Hydronika kotlových okruhů

Článek se zabývá hydronikou otopných soustav při použití THR (termohydraulický rozdělovač). Nejprve upozorňuje na chyby v zapojení kotlových okruhů otopných soustav. V dalších příkladech pak vysvětluje funkci THR a chyby, které s jeho zapojením a použitím souvisí. Dále se zabývá provozními stavy soustav a výhodami použití vyvažovacích armatur.

Recenzent: Michal Kabrhel

Úvod

Při pohledu na některé architektonicky zdařilé bytové domy mne často napadá příměr s Parkinsonovými zákony. Čím pohlednější fasáda, tím méně povedené technické zařízení budovy. V případě bytového domu na obr. 1 se konkrétně jednalo o nepovedenou otopnou soustavu.

V tomto domě byly instalovány kotle s hliníkovými prvky a rozvod otopné vody z mědi. Přitom jednou ze zásad bezchybného návrhu otopné soustavy je nepoužívat konstrukční materiály s příliš rozdílným elektrochemickým potenciálem, např. měď +0,36 V   hliník –1,662 V.

Vždy se také upřednostňoval vodorovný rozvod otopné vody se spodním rozvodem. Zde byl proveden rozvod s horním rozvodem s ně­kolika neodvzdušnitelnými místy a s výrazným nedotápěním nejníže osazených otopných těles.

Otopnou soustavu je potřeba napouštět a doplňovat vodou upravenou a odplyněnou. Ve výše uvedeném bytovém domě však byla po­užita voda z vodovodního řadu – přitom i malý obsah kyslíku ve vodě vstupuje, díky uzavřenému okruhu, do korozivní reakce s mědí a působí bodovou a štěrbinovou korozi u hliníkových prvků kotlů. Výskyt kyslíku v otopné vodě se dal eliminovat použitím automatického odplyňovacího a expanzního zařízení. Zařízení pro úpravu otopné vody nebylo navrženo ani použito.

Rovněž schémata kotelen bych doporučoval navrhovat jen z ověřených typů. Níže uvedené schéma zapojení (schéma 1), jehož autorem je projektant a které je ze zásady chybné, pak bylo finálním impulzem pro sepsání tohoto článku o hydronice kotlových okruhů.

Hydronika kotlových okruhů

Hydronika kotlových okruhů závisí do značné míry na průtokových poměrech v termohydraulickém rozdělovači (THR). V minulosti měl tento prvek více názvů, jako například hydraulická výhybka nebo hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků.

Někdo by si mohl myslet, že je slovo „termo“ u slovního spojení „termohydraulický“ nelogické, když k výměně tepla v THR viditelně nedochází. Ve skutečnosti k výměně tepla v jisté míře dochází vždy. Část otopné vody ze zpáteček okruhů se směšuje s vodu od kotlů. Výsledkem je, že teplota otopné vody za THR je nižší než před ním.

Také by se mohlo zdát, že podmínka slučitelnosti mezi průtokem zdroje tepla, průtokem za THR a průtoky do koncových jednotek je pro projektanty kotelen věc známá již několik desítek let. Jak uvidíme na schématu 1, není tomu tak vždy.

Rovněž nebývá jasné, kterým čerpadlem je hrazena tlaková ztráta regulační armatury. U trojcestného směšovacího ventilu je to čerpadlo otopného okruhu, u přímého regulačního ventilu (zapojení se směšovacím zkratem) je to čerpadlo za THR. Na schématu 1 čerpadlo instalováno nebylo.

Chybou je, když otopné okruhy nejsou vybaveny vyvažovacími ventily. Na nich se dá změřit, nastavit a aretovat výpočtový průtok. Obdobný problém je na straně kotlů (kotle na schématu nejsou zobrazeny). Bez vyvažovacích ventilů tak není možné splnit základní podmínku hydronické slučitelnosti, aby průtok před THR byl o něco vyšší, než je nastavený a aretovaný průtok na straně otopných okruhů.

O kolik by měl být průtok před THR větší, než je součet průtoků otopných okruhů?

V době, kdy ještě nebyly vyvažovací ventily, se doporučovalo až 80 %. To však mělo jistou nevýhodu. Výkon kotelny nebyl na jedné straně přenositelný do otopné soustavy, na straně druhé bylo možné zásobit otopné okruhy dostatečným průtokem bez vyvažovacích ventilů.

V současné době, kdy při optimálním nastavení mohou vyvažovací ventily pracovat s přesností ±6 %, může být průtok před THR nastaven jen o 5–10 % vyšší. Schéma 1 bylo řadu let v kotelně za nemalé peníze topenáři „vylepšováno“. Například tím, že původní trojcestné směšovací ventily byly nahrazeny dvoucestnými ventily se směšovacím zkratem. Byla dodána nová elektronická čerpadla a nastavena na maximální výkon. Za čerpadly se instalovaly tlakové regulátory, které tlakový přínos čerpadel opět seškrtily. Teplotní spád byl změněn z 20 K na 15 K, aby se dosáhlo vyššího průtoku do již tak poddimenzovaných Cu trubek. Do okruhu přípravy teplé vody byl vložen vyvažovací ventil STAD v dimenzi potrubí atd. Výsledkem je, že při horním rozvodu otopná voda do spodního podlaží nedoteče, někde a někdy jen částečně. Teplota otopné vody je za všech provozních stavů nastavena na maximum, přitom v přízemních místnostech je dosahována teplota pouhých 11 až 13 °C. Právě to byl impulz k sepsání článku o hydronické kompatibilitě otopných okruhů kotelen.

Kompatibilita mezi průtoky

V otopných instalacích je energie vyráběna v kotlích, aby byla následně distribuována do otopných okruhů. Kotle jsou s okruhy propojeny pomocí hydronických sítí. Ty musí být navrženy takovým způsobem, aby každá koncová jednotka měla požadovaný výkon za všech provozních stavů.

To i v případech, když jsou kotle navrženy na výkon, který má pokrýt požadavky všech koncových jednotek. Velmi často se pak stává, že požadovaný výkon není pro některé okruhy k dispozici. Dokonce ani výkon kotlů o 50 % vyšší, než je výkon potřebný, nezaručí, že bude přenositelný výkon dostatečný.

Kotle napojené na otopné okruhy

Nejběžnějším případem kotelen jsou takové, kde dva nebo více kotlů zásobují otopnou vodou dva a více otopných okruhů.

Pokud několik kotlů pracuje v kaskádě, pak THR zabraňuje interferencím, tedy neslučitelnosti průtoků mezi kotlovým okruhem a okruhy otopnými, jak je zobrazeno na schématu 2.

Při plném výkonu musí být průtok kotlů o něco vyšší, než je součet průtoků otopných okruhů. Pokud tomu tak není, rozdíl proudí v THR od bodu „B“ do bodu „A“. Tím vytváří směšovací bod. V něm se směšuje teplejší voda od kotlů se zpětnou vodou z otopných okruhů.

Teplota na vstupu do okruhů je následně nižší, než je teplota od kotlů a instalovaný výkon kotelny není do otopných okruhů přenositelný.

Všimněme si, že jak kotle, tak i otopné okruhy musí být vybaveny vyvažovacími ventily. Bez nich se nedá zajistit slučitelnost průtoků mezi okruhem kotlů a otopnými okruhy.

Pro zajištění stejné teploty před i za THR, bez nutnosti udržovat všechny kotle na maximální výpočtové teplotě, musí všechny otopné okruhy pracovat s variabilním průtokem.

V případě schématu 2 může být teplota za THR udržována stále na maximální hodnotě. V takovém případě se teplota vody, dodávané do THR, mění v závislosti na požadovaném výkonu okruhů.

Vyvažovací ventily

Vyvažovací ventily se umísťují zásadně do okruhů s konstantním průtokem. Osadit vyvažovací ventily do okruhů s proměnným průtokem nemá smysl. Takové řešení nemůže být funkční.

Na schématech kotelen jsou znázorněny statické vyvažovací ventily. Ty mohou být umístěny jak v přívodním, tak i ve zpětném potrubí. Nastavují se pomocí měřicích přístrojů a měly by být aretovány na výpočtovém průtoku. Kromě ventilů statických existují i vyvažovací ventily dynamické. Ty se umísťují ve zpětném potrubí, s odběrem tlaku z potrubí přívodního. Některé z dynamických ventilů mohou mít jednu nespornou výhodu. Přímo na ventilu se nastaví potřebný průtok a ten již logicky není třeba kontrolovat měřicím přístrojem.

Otopné okruhy s malou tlakovou ztrátou

Schéma 3 představuje instalaci, která obsahuje okruh, který přímo zásobuje otopnou vodou jednotlivé okruhy. Nesmí do něj být vložen žádný významný odpor, aby se vyloučily neslučitelné průtoky.

Průtok kotlů musí být za každého provozního stavu vyšší, než je součet průtoků otopných okruhů. V opačném případě bude proudit rozdíl průtoků v obráceném směru, tedy mezi body „E“ a „D?“. Poslední okruh bude částečně zásoben vodou ze své vlastní zpátečky. Výpočtový výkon takového okruhu nebude dosažen.

Tyto situace se při provozu objevují náhodně, protože závisí na stupni otevření trojcestných ventilů předchozích otopných okruhů. Mohlo by se zdát, že umístěním zpětné klapky do větve „D“–„E“ by se dal tento problém vyřešit. Ve skutečnosti se tím vytvoří problém jiný. Když se zpětná klapka uzavře, přestane mít uzavřený okruh malou tlakovou ztrátu a průtok mezi kotlovým okruhem a otopnými okruhy se stane neslučitelným z jediného důvodu. Čerpadla kotlů se propojí do série s čerpadly otopných okruhů a průtoky vody v okruzích se stanou nekontrolovatelnými.

Při nízkém zatížení může být v provozu pouze jeden kotel. Průtok bude jen 33 % z výpočtového průtoku. Abychom zajistili, že průtok kotlem bude větší jak součet průtoků otopných okruhů, musí být trojcestné ventily dostatečně uzavřené. To je však možné jen v případě, že výstupní teplota z kotle bude dostatečně vysoká. Z toho důvodu může instalace podle schématu 3 pracovat obvykle jen s konstantní výstupní teplotou z kotlů.

Spolupráce THR s otopnými okruhy

Když jsou otopné okruhy více vzdálené od kotelny, použití schématu 3 se nedoporučuje. Okruhy bližší čerpadlům kotlů jsou podrobeny významné primární tlakové diferenci. Ta má tendenci otáčet průtok v bypassu trojcestných směšovacích ventilů a regulace okruhu se stává nestabilní. Aby se tento efekt eliminoval, použije se schéma 4 s obtokem pro každý otopný okruh.

Kompatibilita mezi průtokem kotlů a průtokem okruhy, může být zajištěna jen v případě, že jsou v provozu všechny tři kotle. Ve všech ostatních případech bude protékat voda v THR z bodu „B“ do „A“, a zásobování okruhů nemůže být zajištěno konstantní teplotou zdroje.

Aby se zamezilo jakékoliv inverzní cirkulaci v THR se snížením teploty vody na vstupu do okruhů, instaluje se vyvažovací ventil také do společného okruhu. Ten umožňuje nastavit průtok tak, aby byl jen o málo nižší, než je součet průtoků kotlů.

Pro navržené hydronické okruhy plynou některá regulační omezení. Na schématu 4 je zobrazeno schéma rozvodu s konstantním průtokem. V případě schématu 4 se kotle nedají řídit tak, aby bylo dosaženo vstupní teploty do otopných okruhů trvale na maximální teplotě, která je na výstupu z kotlů. Ve skutečnosti bude průtok za THR konstantní jen v případě, pokud budou v provozu všechny tři kotle.

V případě částečného výkonu nebudou průtoky před a za THR kompatibilní.

V THR se vytvoří průtok ve směru od „B“ do „A“ a teplota do okruhů bude nezbytně nižší, než je teplota na výstupu z kotlů. Pro obdržení trvale maximální teploty do otopných okruhů, je nutné udržovat na maximální teplotě všechny tři kotle, nezávisle na potřebě tepla otopných okruhů. To ovšem způsobí snížení účinnosti výroby tepla. Při nastavení kotlů na konstantní výpočtovou teplotu a provozu dvou nebo jednoho kotle musíme připustit, že teplota do okruhů bude variabilní podle zátěže a okruhy budou pracovat s variabilním průtokem. Konstantního průtoku docílíme lokálním zkratem před trojcestným směšovacím ventilem.

Jiné řešení spočívá v řízení kotlů takovým způsobem, aby se teplota na vstupu do okruhů měnila dle potřeby. V některých instalacích závisí vstupní teplota do okruhu na venkovní teplotě. Ta však nebude reprezentativní teplotou v případě, pokud jiný okruh potřebuje maximální teplotu, například pro přípravu teplé vody ve fázi ranní špičky, nezávisle na venkovní teplotě.

Je proto důležité udržovat vstupní teplotu do otopných okruhů na stejné hodnotě jako je na výstupu z kotlů s tím, že průtoky vody do okruhů budou variabilní. Poslední okruh zůstává nezměněn, protože zajišťuje minimální průtok přes čerpadlo při uzavření zbývajících okruhů.

Závěr

V otopných soustavách představuje hydronická část základní strukturu, která umožňuje přenos energie do koncových jednotek. Koncepční omyl může způsobit vážný problém, jehož odstranění bývá velmi nákladné.

Neslučitelnost mezi průtoky na rozhraních vede k předimenzování zdrojů tepla. Současně vytváří náhodné problémy, které je nesnadné předvídat. Některé otopné okruhy pak nejsou schopny dosáhnout výpočtového výkonu. Řešení pomocí výkonnějších čerpadel vede obvykle jen k zvýraznění problému.

Neslučitelnost mezi průtoky vyvolává změny, spočívající ve vytváření směšovacích bodů, za snižování teploty otopné vody. Pokusy s instalací zpětných klapek k zabránění opačného směru průtoku opět vedou k dalším problémům.

Základní požadavkem je udržet průtoky vody jak na úrovni zdroje tepla, tak i na straně koncových jednotek takovým způsobem, aby tyto průtoky byly stejné, jako výpočtem předpokládané.

Použití vyvažovacích ventilů v moderních systémech je nezbytné. Někdy bývají na úrovni zdroje tepla vynechány. Problémy s neslučitelností průtoků pak nejsou řešitelné.

Vyvažovací ventily, umístěné na kotlových jednotkách, mají tyto výhody:

• Je možné snadno detekovat některé anomálie a následně je odstranit.
• Vyvážení se dá udělat takovým způsobem, že výroba tepla i jeho spotřeba bude kompatibilní a vyrobené teplo bude přenositelné do koncových jednotek.
• Při výměně kotle za jinou kotlovou jednotku s jinou charakteristikou je možné přenastavit průtoky tak, aby se získaly jmenovité hodnoty i u všech koncových jednotek.

Některé starší instalace, které nebyly vyváženy, jsou na jedné straně schopny plnit výkonové požadavky, ale jen na základě enormního předimenzování koncových jednotek.

Takto energeticky náročná řešení nejsou schopna zabezpečit potřebný komfort. V moderních instalacích nejsou myslitelná. Současná přesnost výpočtů vyžaduje, aby vypočtené hodnoty byly v praxi efektivně dosaženy. Plyne z toho závěr, že požadavky na hydronické vyvažování instalací se stávají čím dál tím přísnější a potřebnější.

Literatura

1. PETITJEAN, R.: L’équilibrage hydraulique global: Un manuel pour la conception des circuits hydrauliques et la détection des anomalies dans les installations de chauffage et de conditionnement d’air, Tour & Anderson AB, 1994, 539 s. ISBN: 91-630-2628-7.
2. PETITJEAN, R.: Total hydronic balancing: A handbook for design and troubleshooting of hydronic HVAC systems, TA Hydronics AB, 2012, 536 s.
3. JAUSCHOWETZ, R.: Srdce teplovodního topení, hydraulika, Herz Armaturen Ges.m.b.H., 2004, 200 s.
4. RUBINA, A. – RUBINOVÁ: 100+1 příklad z techniky prostředí, Tribun EU, 2011, 169 s., ISBN: 978-80-7399-265-1

---

Hydronic of boiler circuits

The article deals with the hydronic of heating systems using THR (thermohydraulic distributor). First, it highlights the faults in the boiler circuit connection of the heating system. In the following examples, it explains the THR function and the errors associated with this connection and use. It also deals with system operating states and advantages of using balancing valves.

Keywords: hydronic, heating system, thermohydraulic distributor, boiler circuit connections, faults, balancing valves