Statické a dynamické vyvažování otopných soustav

Následující příspěvek dlouholetého projektanta, a současně i soudního znalce v oboru vytápění, porovnává chování statických a dynamických (osazených TRV ventily) otopných soustav z hlediska naplnění požadavku vyhlášky vztahující se k zaregulování otopných soustav, resp. nastavení jmenovitých průtoků na patě stoupačky. Tyto úkony jsou obecně nutné pro vypracování protokolu o zaregulování otopné soustavy. Vyjma stanovení podmínek při vlastním měření průtoků na patách jednotlivých stoupaček autor příspěvku matematicky dokazuje, že při volbě správné armatury, použité pro dynamické vyvážení otopné soustavy a jejím konkrétním nastavení, je případná změna průtoku výrazně menší, než vyhláškou požadovaných ±15 %.

Recenzent: Zdeněk Číhal

Za statickou otopnou soustavu je možné považovat takovou soustavu, která má přibližně konstantní průtok. Do stejné skupiny můžeme zařadit původní otopné soustavy s dvojitě-regulačními radiátorovými kohouty, u kterých byl průtok dvojnásobný možná až trojnásobný, než průtok jmenovitý. Nicméně byl tento průtok přibližně stále stejný. Slovo přibližně zde reflektuje mnohdy nevyhovující provozní podmínky, kdy se například jen část z kohoutů dala uzavřít – ne vždy se totiž dalo ovládacím kolečkem kohoutu ještě otočit.

Oproti tomu u dynamických soustav se může průtok měnit často v mnohem větší míře, než je rozmezí ±15 %. V takových soustavách přestává mít vyvažování pomocí statických vyvažovacích armatur smysl. Tyto nemohou při změnách tlakových poměrů plnit původně zamýšlený účel, a sice stabilizovat průtokové poměry v soustavě.

Statické otopné soustavy se začaly měnit na dynamické s nástupem termostatických ventilů. Uživatelé bytů měli poprvé možnost uzavřít, otevřít nebo i jistým způsobem regulovat své vytápění. Co se nezměnilo, byla příliš vysoká teplota otopné vody na vstupu do domů a příliš výkonná oběhová čerpadla v sídlištních zdrojích tepla.

Termostatický ventil, původně určený k využití vnějších i vnitřních tepelných zisků, začal fungovat jako omezovač průtoku. Ten pak ve vodorovném rozvodu klesal až k 25 % jmenovitého průtoku, zároveň s tím docházelo k poklesu tlakové ztráty až na 6,2 % původní hodnoty. Tlakový rozdíl mezi tlakem čerpadla a tlakovou ztrátou vodorovného rozvodu (přes 90 %) se následně přenášel na zbývající, ještě otevřené termostatické ventily, což bylo jednou z hlavních příčin generování hluku. Změny průtoku se samozřejmě přenášely nejen mezi jednotlivými stoupačkami, ale i mezi domy napojenými na stejný zdroj tepla.

Budovy osazené termostatickými ventily začaly mít tedy problémy s hlukem a tento stav bylo potřeba neprodleně řešit. Následoval zásah legislativy, která do vyhlášky č. 193/ 2007 Sb. (§ 7, odst. 6) stanovila povinnost osazovat ke koncovým jednotkám, tedy i ke stoupačkám vytápění panelových domů, vyvažovací ventily. Dodavateli otopné soustavy přibyla povinnost předkládat měřicí protokol s uvedením projektem vypočteného, tzv. jmenovitého průtoku s tolerancí ±15 %. Tato vyhláška je platná dodnes.

Může být tato legislativní úprava odpovědí na všechny problémy otopných soustav?

Platilo by to pouze za předpokladu, kdy by měl každý z teplem zásobovaných objektů možnost pracovat s topnou křivkou a ve venkovním rozvodu tepla si při měnících se tlakových a průtokových poměrech stabilizovat průtok do domu. Jinak řečeno, objekt by musel mít vlastní směšovací stanici s regulátorem tlakové diference. Tím by se teplotně i hydraulicky oddělila otopná soustava domu od sídlištního zdroje a venkovního rozvodu tepla.

Zatímco hydraulické a teplotní oddělení horkovodního rozvodu tepla pomocí výměníkové stanice se používá již desítky let, u teplovodního rozvodu je to ve většině případů stále nedostižným cílem.

Nepříznivý stav otopných soustav se nezlepšil ani po zateplení domů a po instalaci indikátorů topných nákladů. Ba právě naopak. Teplota otopné vody na vstupech do zateplených domů je až o 20 °C vyšší, než by bylo potřeba. Tím dochází k výraznému přetápění, uzavírání radiá­torových ventilů, poklesu průtoku a generování hluku. Tyto problémy statická vyvažovací armatura nemůže vyřešit.

V domech, ve kterých se přetápí, bývá nastavení jmenovitého průtoku neřešitelným problémem. Vše se odvíjí od velkého množství uzavřených radiátorových ventilů, které dosažení jmenovitého průtoku znemožňují. Základní podmínkou na počátku měření a vyvažování je vychladit otopnou soustavu do té míry, aby se všechny hlavice termostatických ventilů otevřely. Pokud v domě není směšovací stanice, vyvažovat se v důsledku příliš vysoké teploty vody nedá.

Lépe jsou na tom domy s vlastní kotelnou, výměníkovou stanicí nebo stanicí směšovací, kde lze nastavit jak teplotu otopné vody, tak i jmenovitý průtok.

Statické vyvažování otopných soustav

Statické vyvažování s měřením jmenovitých průtoků na každé stoupačce vyhovuje pro konstantní průtok. U otopných soustav s termostatickými ventily by v dnešních dobách mělo převažovat dynamické vyvažování. V čem je rozdíl?

U statické soustavy můžeme přednastavením vyvažovacích ventilů na patách stoupaček předem spočítat a měřením vypočtené hodnoty ověřit, zda splní vyhláškou stanovenou toleranci průtoku ±15 %.

Vycházíme ze jmenovitého průtoku a z požadavku na dispoziční tlak na patě stoupačky. Dimenze a nastavení vyvažovacího ventilu vyhoví jen pro jeden jmenovitý stav.

Při poklesu průtoku klesá tlaková ztráta vodorovného rozvodu. Při polovičním průtoku na 1/4 původní hodnoty. Zvětšující se tlakový rozdíl mezi tlakem čerpadla a klesající tlakovou ztrátou vodorovného rozvodu se přenáší na termostatické ventily, které začnou hlučet.

Zvýšený průtok nedokáže statická armatura eliminovat.

Statická armatura nedokáže udržovat na patách stoupaček požadovaný průtok ani potřebnou tlakovou diferenci při změně vstupních parametrů. A to ani v případech, kdy byl rozvod hydraulicky vyregulován.

Dynamické vyvažovaní otopných soustav

U dynamické soustavy je tomu jinak. Také známe jmenovitý průtok, i tlakovou diferenci, která by kryla tlakovou ztrátu ventilových spodků TRV a tlakovou ztrátu stoupačky. Rozdíl je v tom, jak se budou oba systémy chovat při změně průtoku. Například při dvojnásobném, nebo polovičním průtoku.

Kolísání průtoků v otopných soustavách je způsobeno převážně přetápěním, tj. provozem na vyšší topnou křivku, než která by odpovídala venkovní teplotě a požadované vnitřní teplotě. Dále pak nočním útlumem, kdy je potřeba navýšit teplotu otopné vody. Otopná tělesa, která byla v noci v provozu, nepotřebují po ránu vyšší teplotu otopné vody a termostatické ventily tato tělesa uzavírají. To je druhou příčinou kolísání průtoku v otopných soustavách během provozu.

Vyšší teplotu otopné vody není možné, a pravděpodobně ani nebude v budoucnu, eliminovat. Jednak pro chybějící směšovací stanice na patách domů, či v důsledku jejich chybné konstrukce nebo jejich provozem, ovládaným převážně dodavatelem tepla. Ten na snižování spotřeby tepla nemá, a ani nemůže mít ekonomický zájem.

Je známou pravdou, že dynamické soustavy se nedají statickou vyvažovací armaturou vyvážit. Statické vyvážení je uspokojivé jen pro jeden provozní stav, pro jmenovitý průtok, kdy jsou všechny termostatické ventily otevřeny. Ve všech ostatních případech je potřeba na paty stoupaček osadit dynamické armatury. Dynamickými armaturami se rozumí regulátor diferenčního tlaku ve zpátečce stoupačky a armatura v přívodním potrubí pro odběr tlaku, obvykle pomocí měděné trubičky o průměru 6 mm pro regulátor.

Regulátor se nastavuje tak, aby pro jmenovitý průtok stoupačky byla za regulátorem právě vypočtená tlaková diference, která má za úkol pokrýt tlakovou ztrátu termostatických ventilů plus tlakovou ztrátu stoupačky.

Pokud se zvýší tlak (a tedy i průtok) v přívodním potrubí, kapilára napojená na armaturu v přívodním potrubí přenáší tlak pod membránu regulátoru ve zpátečce. Tím se průtok omezí, aby na patě stoupačky byla obnovena původní tlaková rovnováha.

Pokud tlak v přívodním potrubí poklesne, přenese se pokles tlaku pod membránou a pružina nad membránou regulátor mírně otevře, aby se dosáhlo předchozího vyváženého stavu.

Typy tlakových regulátorů

Původní koncepce kombinuje regulátor tlakové diference (na obrázku STAP) se statickým vyvažovacím ventilem (na obrázku STAD). Vyvažování se provádí tak, že se mění tlaková diference na zpátečce a průtok se kontroluje pomocí přístroje na měřicích nástavcích armatury v přívodním potrubí.

Nevýhodou ventilu STAD může být to, že v obydleném domě, který nemá seřízeny ventilové spodky termostatických ventilů a navíc přetápí, se nedá průtok statickým ventilem změřit.

Jiným typem regulátoru může být například ventil PV Compact.

Jak nastavit regulátor diferenčního tlaku

Tlakové diference regulátoru se počítají podle vztahu:

kde je

• ΔP_p minimálně potřebná dispoziční tlaková diference na patě stoupačky
• ΔP_s požadovaná tlaková diference chráněného okruhu
• ΔP_v tlaková ztráta plně otevřeného regulátoru při jmenovitém průtoku

Tlaková diference chráněného okruhu se skládá ze dvou částí. Zvolené tlakové diference v hydraulickém středu stoupačky a tlakové ztráty stoupačky.

Pro průtok například 900 l·h^–1 a potřebný diferenční tlak na patě stoupačky ΔP_s = 12 kPa vyhledáme armaturu s rozsahem průtoku 100 až 1000 l·h^–1, tj. regulátor DN25 s rozsahem nastavení 5 až 30 kPa. Vlastní tlaková ztráta regulátoru bude 1,1 kPa, minimálně potřebná dispoziční tlaková diference na patě stoupačky bude 13,1 kPa. Nastavení regulátoru pro ΔP_s = 12 kPa vyhledáme z grafu nebo SW příslušného dodavatele. V tomto případě to bude nastavení číslo 7,9.

Požadavky na vyvážení otopných soustav

Některé městské úřady, družstva nebo SVJ požadují pro spravované byty protokol o vyvážení otopné soustavy podle vyhlášky č. 193/ 2007 Sb. §7 odstavec (6):

„U rozvodu tepelné energie a vnitřního rozvodu vytápění a teplé vody se seřizují průtoky tak, aby odpovídaly projektovaným jmenovitým průtokům s maximální odchylkou ±15 %. Seřízení průtoků se prokazuje měřením v jednotlivých větvích otopné soustavy. Měření se provádí při uvádění provozu, po odstranění závažných provozních závad, při nedostatečném zásobování nebo přetápění u některého odběratele či spotřebitele a při změnách zařízení, které ovlivňují tlakové poměry v síti, zejména při připojení nových a odstavení stávajících odběratelů či spotřebitelů. Protokol o měření a nastavení průtoků zůstává trvale uložen u provozovatele rozvodu či vnitřního rozvodu.“

U statických vyvažovacích armatur se porovnává vypočtený jmenovitý průtok s průtokem naměřeným, obvykle pomocí kompenzační metody. Statické vyvažování vyhovuje v případech přibližně neměnného průtoku. Při kolísání průtoku se statická vyvažovací armatura stává neúčinnou.

Příčinou kolísání průtoku může být chybějící směšovací stanice, přetápění, nestabilizovaný průtok do otopné soustavy, zateplení ­objektu nebo instalace indikátorů na otopná tělesa. Dá se říct, že v dnešní době je takových domů většina.

Pro stabilizaci průtokových poměrů ve stoupačkách otopné soustavy je potřeba použít armatury pro dynamické vyvažování. Tedy regulátory tlakové diference a armatury pro odběr tlaku na patách jednotlivých stoupaček.

Tabulka pro nastavení regulátorů

V tabulce vidíme všechny hodnoty, které je potřeba uvést.

Co z tabulky vidíme?

Zatímco chráněný úsek každé stoupačky udržuje tlakovou diferenci DP_s = 12 kPa, tlaková diference udržovaná na patách stoupaček DP_p je pokaždé jiná. Zahrnuje i tlakovou ztrátu vlastního regulátoru DP_v, která se mění jak s dimenzí regulátoru, tak i s číslem nastavení.

Stanovení průtoku na základě nastavení nebo měření tlakové diference

Podle vyhlášky se seřízení průtoků prokazuje měřením v jednotlivých větvích otopné soustavy. Nikde není řečeno, a ani nemůže být řečeno, na základě jakého fyzikálního principu má být měření zdokumentováno.

Poněkud zastaralá se jeví představa statické armatury, která na základě měření tlakové ztráty na kuželce ventilu při známé Kv hodnotě ventilu vyhodnocuje průtok.

Jiný fyzikální princip je například u průtokoměrné části měřiče tepla, která pracuje na základě ultrazvuku.

Jiný princip je u regulátoru diferenčního tlaku, kde se pomocí vypočteného nastavení DP_s měří tlakový rozdíl na patě stoupačky, ze které se následně vypočte průtok.

Na regulátoru se při montáži na­staví tlaková diference, například 12 kPa. Před měřením se sníží teplota vody a vývěskou v domě se požádají uživatelé bytů, aby po dobu měření nechaly otevřené hlavice termostatických ventilů.

U poslední stoupačky se zkontroluje, zda za nastaveným regulátorem je tlaková diference na stoupačce DP_s0 = 12 kPa ±3,5 %. U stoupačky, u které je nejvyšší potřeba tlaku DP_p na patě stupačky se zkontroluje i tato tlaková diference. Pokud tomu tak není, bude potřeba oběhové čerpadlo nastavit na vyšší tlakový přínos. Označme tento stav jako stav 1, u kterého je jmenovitý průtok například M1 = 900 l·h^–1.

Nyní změříme u první a postupně u dalších stoupaček tlakovou diferenci DP_sn. Například 12,7 kPa. Označme tento stav jako stav 2. Průtok M2 bude:

[l·h^–1]

Průtok je vyšší o 2,9 %.

Na základě vypočteného průtoku můžeme vyplnit tabulku pro měřicí protokol.

Měřicí protokol

Vyvažování otopných soustav s dynamickou armaturou představuje moderní a současně i vyšší úroveň vyvažování s vyšší přesností dodržení jak nastavených hodnot diferenčního tlaku a průtoku, tak i jejich dodržování během praktického provozu.

Přesnost nastavení průtoku na patách stoupaček

Regulátor udržuje nastavenou tlakovou diferencí chráněného okruhu s tolerancí ±7 %.

Protože průtok závisí na druhé odmocnině tlakové ztráty, může průtok kolísat jen v mezích:

Regulátory tlakové diference s definovanou tolerancí poskytují výrazně vyšší přesnost při stabilizaci průtoku na patách stoupaček, než požaduje dnes již překonaná vyhláška (±15 %).

Měřicí protokol, zhotovený podle výše uvedených zásad, je rovnocenný protokolu s měřením na statických vyvažovacích ventilech. Vychází ze stejných fyzikálních principů měření jako je tomu u statických vyvažovacích ventilů nebo průtokoměrných částí měřičů tepla.

---

Static and dynamic heating systems balancing

The article of widely experienced planner and heating expert witness compares interaction between static and dynamic (TRVs) heating systems with a focus on meeting legal standard relating to heating system adjustment, or setting flow coefficient on riser. These steps in general are necessary for the report of heating system adjustment. Except determination of conditions during flow rate measuring on each particular risers, the author proves mathematically that once the fitting used for dynamic heating system balancing and its particular setup is chosen well, then eventual change in flow rate is significantly lesser, than ±15 % provided by standard.