Experimentální ověřování funkce a chování termohydraulického rozdělovače nebo-li HVDT

Příspěvek přesvědčivě poukazuje na skutečnost, že při některých, a poměrně častých, provozních stavech během reálného provozu kotelny s anuloidem (HVDT, THV aj. podle nejčastěji používaných názvů tohoto zřízení) mezi kotlovým okruhem a okruhem jednotlivých odběrů tepla dochází k ohřevu zpátečky kotlového okruhu. Tento jev je při použití kondenzačních technologií nežádoucí. Je však nutné podotknout, že v minulosti, a ne příliš vzdálené, byla tato vlastnost spojená s použitím anuloidu žádoucí, a tedy spíše přínosem. Ohřev zpětné vody v kotlovém okruhu začal být považován za nežádoucí až v době masivního využívání kondenzačních technologií, ale třeba i solárních soustav. Tedy zdrojů tepla, jejichž účinnost teplota zpátečky ovlivňuje.
Pravdou však je, že použitím anuloidu lze zajistit minimální i maximální průtok kotlovou jednotkou, což vyžadují jejich výrobci pro bezporuchový chod, je zabráněno přenosu zbytkového tlaku dopravních kotlových čerpadel do okruhů vytápění atd. Domnívám se, že v současné době, pokud pomineme kotle netečné k minimálnímu průtoku, které představují odhadem asi 10 % produkce, není jiné vhodné řešení hydraulického zapojení kotelen, než to s anuloidem. Záleží na technické invenci projektanta, jak se mu podaří popisovanou negativní vlastnost anuloidu potlačit. Příspěvek nepřináší jiné řešení, které by bylo schopno zajistit vyrovnání průtoků na straně zdroje a spotřeby a v případě kondenzačních technologií zabránilo zbytečnému ohřevu zpátečky kotlového okruhu. Ukazuje, že provozní stavy anuloidu lze ověřovat i termovizí.

Recenzent: Zdeněk Číhal

1. Úvod

Obsahem článku je dílčí výsledek experimentálního měření průtoků a teplot za účelem ověření funkce a chování hydraulických zapojení s THR v teplovodních otopných soustavách. Přesto, že je to prvek stále velmi diskutabilní, ne-li problematický, setkáváme se s ním poměrně často, a to především i v nově navržených soustavách např. s kondenzačními kotli. Tento prvek, hydraulicky a tlakově oddělující primární stranu zdroje a sekundární okruh spotřebiče, byl vhodným a hojně používaným projektovým řešením zejména v minulosti. V dnešní době kondenzační techniky je obecně známo, že díky tomuto prvku nemusí kondenzační kotle pracovat s maximálním využitím při kondenzačním procesu. Rozsáhlé experimentální měření proběhlo v několika různých teplovodních soustavách, aby ověřilo skutečné teplotní rozdíly otopné vody, způsobené změnami průtoku v otopné soustavě s THR, a zároveň i porovnalo jednotlivé soustavy a různé typy THR a jejich chování. V tomto článku bude uvedena pro názornost pouze jedna soustava.

Dalším krokem, na základě těchto výsledků, by bylo zabývat se možnými způsoby optimalizace tohoto zapojení ve stávajících soustavách (nejen s kondenzačními kotli), a to především jejich způsobem řízení a možnostmi doplnění dostupné technologie regulace za účelem hydraulické stability soustavy a celkových úspor.

2. Popis a průběh experimentálního měření

Jednalo se o nedávno rekonstruovanou teplovodní soustavu určenou pro vytápění a přípravu teplé vody pro bytový dům.

Zdrojem tepla byly dva kondenzační kotle s vlastními čerpadly, zapojené do kaskády. Součástí hydraulického zapojení byl HVDT typ 2" – rozsah průtoku do max. 4  m³·h^–1, dle výrobce (obr. 2). Na sekundární straně byla napojena jedna samostatná větev pro vytápění a druhá pro přípravu teplé vody.

Pro měření průtoků byl použit příložný ultrazvukový dvoukanálový průtokoměr, který umožňuje měřit a zaznamenávat dva průtoky současně, tj. jeden v primárním okruhu a druhý v sekundárním okruhu. Teploty byly měřeny na povrchu přípojných potrubí pomocí příložných teplotních sond (4 ks), v ose potrubí. Schématicky je znázorněn typ zapojení a měření teplot na obr. 1.

Po instalaci snímačů průtoku na potrubí do primárního i sekundárního okruhu a připevnění teplotních čidel byly teploty a průtoky zaznamenávány ve stejný časový okamžik a to v intervalu 30 s. Současně byly pořizovány snímky termokamerou, jako kontrolní měření a zároveň ověření rozložení a průběhu teplot na povrchu THR. Během měření bylo snahou, aby se průtok soustavou měnil a byly tak zjištěny teplotní rozdíly v primárním a sekundárním okruhu otopné vody při těchto změnách.

Popis měřených veličin

• Q_p – průtok v primárním okruhu [l·min^–1]
• Q_s – průtok v sekundárním okruhu [l·min^–1]
• t₁ – teplota přívodního potrubí v primárním okruhu [°C]
• t₂ – teplota vratného potrubí v primárním okruhu [°C]
• t₃ – teplota přívodního potrubí v sekundárním okruhu [°C]
• t₄ – teplota vratného potrubí v sekundárním okruhu [°C]

Vyhodnocované veličiny

• Q_p : Q_s – „vzájemný poměr“ velikosti primárního k sekundárnímu průtoku [–]
• Q_p : Q_s > 1 = nadprůtok primárním okruhem
• Q_p : Q_s < 1 = nadprůtok sekundárním okruhem
• DT-PŘÍVOD – rozdíl teplot přívodních větví tj. DT-PŘÍVOD = t₁ – t₃ [K]
• DT-VRAT – rozdíl teplot vratných větví tj. DT-VRAT = t₂ – t₄ [K]

3. Zpracování a výsledky měření

Křivky v grafu 1 jsou výsledky všech naměřených hodnot tak, jak se postupně měnily hydraulické poměry v soustavě, během celého procesu měření. Nejsou zde uvedeny přímo změřené hodnoty jednotlivých teplot (4x) a průtoků (2×), ale už pouze konkrétní vyčíslení vzájemných rozdílů (teploty) a vzájemného poměru (průtoky). Na ose x jsou výsledné vzájemné poměry naměřených průtoků v primárním a sekundárním okruhu (Q_p : Q_s) tak, jak se průtoky měnily přímo během měření. Jeho průběh změn znázorňuje zároveň hnědá křivka (druhá osa y). V závislosti na těchto změnách velikosti poměrů jsou dále vyčísleny rozdíly v teplotách na hlavní ose y, jednak přívodních potrubí směrem do soustavy (modrá křivka) a jednak vratných větví – zpět do kotle (růžová křivka).

Graf 1 • Rozdíly teplot přívodních a vratných větví během měření, v závislosti na změnách průtoku a z nich stanoveném poměru průtoků Q_p : Q_s

Hnědá křivka změny průtoků odpovídá svým tvarem průběhu křivkám výsledných změn teplot. To znamená, že právě změna průtoků v primárním a sekundárním okruhu, resp. velikost vzájemného poměru průtoků, má na tyto změny teplot výrazný vliv. Soustava se pohybovala spíše v nadprůtocích primárním okruhem (poměr Q_p : Q_s > 1), jak v počátku, tak i po většinu času měření. Důsledkem je růžová křivka rozdílů teplot vratných větví DT-VRAT (t₂ – t₄). To znamená, že rozdíl teplot, která se do kondenzačního kotle skutečně vrací (t₂₎ a teploty ochlazené ze sekundární soustavy (t₄) se pohybuje v rozmezí 3–10 K, v závislosti na aktuální změně velikosti poměru průtoků (resp. jejich násobku rozdílu). Je to způsobeno, jak známo, přepouštěním přívodní vody přes THR zpět do kotle při větším průtoku primárním okruhem Q_p > Q_s, a tedy i zároveň jejich poměru Q_p : Q_s > 1.

Díky nadprůtoku v primárním okruhu během celé této první fáze naopak modrá křivka rozdílu teplot přívodních větví DT-PŘÍVOD (t₁ – t₃) se konstantně udržuje v rozdílu teplot asi jen 0,5 až 1,5 K (viz graf 1). Tato křivka však nabere výrazný nárůst při hodnotách poměru sníženém pod hodnotu 1. V soustavě došlo k tomu, že se podařilo snížit velikost průtoku primárním okruhem resp. navýšit průtok sekundárním okruhem tj. Q_p < Q_s, a tedy i zároveň Q_p : Q_s < 1. Tento rozdíl se pak pohyboval až mezi 11 až 12 K. Naopak růžová křivka rozdílů teplot vratných větví DT-VRAT v ten okamžik klesla a udržovala se na hodnotě rozdílu cca 0,5 K. Po nějaké době došlo opět k navýšení průtoku v primárním okruhu, a tak měření bylo zanedlouho ukončeno.

Graf 2 • Hodnoty rozdílů teplot přívodních a vratných větví v závislosti na různých poměrech průtoků Qp : Qs

Více objektivní přehled výsledků snad vnese do problematiky graf 2, ve kterém už je shrnuto celkové zhodnocení všech výsledků měření a to tak, že jednotlivé body v grafu 2 zobrazují velikosti rozdílů teplot, které byly vyhodnoceny po jednotlivých úsecích, ve kterých byla soustava „ustálená“, resp. hodnoty průtoků se neměnily. Naměřené teploty byly vyhodnoceny ve stejném úseku, jako průtoky, ale s ohledem na minimální časové zpoždění vzhledem k umístění teplotního čidla na povrchu trubky. Snahou bylo vyhodnotit určité stavy v soustavě a získat tak body závislosti mezi průtokem a změnami teplot v primárním a sekundárním okruhu, nikoliv hodnotit dynamický průběh změn v soustavě. Pro názornost byla těmito body proložena křivka. Tím, že soustava pracovala po většinu času měření (stejně jako za normálního provozu) při větším průtoku primárním okruhem, bylo získáno více bodů závislosti hodnot rozdílu teplot právě v této oblasti vzájemného poměru Q_{p :} Q_s> 1. Naopak bylo problematické přinejmenším nasimulovat opačný případ, a to nižší průtok v primárním okruhu než v sekundárním (Qp : Qs < 1) za daných podmínek běžného provozu soustavy. Z toho důvodu je v grafu o mnoho méně výsledných hodnot rozdílu teplot přívodních větví (DT-PŘÍVOD). I ty však nelze opomenout, protože výsledky podrobnějšího rozsahu měření v této oblasti vzájemných poměrů by pro soustavy s kondenzačními kotli byly velkým přínosem, např. v souvislosti s poklesem výkonu sekundární strany. Zde se nám alespoň podařilo objektivně vyjádřit, o jaký teplotní rozdíl je skutečně ohřívána vratná voda prostřednictvím THR na základě nerovnosti průtoků, proudící zpět do kondenzačního kotle.

4. Termovizní diagnostika

V průběhu měření byly zároveň pořizovány snímky termokamerou. Cílem bylo rozeznat teplotní rozložení a děje na povrchu THR a zároveň tak ověřit i naměřené hodnoty teplot z příložných sond. Ukázalo se, že pomocí termokamery lze zachytit i skutečný dynamický chod soustavy, a to zejména hydraulický proces v samotném THR. Na sledu obrázků jsou ukázky snímků THR, zachyceného při různých stavech vzájemných poměrů průtoků.

5. Závěr

Cílem výsledků měření bylo ukázat, že dynamické procesy v soustavě nejsou pomocí THR zcela eliminovány, jak by se mohlo zprvu zdát. Naopak, rozdíly v teplotách jsou nezanedbatelné a jsou rozhodující jak pro správnou funkci kondenzačního kotle, tak pro předání jeho plného výkonu soustavě. Hledaný kompromis nemusí být daleko. Příkladem řešení může být právě vhodně zvolený interval rozsahu těchto „vzájemných poměrů“ průtoků, které byly v předchozím textu naznačeny. Další otázkou je, jakými dostupnými způsoby by mohl být tento „interval“ v dané soustavě udržován.

Ve starších soustavách – kotelnách se lze často setkat s případy, že sekundární strana spotřebiče je nová, včetně elektronicky řízených čerpadel a s kvalitativní regulací podle vnitřní teploty. Je to např. díky novému zateplení fasády, výměně oken nebo připojení termohlavic na otopná tělesa. Jenomže primární strana s klasickými plynovými kotli (včetně THR) zůstala nedotčená a to zároveň i se svou jednoduchou regulací, kdy hořák kotle zapíná a vypíná v pravidelných cyklech podle nastavené spínací diference regulátoru kotle [4]. Kotlová čerpadla jsou zároveň nastavena pevně na daný stupeň otáček. V praxi to vypadá tak, že v primárním okruhu je 2 až 3násobně větší průtok přesto, že na sekundární straně jsou trojcestné ventily skoro uzavřeny, protože soustava nemá zrovna potřebu tak velkého odběru tepla. Přes THR se vrací nadbytečný průtok zpět do kotle.

Časem bude snad nutné obnovit i tyto primární okruhy zdroje s klasickými kotli + THR, ale to nelze způsobem pouhé „výměny“ za nový kondenzační kotel. Mělo by dojít jednak k přepočítání potřebného výkonu pro daný objekt a jednak na nové projektové řešení hydraulického zapojení zdroje spolu s adekvátním způsobem řízení a regulace, umožňující přímou návaznost a komunikaci mezi zdrojem a spotřebičem.

Touto cestou by nové soustavy měly jít a nespoléhat se na „přežité zvyky“, kterými právě návrh anuloidu může být. Jsou dnes doposud případy, kdy instalovat THR je nezbytné, ale jedná se o soustavy menšího výkonu a samozřejmou součástí by měla být její pokročilá regulace, včetně regulace THR pomocí elektronických čerpadel, umožňující řízení otáček na základě snímaného rozdílu teplot [6].

Článek vznikl za podpory specifického výzkumu FAST –S-11-33, identifikační číslo 22190.

Literatura

[1] PETRŮJOVÁ, H., Thermo-hydraulic separator, In: The 5th International Conference SOLARIS 2011. Brno, University of Technology, ISBN 978-80-214-4311-2.
[2] PETRŮJOVÁ, H., Konstrukční vlivy hydraulického zapojení technických zařízení. In: Sborník anotací konference Juniorstav 2012. VUT Brno, 2012, s. 1. ISBN 978-80-214-4393-8.
[3] BAŠTA, J., Zapojení kondenzačních kotlů s termohydraulickým rozdělovačem [online]. Praha, ČVUT – FS, 3. 9. 2003. Dostupný z: http://www.tzb-info.cz/1599
[4] BAŠTA, J., Hydraulika a řízení otopných soustav. Praha, Vydavatelství ČVUT, 2003, 252 s., ISBN 80-01-02808-9.
[5] LABOUTKA, K., MAREŠ, J., Problematika termohydraulického rozdělovače. Vytápění větrání instalace, 1999, roč. 8., č. 2, s. 66–72, ISSN 1210-1389.
[6] Firemní a projekční podklady výrobců Baxi, Buderus, Geminox, Viessmann.

---

Experimental verification of function and behaviour of the low loss header

This article aims to experimentally verify the low loss header operation in hot water heating systems. The tested system was formed on the primary side of the two gas boilers with its own pumps and on the secondary side by branches for heating and hot water generation. The authors present the results of measurements.

Keywords: low loss header, experimental measurement