Antihydronika v bytovém domě

Autor ve svém příspěvku popisuje reálnou situaci, resp. důsledky řady špatných rozhodnutí, které by následovaly, pokud by otopná soustava byla upravována pouze podle dílčích navržených úprav.
Jedním z nejdůležitějších, a pro projektanty i novým, parametrem pro návrh otopné soustavy je způsob provozu otopné soustavy. Rostoucí ceny tepla vedou majitele bytových jednotek k tomu, že vytápění, zvláště řešené pomoci bytových předávacích stanic, je provozováno jako přerušované. Pokud tato skutečnost není již v rámci zpracování projektové dokumentace zohledněna v návrhu otopných těles atd., je reálný předpoklad, že otopná soustava nebude schopna zajistit požadované vnitřní teploty. Pro již zrealizovanou otopnou soustavu je pak prakticky nemožné zvyšování výkonu otopné plochy zmenšením teplotního spádu, jelikož tlaková ztráta narůstá se čtvercem rychlosti. Jinými slovy – při zmenšení teplotního spádu na polovinu tlaková ztráta naroste na čtyřnásobek původní tlakové ztráty, nehledě na to, že při zapojení s anuloidem by, v tomto konkrétním případě, nebylo snížení teplotního spádu, s požadovaným efektem zvýšení výkonu otopných těles, prakticky ani možné.
Tento příspěvek opět poukazuje na to, že otopná soustava je pouze jedna a je nutno ji posuzovat jako celek, tj. zdroj, rozvody, otopná tělesa. Pokud jsou prováděny či navrhovány zásahy do jednotlivých dílčích částí bez znalosti celku, může výsledek dopadnout tak, jak autor popisuje.

Recenzent: Zdeněk Číhal

V dobách dávno minulých to měli projektanti vytápění jednodušší. Prvním krokem, stejně jako dnes, se počítaly tepelné ztráty místností.

Druhý krok představovala volba teplotního spádu otopné vody. Teplotní spád, například 75/55 °C, byl stejný pro všechna otopná tělesa v domě. Až poté se navrhlo otopné těleso o výkonu nejblíže vyšším, než byla tepelná ztráta místnosti.

Průtok otopným tělesem se počítal ze stále stejného, zvoleného teplotního spádu.

Nepatrné odchylky v průtoku do těles, způsobené o něco málo vyšším výkonem oproti tepelné ztrátě, se tolerovaly, stejně je nebylo možné v praxi změřit. A i kdyby je změřit šlo, téměř nikdo by nebyl schopný vyhodnotit jejich vliv na dosahovanou teplotu v místnosti, zejména s ohledem na toleranci nepřesností při výpočtu tepelných ztrát.

Nepřesnosti nepramení jen z tolerance výpočtových předpokladů, ale zejména z nehomogennosti tepelně-technických vlastností stavebních konstrukcí.

Vstup výpočetní techniky do topenářských výpočtů

S nástupem výpočetní techniky, zejména programů pro topenáře, začalo být možné v programech uplatňovat novější teoretické poznatky. Při výpočtu otopných těles lze dnes vyšší výkon tělesa kompenzovat nižším průtokem. Mění se střední teplota otopné vody, střední logaritmický rozdíl teplot mezi vodou a vzduchem i výkon otopného tělesa tak dlouho, až se iteračním výpočtem dosáhne shody s hodnotou výpočtem určené tepelné ztráty.

U zvoleného teplotního spádu, například 15 K, se rozptyl teplotních spádů na jednotlivých otopných tělesech může pohybovat v rozmezí 10 až 30 K. Nejeden projektant může být pak přesvědčen, že teplotní spád otopné vody je veličina, se kterou je možné v průběhu topenářských výpočtů volně nakládat. O jednom takovém případu je následující příspěvek.

Přesnost topenářských výpočtů

Je zásadní zpřesnění výpočtu prospěšné, nebo je naopak kontraproduktivní? Dostáváme se na tenký led teorie chyb v jednotlivých krocích topenářských výpočtů. Zatím chyby nikdo detailně a v každém konkrétním případě nezkoumá. Ví se ale například, že dům s vypočtenou tepelnou ztrátou má skutečnou potřebu tepla, změřenou při venkovní výpočtové teplotě měřičem tepla, jen na úrovni okolo 67 % tepelných ztrát. V § 7, odst. 6 vyhlášky č. 193/2007 Sb. se požaduje nastavovat průtok do topných okruhů s přesností ± 15 %. Tedy rovněž žádná extrémní přesnost. Někdy je méně více.

Rozdíl mezi hydraulikou a hydronikou

Aby nedocházelo k záměně pojmů, uveďme na začátek rozdíl mezi pojmem hydraulika a hydronika.

• Hydraulika se zabývá mechanickými vlastnostmi tekutin v otevřených i uzavřených systémech a jejich působením na tuhá tělesa.
• Hydronika je pojem pro užití vody (kapaliny) jako teplonosné látky v topných nebo chladicích systémech.

Příklad rekonstrukce vytápění bytového domu

Bytový dům s otopnou soustavou o výkonu 600 kW je napojen na CZT přes deskový výměník tepla, za kterým je instalován hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků (HVDT), obojí v majetku dodavatele tepla. Vstupní teplota do výměníku tepla 90 °C je za deskovým výměníkem ekvitermně regulovaná na teplotu 75 °C, podle požadavku projektanta. Otopná voda je následně zavedena do bytových stanic s vlastním měřičem spotřeby tepla. Teplá voda je připravována centrálně s rozvodem do jednotlivých bytů.

Projektant zvolil teplotní spád otopné vody 75/55 °C. Schematické znázornění je na obr. 3.

Původní návrh projektanta

Na výkon 600 kW a teplotní spád 75/55 °C byl spočten jmenovitý průtok 26 m^3·h^–1, navržena a osazena otopná plocha v bytech, navrženy dimenze měděných rozvodů v bytech, dimenze vodorovného rozvodu i všech stoupaček. Jako místo napojení na otopnou vodu zvolil projektant hrdla původní hydraulické výhybky (dále jen HVDT – hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků). Tlaková ztráta rozvodného měděného potrubí od HVDT až k bytovým stanicím byla deklarována ve výši 30 kPa.

Rekonstrukce původního stropního sálavého vytápění Crittal na bytové stanice probíhala v obydlených bytech. Jako první se osadila desková otopná tělesa s přívody v podlahách bytů.

V průběhu rekonstrukce se začaly ozývat hlasy, že nově instalovaná otopná tělesa budou výkonově nedostatečná. Že jsou pravděpodobně chybně spočtené tepelné ztráty. Byl objednán a vypracován posudek, který tyto obavy nepotvrdil, pokud jsou splněny dva předpoklady:

• tepelné ztráty byly spočteny za předpokladu nepřerušovaného vytápění,
• tepelné ztráty spočteny za předpokladu vnitřní teploty 20 °C.

Obavy uživatelů bytů z nedostatečného vytápění

Obavy mohou vznikat ohledně dodržení obou těchto předpokladů. Z realizací domů s bytovými stanicemi je známo, že nejvyšší teploty v domě se dosahuje na chodbách, někdy i 23 až 24 °C. Je to v důsledku nekvalitně izolovaných stoupaček, které procházejí schodištěm domu a situováním schodiště mezi vytápěné byty. Nejnižší teplota je na­opak v některých z vytápěných bytů, kde se dá naměřit jen 16 až 18 °C. Uživatelé těchto bytů vypínají přívod tepla do bytové stanice při každém odchodu z bytu nebo v noci a při ekvitermně regulované teplotě otopné vody není možné byt na požadovanou teplotu v krátkém čase vytopit.

Mají-li bytové stanice zajistit komfortní přerušované vytápění, je potřeba zvětšit otopnou plochu oproti tepelným ztrátám o cca 40 až 100 %. Když nebude otopná plocha zvětšena, mohou být obavy z nedostatečného vytápění při přerušování provozu oprávněné. K tomu je potřeba podotknout, že žádný developer nebude zdražovat otopnou soustavu jen proto, aby některým z uživatelů bytů umožnil přerušovat vytápění.

Stropní sálavé vytápění Crittal má několik nedostatků. Je špatně regulovatelné a v důsledku toho je dosahovaná pocitová teplota v místnostech mnohem vyšší, než u jiných systémů vytápění. Teplota měřená kulovým teploměrem dosahuje v některých případech 26 až 28 °C. Přebytečné teplo je následně nutné odvětrat okny. Zvyknout si po rekonstrukci Crittalu na jiný systém vytápění, s nižší pocitovou teplotou vzduchu, může být problém. Zejména v případech, kdy je otopná voda z CZT ekvitermně regulována podle venkovní teploty, ačkoliv bytové stanice mají obdobnou regulaci také.

Obavy projektanta z nedostateč- ného vytápění a jeho řešení

Když si projektant rekonstrukce uvědomil hrozící nebezpečí nedostatečného vytápění, vypracoval dodatek projektu. Bylo to v době, kdy otopná tělesa byla již nakoupena a asi v polovině bytů namontována. Otopnou plochu nebylo možné zvětšit. Ve stejné době byly na stavbě i měděné rozvody pro vodorovný rozvod a stoupačky, připravené k montáži.

Dodatek projektu změnil původní teplotní spád 75/55 °C na 75/65 °C. Z původního rozdílu teplot mezi přívodním a zpětným potrubím 20 K na 10 K. Projektant předpokládal, že se tím změní střední teplota otopné plochy z 65 na 70 °C a výkon otopné plochy se tím zvýší o cca 14,5 %.

Taková změna by měla dalekosáhlé následky na hydroniku otopné soustavy. Průtok by se zvýšil z 28 na 52 m³·h^–1, tlakové ztráty, při zachování původně navržených dimenzí měděného potrubí, by se zvýšily z 30 na 120 kPa. Aby se tak nestalo, byly v dodatku projektu zvětšeny dimenze původně navrženého potrubí o jednu nebo i dvě dimenze. Původně navržená oběhová čerpadla zůstala zachována z důvodu, že již byla zakoupena.

Rozvody v bytech byly v době vypracování projektu již hotové, byla tak posílena oběhová čerpadla v bytových stanicích.

Schéma vstupního uzlu po změně teplotního spádu je na obr. 4.

Obavy dodavatele rekonstrukce vytápění

Při prohlídce dodatku projektu na stavbě zjistil dodavatel otopné soustavy, že všechny dimenze měděného potrubí jsou o jednu nebo dvě dimenze větší, než jsou dimenze potrubí připravené na stavbě k montáži.

Z toho důvodu dodavatel odmítl další zvětšené dimenze potrubí nakoupit. Obrátil se proto na znalce s dotazy, které jsou i s odpověďmi uvedeny v závěrečné části článku.

Co zjistil znalec?

V prvním kroku si znalec ověřil provozní bod na stavbu dodaných oběhových čerpadel. V dodatku projektu se požadoval průtok 52 m³·h^–1 a tlakový přínos 120 kPa. Tyto hodnoty napovídají, že se uvažovalo i s variantou, že veškeré rozvody zůstanou původní, tedy s menšími průměry potrubí.

Provozní bod čerpadla (čerpadel) je na obr. 5.

Zjistilo se, že charakteristika potrubní sítě se neprotíná s charakteristikou jednoho čerpadla. Bylo by nutné provozovat obě čerpadla v paralelním chodu. Při provozu dvou čerpadel bude chybět rezervní čerpadlo, které požaduje norma u otopných soustav s výkonem nad 250 kW.

Projektant souhlasil s doplněním jednoho záložního čerpadla do skladu, aby ho bylo možné vyměnit v čase do 8 hodin od vzniku poruchy. Jednalo se o atypické čerpadlo, které není běžně vedeno skladem.

Ve druhém kroku se znalec začal zabývat hydronikou v okruhu HVDT.

Dodavatel tepla byl dotázán, s jakým maximálním průtokem se dá uvažovat na výstupu z deskového výměníku tepla, tedy na vstupu do HVDT. Byl potvrzen maximální průtok do 30 m³·h^–1. Co by stalo s takto navrženou otopnou soustavou, pokud by byla uvedena do provozu, je vidět na obr. 6.

Rozdíl průtoků na vstupu do HVDT a na jeho výstupu, tj. (52 – 30) = 22 m³·h^–1, o teplotě zpátečky, by se přimíchával do otopné vody o teplotě 75 °C. Tím by za HVDT byla teplota jen 67,7 °C. Při teplotním spádu 10 K by byla teplota zpátečky jen 57,7 °C. K těmto teplotám se dospěje iteračním výpočtem podle směšovací rovnice.

Střední teplota otopné plochy by nebyla předpokládaných 70 °C, ale jen 62,7 °C, tedy teplota o 7,3 K nižší, než byl předpoklad projektanta.

Při přechodu na teplotní spád 10 K si projektant neuvědomil, že ve snaze zvýšit výkon otopné plochy, by se za nemalé peníze navíc, vložené do předimenzovaného vodorovného rozvodu, stoupaček, oběhových čerpadel a čerpadel v bytových stanicích, výkon otopné plochy naopak snížil!

Ve třetím kroku zaměřil znalec pozornost na skutečně dosažitelný průtok za HVDT.

Doporučuje se, aby průtok před HVDT byl o 5 až 10 % vyšší, než za ním. Zabrání se tím nežádoucímu směšování a snižování vstupní teploty do otopné soustavy. Pokud je před HVDT maximální průtok 30 m³·h^–1, pak za HVDT bude průtok jen cca 30 · 0,93 = 28 m³·h^–1.

Budou-li průtoky před a za HVDT stabilizovány vyvažovacími armaturami, pak se za HVDT dosáhne požadovaná teplota otopné vody 75 °C. S ohledem na nižší průtok 28 m³·h^–1 bude teplotní spád 18,4 K při parametrech 75/56,6 °C, viz obr. 7.

Při stabilizaci průtoku na 28 m³·h^–1 nedojde ke směšování, zvýší se parametry otopné vody na 75/56,6 °C s vyšší střední teplotou 65,8 °C.

Pod tíhou argumentů se nakonec nechal projektant akce přesvědčit ke stabilizaci průtoku před a za HVDT podle obr. 7 s tím, že se zachovají původní dimenze potrubí.

Na závěr bylo potřeba ověřit možnost použití již dodaných oběhových čerpadel. Měrná hydraulická charakteristika realizovaného rozvodu tepla se nezměnila (nezměnily se průtočné průřezy), změnil se jen průtok z 52 m³·h^–1 na 28 m³·h^–1 a tlaková ztráta ze 120 kPa na pouhých 35 kPa. Jak na tom budou oběhová čerpadla ukazuje obr. 8.

Pro parametry 28 m³·h^–1 a 35 kPa je jedno čerpadlo opět mimo oblast použití. U dvou čerpadel v paralelním chodu se sice dostaneme na průtok 28 m³·h^–1, ale jen za předpokladu škrcení více jak 200 kPa. Spustit do provozu takto navrženou otopnou soustavu bych považoval za nesmyslné.

Odpovědi na otázky položené znalci

Otázka č. 1:
Bude otopná soustava fungovat podle obr. 4?

Odpověď:
Nebude. Teplota otopné vody 75 °C se nepřenese přes HVDT. Vlivem směšování bude výrazně nižší.

Otázka č. 2:
Jaké budou skutečné parametry otopné soustavy v porovnání s předpokladem projektanta?

Odpověď:
Předpoklad: 75/65 °C, ts = 70 °C
Skutečnost: 67,7/57,7, ts = 62,7 °C
Viz obr. 8

Otázka č. 3:
Co navrhnout, aby se teplota 75 °C v HVDT nesnižovala?

Odpověď:
Osadit před i za HVDT vyvažovací ventily. Průtoky nastavit tak, aby průtok před HVDT byl o cca 7 % vyšší než za ní.

Otázka č. 4:
Jaký je dosažitelný průtok za HVDT a teplotní parametry OS?

Odpověď:
Dosažitelný průtok je 28 m³·h^–1, parametry otopné vody 75/56,6 °C, rozdíl teplot 18,4 K, střední teplota 65,8 °C.
Zvýšení výkonu otopné plochy snížením teplotního spádu a zvětšením dimenzí potrubí se tak v daných hydronických podmínkách nepodařilo prokázat.

Otázka č. 5:
Je zvětšování potrubí nutné?

Odpověď:
Není. Ničeho se tím nedosáhne. Jen zbytečné navýšení nákladů.
Co říci závěrem?

• U otopných soustav s bytovými stanicemi se nedá předpokládat nepřerušované vytápění.
• Pro bytové stanice se směšováním nemá praktický smysl teplotu otopné vody před stanicí předregulovávat podle venkovní teploty.
• Otopnou plochu u bytových stanic je potřeba zvětšit oproti tepelným ztrátám spočteným pro nepřerušované vytápění o 40 až 100 %.
• O kolik přesně navýšit výkon otopné plochy se dá zjistit výpočtem tepelných ztrát přes neizolované příčky, při snížení výpočtové teploty v sousedních místnostech bytu nebo sousedních bytech, nebo místnostech, o cca 4 až 5 K.
• Jednou zvolený teplotní spád otopné soustavy se nedá v navazujících výpočtech projektu měnit.
• Před i za HVDT je potřeba osazovat vyvažovací ventily k měření, nastavení a aretaci vypočtených průtoků.

Pozorný čtenář si může na závěr tohoto článku položit otázku, k čemu je tam vlastně HVDT? Ano, máte pravdu, k ničemu. Hydraulická výhybka je tam z předchozího období, kdy byl dům vytápěn Crittalem.

Jak je vůbec možné, že jsou takové projekty v praxi realizovány, nebylo předmětem zkoumání znalce.

---

Anti-hydronics in a house with apartments

The author describes an example of a flawed practice of adjusting the heating system. The errors are not removed on the basis of expert calculations and the result is unnecessarily complex system with limited functionality. Basic error occurred at the beginning of erroneous deliberation on the future operation of the system.