlů. Pro výkon 40 kW mají často nominální objem 12 l. Stručný případ níže ukazuje, že v obou případech je membránová expanzní nádoba moc malá, aby mohla ochránit celou soustavu, a že membránová expanzní nádoba musí být vždy navržena pro konkrétní případ. Objem soustavy (VS) 40 kW otopného kotle s deskovými otopnými tělesy a teplotami 50/40 °C (přívod a zpátečka) může být uvažován na 800 l. Expanzní objem (Ve = 800 l * 0,0119 = 9,52 l) a vodní rezervu (Vwr = 800 l * 0,005 = 4 l) lze vypočítat podle toho.
Se statickou výškou 10 m je požadovaný minimální tlak soustavy 1,2 bar (p0 = 10/10 + 0,2 bar). S pojistným ventilem 3 bar nesmí konečný tlak (pe) překročit hodnotu 2,5. Tlakový faktor je dosažen s DF = (pe + 1)/(pe – p0), což je v tomto případě 2,92. Nyní lze spočítat nejmenší možný nominální objem expanzní nádoby:
VNmin = (Ve + Vwr) * PF = (9.52 l + 4 l) * 2.69 = 36.37 l
Pro tuto soustavu je tedy třeba membránová expanzní nádoba s nominálním objemem alespoň 37 l. Abychom ilustrovali podstatný vliv individuálních parametrů, navyšme statickou výšku z 10 na 15 m. Tak se výrazně zvýší minimální požadovaný nominální objem membránové expanzní nádoby na 59 l.
Naší doménou jsou vysoce efektivní řešení pro HVAC soustavy: udržování tlaku a kvality vody; vyvažování, regulace a ovládání; termostatická regulace včetně unikátní technologie AFC® s Eclipse Inside. Produkty značek Heimeier, TA a Pneumatex šetří čas, ...
