Volba teplotního spádu

Při návrhu otopné soustavy volíme teplotní spád podle typu otopné soustavy, otopných ploch a zdroje tepla.

Teplotní spád u nízkoteplotních a teplovodních soustav se volí v rozmezí 10K až 25K, u horkovodních soustav 40K až 50K. Obvyklé teplotní spády teplovodních soustav jsou 85/75 °C, 80/60 °C, 75/65 °C, 70/50 °C, 70/60 °C. Teplotní spád 92,5/67,5 °C a 90/70 °C je používán v otopných soustavách s přirozeným oběhem vody, kde je potřeba dosáhnout co největšího vztlaku. U soustav s nuceným oběhem vody však teplotní spády se vstupní teplotou otopné vody 90 °C a více nejsou vhodné z důvodu regulace, kdy při těchto teplotách se často dostává do rozporu funkce kotlového termostatu a regulace teploty otopné vody a vzhledem k velikosti otopných těles. Volbou nižší vstupní teploty otopné vody (např. spády 75/65 °C, 75/60 °C, 80/60 °C) získáme též výkonovou rezervu pro pokrytí nepředvídatelných tepelných ztrát a při dobrých teplo-technických vlastnostech objektu i správnou velikost otopných těles.

Nízkoteplotní soustavy se obvykle navrhují na teplotní spády 55/45 °C, 45/35 °C, 35/25 °C.
V průběhu celého otopného období je žádoucí, aby vzhledem k nízkoteplotní korozi kotle byla zpětná teplota otopné vody na vstupu do kotle vyšší, než teplota rosného bodu spalin pro různé druhy paliv. To však neplatí pro nízkoteplotní a kondenzační kotle.

U teplárenského zásobování teplem se volí otopná soustava s takovým koncepčním řešením, které umožní snížení teploty vratné vody. Návrh otopné soustavy se provádí s ohledem na zařízení pro přípravu teplé užitkové vody, větrací, vzduchotechnická a technologická zařízení.

Vliv volby teplotních parametrů na chování soustavy při ustáleném stavu lze vyjádřit následujícími rovnicemi.

Tepelný výkon přenášený otopnou soustavou při zvoleném teplotním spádu a hmotnostním průtoku se stanoví

[W]

kde,		přenášený tepelný výkon [W]
	m	hmotnostní průtok [kg.s-1]
	c	měrná tepelná kapacita vody (c = 4187 [J.kg-1.K-1])
	t1, t2	teplota otopné vody přívodní a vratné [°C]

S rostoucím teplotním spádem soustavy klesá hmotnostní průtok a současně klesá i střední teplota vody v tělese a tím roste plocha tělesa potřebná k předání tepelného výkonu do místnosti.

Můžeme rovněž s určitou nepřesností říci, že se zdvojnásobením teplotního spádu vůči původní hodnotě lze přenášet dvojnásobný tepelný výkon. S určitou nepřesností proto, že nerespektujeme změnu viskozity vody s teplotou a tudíž i změnu hydraulických odporů, chování čerpadla a tak i změnu průtoku.

Tlaková ztráta úseku potrubní sítě roste přibližně s druhou mocninou rychlosti, což naznačuje, že při zdvojnásobení přenášeného tepelného výkonu a zachování stejného teplotního spádu dojde ke zvýšení tlakové ztráty přibližně na čtyřnásobek.

Při volbě teplotního spádu si uvědomme, že výkon otopného tělesa závisí na rozdílu střední teploty otopného tělesa a vnitřní teploty vzduchu.

Tepelný výkon otopného tělesa se stanoví

[W]

Vyjdeme - li z nového návrhu otopných těles, kde je vhodné vycházet z délky otopného tělesa, poté z teplotního spádu a příslušného tepelného výkonu dosahovat volbou např. jednoduchého, zdvojeného či ztrojeného deskového otopného tělesa s různě rozšířenou přestupní plochou, je nám teplotní spád resp. střední teplota určena otopnou plochou.

Podmínky nového přístupu dimenzování otopných těles popisují následující body:

• délka otopného tělesa musí být alespoň stejná jako je délka okna

     L_OT ≥ L_OK

• součin průmětné čelní plochy (výšky) tělesa a rozdílu mezi střední teplotou otopného tělesa a vnitřního vzduchu se musí nejméně rovnat součinu plochy (výšky) okna s rozdílem teploty vnitřního vzduchu a teploty povrchu okna (linearizace přestupu tepla sáláním postačuje)

     L_OT . H_OT . ( t_OT - t_i ) ≥ L_OK.H_OK . ( t_i - t_OK )

V případě, že platí rovnost délky okna a otopného tělesa se vztah zjednoduší na

     H_OT . ( t_OT - t_i ) ≥ H_OK . ( t_i - t_OK )

Z této rovnice vyjádříme střední teplotu otopného tělesa

     

kde,	ti	vnitřní výpočtová teplota [°C]
	tOK	povrchová teplota okna na vnitřní straně [°C]
	HOK	výška okna (otvoru ve zdi) [m]
	HOT	výška otopného tělesa [m]


Jedinou neznámou je povrchová teplota okna. Tu určíme z rovnosti prostupu a přestupu tepla na vnitřní straně okna

     

úpravou

     

kde,	kOK	součinitel prostupu tepla okna udávaný výrobcem [W/m²K]
	αi,OK	součinitel přestupu tepla na vnitřní straně okna [W/m²K], jeho velikost uvažujeme stejnou jako při výpočtu tepelných ztrát podle ČSN 06 0210 [αi,OK = 8 W/m².K]
	te	venkovní oblastní výpočtová teplota [°C]

Takto určenou povrchovou teplotu t_OK dosadíme do předchozího vztahu a určíme střední teplotu otopného tělesa t_OT. Podle této teploty volíme příslušný teplotní spád na tělese (u dvoutrubkových otopných soustav je shodný s teplotním spádem na soustavě), tak aby střední teplota byla i průměrnou teplotou teplotního spádu nebo lépe, jak ukázala praxe, aby byla teplotou vratné vody. Teplotní spád by se neměl volit větší jak 20K a optimálně 10 až 15K.

• tepelný výkon otopného tělesa je přinejmenším roven tepelné ztrátě místnosti

     Q_OT ≥ Q_C

Jelikož máme již určenu výšku tělesa H_OT i jeho délku L_OT, dosahujeme příslušného tepelného výkonu tělesa volbou jeho hloubky, tj. typu.

Samostatně je třeba posuzovat jednotrubkové horizontální otopné soustavy. Zde se v hydraulické řadě za sebou neustále snižuje střední teplota vody na tělesech a tak při požadovaném stejném výkonu roste i jejich velikost. Zároveň se při malém počtu těles v okruhu znatelně projevuje regulační zásah u jednoho tělesa i na ostatních. Z těchto důvodů se u jednotrubkových horizontálních otopných soustav volí teplotní spád 10 a max. 15K.

Lze sestavit jakási obecná kritéria pro volbu teplotních parametrů v otopné soustavě. Jsou to především:

• Ekonomické faktory (minimalizace nákladů na realizaci i provoz soustavy);
• Fyzikální vlastnosti teplonosné látky;
• Hygienické požadavky na otopnou soustavu resp. na tělesa (max. povrchová teplota) ;
• Požadavky na zajištění tepelné pohody (velikost otopných těles a jejich umístění);
• Technické možnosti zdroje tepla ( např. nízkoteplotní zdroje určují maximální teplotu otopné vody v soustavě).

Závěrem lze konstatovat, že je třeba respektovat souvislosti týkající se přenosu tepla otopnou soustavou, hmotnostního průtoku a hydraulických ztrát a s nimi souvisejícími dimenzemi potrubí. Volba teplotního spádu souvisí s parametry jak otopné soustavy a otopných ploch, tak zdroje tepla (kotel, tepelné čerpadlo, kogenereční jednotka, výměník) kde je teplotní spád jako maximální většinou určen výrobcem.

Literatura