Kombinace zdrojů tepla v nezatepleném domě

Otázky - vedoucí a recenzent rubriky Miloš Bajgar

Otázka:

V roce 2022 jsem koupil v Praze 48 let starý třípodlažní dům (suterén, přízemí a patro). Dům není zateplený. Stávající otopná soustava (OS) je tvořena kombinací ocelových a litinových radiátorů s ručními ventily. Stávající kotel na uhlí je o výkonu 21 kW, jako zabezpečovací zařízení sloužila otevřená expanzní nádoba.
Ke kotli na uhlí jsem nechal nainstalovat tepelné čerpadlo vzduch-voda o výkonu 16 kW. Instalace proběhla bez projektu. Otevřená expanze byla nahrazena tlakovou expanzní nádobou o obsahu 50 l. Protože přes zimu 2022/2023 nebylo vytápění optimální, chtěl bych nechat ruční ventily otopných těles vyměnit za ventily termostatické a otopnou soustavu vyvážit. Kotel na uhlí jsem ponechal jako záložní zdroj. Ještě bych uvedl, že se otopná tělesa v horním podlaží trvale zavzdušňují. Topenářská firma mi rovněž doporučila zateplit alespoň střechu domu.

Odpověď:

Z dlouhé řady podobných dotazů, které mi chodí do redakce časopisu, jsem nabyl přesvědčení, že by si tazatel nejraději všechny úpravy provedl sám, nebo jen za drobného přispění topenáře. I když to nebývá zvykem, formuloval jsem odpovědi, pokud možno obecně, aby mohly být ku prospěchu i jiným čtenářům našeho časopisu s podobnými problémy, možná i úmysly.

Bude potřeba zaměřit otopná tělesa, radiátorové armatury, vypočítat jejich výkon a průtok i celkový průtok otopnou soustavou

Chybí-li technická zpráva od původního projektu, je potřeba zaměřit typ otopných těles v jednotlivých místnostech a dimenze radiátorových armatur, zda jsou přímé nebo rohové. Z typu otopných těles se dá dohledat jejich výkon. Pro výpočet jmenovitého průtoku je potřeba odhadnout původní teplotní spád, tedy rozdíl mezi teplotou v přívodním a zpětném potrubí při venkovní výpočtové teplotě před 48 lety. Tehdy se projektant rozhodoval jen mezi dvěma teplotními spády. Spád 90/70/20 °C a 92,5/67,5/20 °C. Více se používal teplotní spád 20 K (90/70/20 °C), který zabezpečoval vyšší hydraulickou stabilitu rozvodu. Když u teplotního spádu 92,5/67,5/20 °C netopila dostatečně otopná tělesa na konci rozvodu, vyměnilo se oběhové čerpadlo za čerpadlo s vyšším výkonem a zlepšilo se vytápění i v koncových částech rozvodu.
Častou chybou po zateplení domu je, když někdo změní teplotní spád a tomu přizpůsobí výkon oběhového čerpadla. Když nám zůstanou původní otopná tělesa, musí zůstat i původní průtok. Co ale nezůstane stejné, je teplotní spád otopné vody. Ten se nevěští z křišťálové koule, ten se počítá. Počítá se z poklesu tepelných ztrát při zachování původního průtoku. Bývá kolem 13 K, například 62/49/20 °C.

Bude potřeba porovnat vypočtený průtok s průtokem od oběhového čerpadla tepelného čerpadla

Původní průtok je potřeba porovnat s průtokem oběhového čerpadla od tepelného čerpadla (TČ). Průtok oběhového čerpadla bývá často i výrazně nižší, než byl původní průtok. To může být příčinou stížností na nedostatečné vytápění i u zateplených domů. Je vhodné za čerpadlo osadit průtokoměr ke zjištění skutečného průtoku, nastavení, nebo i výměnu oběhového čerpadla.

Mohl by být topný okruh otopné soustavy s tepelným čerpadlem a termostatické ventily optimální?

První zkušenost s provozem TČ nemusí být vždy ideální. Obvyklé mohou být zkušenosti s nerovnoměrným a nedostatečným vytápěním, vlivem nedostatečného průtoku, jak bylo uvedeno v předchozím odstavci.
Stoprocentně funkční radiátorové vytápění může být v případě, kdy bude mít každé otopné těleso, při svém jmenovitém výkonu a průtoku, stejnou, pokud možno co nejmenší tlakovou ztrátu. Tlakové ztráty v rozvodu ústředního vytápění vznikají v potrubí a armaturách. V potrubí je potřeba volit vhodnou měrnou tlakovou ztrátu v Pa·m^–1. Optimální hodnoty pro různě rozsáhlé okruhy by měly být podle tabulky uvedené níže.

Ideálních hodnot tlakových ztrát se dosahuje kombinací různých dimenzí v rozvodu potrubí s optimální měrnou hydraulickou ztrátou a armaturami s co nejmenší tlakovou ztrátou. Celkové tlakové ztráty jsou následně kryty nastavením oběhového čerpadla.
Průtočnost (nejenom) radiátorové armatury udává průtokový součinitel Kv určuje průtokové vlastnosti (nejenom) radiátorové armatury. Vyjadřuje objemový průtok v m³·h^–1 při tlakovém spádu 1 bar,
teplotě vody 15 °C při daném zdvihu. Kromě toho existuje i hodnota Kvs. Ta definuje rovněž průtok za obdobných podmínek, ale při plně otevřené armatuře.
Zatímco průtočnost ruční armatury v rozmezí dimenzí DN 10 až 25 se může pohybovat v rozmezí 2,4 až 11,5 m³·h^–1, průtočnost ventilovým spodkem termostatického ventilu je při stejných parametrech jen 0,08 až 0,74 m³·h^–1 a tlaková ztráta mnohonásobně vyšší.

Kdy je instalace termostatických ventilů do soustavy s tepelným čerpadlem vhodná a kdy ne?

Ve stávajícím případě je otopná voda z TČ napojena přímo na otopnou soustavu (OS), tedy bez akumulační nádoby otopné vody. Nejde o obvyklé zapojení, jde o v praxi se vyskytující výmysl topenářů. Chybí také údaj, zda ve stávající OS je funkční oběhové čerpadlo, které by pracovalo v sérii s čerpadlem TČ, nebo topenář předpokládal, že to zvládne čerpadlo TČ.

Problém je v tom, že průtok od TČ je cca 3× vyšší, než byl původní průtok v OS. Je to díky rozdílu teplotního spádu cca 5 K u TČ, oproti spádu 20 K u OS při stejném výkonu. Až 3× vyšší průtok v OS představuje 9× vyšší tlakovou ztrátu. Když instalujete TRV podle rady topenáře, budou intenzivně hlučet. Navíc budou omezovat průtok TČ a snižovat jeho výkon do té míry, že jeho výkon nebude přenositelný do OS.

Zcela jiný případ nastane, když je mezi TČ a OS akumulační zásobník otopné vody. To je prakticky ve všech případech, kdy do funkčního schématu nezasáhne neodborným zásahem topenář bez projektu.
Z cca 200 schémat zapojení na internetu mají vyrovnávací akumulační nádobu všechna schémata. V takovém případě se za zásobníkem může průtok pohybovat téměř v libovolném rozsahu, aniž by to ovlivňovalo průtok v okruhu TČ. Ve všech těchto případech se instalace termostatických ventilů dá doporučit.

Problematika pojistných ventilů a jejich odtoků

U každé instalace zdroje tepla, ať už té původní (kotel na pevné palivo), tak i té nové, například u instalace TČ, je potřeba zkontrolovat napojení pojistného ventilu na zdroj tepla, i napojení odtoku do volného prostoru.
Pojistný ventil je armatura, která se při dosažení nejvyššího dovoleného přetlaku soustavy otevře a odpouští teplonosnou látku nebo vodu. Pojistný ventil se napojuje na pojistné místo. Tím je horní část zdroje tepla a část výstupního potrubí ze zdroje tepla končící ve vzdálenosti nejvýše dvacetinásobku jmenovitého průměru výstupního potrubí od hrdla.
Odtoková potrubí od pojistných ventilů musí být ukončena na viditelném místě. Ochrana odtoku musí být řešena volným výtokem, s přerušením výtoku vzduchovou mezerou. Jmenovitá světlost odtokového potrubí pojistného ventilu se nesmí zužovat.

Kontrola expanzní nádoby

Je více věcí, které je potřeba kontrolovat u tlakové expanzní nádoby. Zejména v případech, kdy je expanze instalována bez projektu, často u instalací TČ. Může-li se předpokládat, že je objem expanze v pořádku, pak jde jen o kontrolu (nastavení) přetlaku plynu v expanzi. Přetlak plynu souvisí s výškou OS, přesněji řečeno, vzdálenost od šroubení expanze k odvzdušňovacímu ventilu otopného tělesa v nejvyšším bodě.

Například u panelového 8podlažního domu se suterénem je výška OS (8 + 1) ·3 = 27+ rezerva 3 m = 30 m, tj. přetlak plynu (vzduchu) 3,0 bar. Otopná voda se tlakuje o něco víc, například o 0,3 bar, tj. na přetlak 3,3 bar. Těch způsobů výpočtů může být víc, všechny ale vedou k přibližně ke stejným výsledkům.
Otázkou zůstává, jak změřit přetlak vzduchu v expanzi. Zda je ho tam málo, nebo moc, zda by se měl zvýšit nebo snížit. Běžně používaným manometrem to nejde ve všech případech, kdy je na druhé straně membrány expanze tlaková voda. Pak jsou oba přetlaky, jak na straně vody, tak i na straně vzduchu stejné.

Dá se to zjistit až poté, co se vypustí veškerá otopná voda ze soustavy. Poněkud drahá kontrola, ne?
Na expanzním potrubí před expanzí nesmí chybět uzávěr, manometr a vypouštěcí kohout. Poté se jednoduše zavře uzávěr a vypouštěcím kohoutem se vypustí pouze obsah expanzní nádoby, nikoliv celé OS. Zda je vodní strana expanze prázdná zjistíme na manometru, protože je oddělen od OS. V tomto stavu doplníme vzduch a manometrem upravíme přetlak na správnou hodnotu.
Ještě ale neotevíráme armaturu oddělující expanzi od OS. To by se nám veškerý vzduch z vodní strany expanze přesunul do OS a měli bychom další práci s odvzdušňováním všech otopných těles v nejvyšším podlaží.

Místo napojení expanzní nádoby

Norma nám říká, že tlakovou expanzní nádobu můžeme expanzním potrubím napojit v kterémkoliv místě OS. Tomuto místu se říká neutrální bod. Taková věta určitě nebyla vtělena do normy proto, aby si topenář ušetřil pár metrů expanzního potrubí. Je tam proto, aby si projektant uvědomil, že je významný rozdíl mezi tím, zda je neutrální bod před nebo za oběhovým čerpadlem. Jaký je v tom rozdíl
Bude-li neutrální bod expanze před oběhovým čerpadlem, potom bude krátký úsek potrubí mezi expanzí a sáním oběhového čerpadla v podtlaku oproti neutrálnímu bodu. Veškerá OS bude naopak v přetlaku.
V čem je rozdíl?
V praxi se často můžeme setkat s tím, že když se snažíme odvzdušnit otopné těleso, tak po otevření odvzdušňovacího radiátorového ventilu nevytéká voda s bublinkami, naopak je do potrubí přisáván vzduch z místnosti. To se u OS s napojenou expanzí před oběhovým čerpadlem nestane.

Příčin zavzdušňování OS je více. Může to být vnášení nových materiálů do OS jako je měď, hliník, plast nebo mosaz, které spolu vytváří elektrochemickou korozi. Nezanedbatelné nejsou ani bakterie. Při jakékoliv modernizaci se proto doporučuje výměna veškerého potrubního rozvodu, protože životnost toho původního může být podstatně kratší.

Dopouštění vody do otopné soustavy

Asi 5 % objemu vody OS se během provozu ztratí netěsnostmi. Častěji je to mnohem víc, když se musí měnit poškozené armatury. Voda, která se doplňuje, ať už ta z vodovodního řadu, nebo upravená, by se měla doplňovat výhradně ručně.
Zamezí se tím statisícovým škodám, kdy voda opakovaně a pravidelně odtéká do kanalizace ve všech případech, kdy na plynové straně expanze není dostatečný přetlak plynu. Teplotní změny objemu vody nejsou pak kompenzovány, stoupá tlak a pojistný ventil odpouští vodu. Dnes převážně automatizované zdroje tepla, jen s občasnou kontrolou, tomu nemohou zabránit. Oranžové skvrny na podlaze tam byly i při správě minulé kotelny, tak je to asi normální, myslí si obsluha. Někdy se to „řeší“ zavedením potrubí od pojistných ventilů přímo do kanalizace bez přerušení a je po problému.

Vyvažování otopné soustavy

U nového systému s TČ jako zdrojem tepla se vyvažují vypočtené průtoky jednotlivými trubkovými podlahovými hady. Ty jsou k rozdělovači napojené paralelně, jeden vedle druhého. Tlakové ztráty paralelních okruhů se nesčítají! Proto bývají výkony (dopravní výšky) čerpadel v těchto systémech menší než u radiátorového vytápění.

U desítky let starých OS, kdy ve své podstatě nebyly k dispozici regulační (škrticí) ventily, se vyvážení průtoků do jednotlivých otopných těles dosahovalo jen tím, že se měrná tlaková ztráta potrubí(Pa·m^–1) vedoucího od zdroje tepla do koncových úseků zmenšovala. Tak by to mělo zůstat i po instalaci TČ, aby výkon jeho oběhového čerpadla byl dostatečný.
Zatížit starou OS moderním ventilovým spodkem radiátorového ventilu s vysokou tlakovou ztrátou nemůže vést k dobrému výsledku. A už vůbec ne v případě osazení ventilu termostatickou hlavicí, která dokáže měnit negativním způsobem průtoky a tlaky i bez přispění uživatele domku.

Kombinace tepelného čerpadla a tradičních zdrojů tepla. Proč si chtějí majitelé domů zachovat v provozu staré zdroje tepla na pevné palivo (kotle, krby s krbovou vložkou) i po instalaci
nového tepelného čerpadla?

Ten hlavní důvod je patrně stále šok z vrcholu energetické krize, kdy ceny za kWh dosahovaly závratných hodnot, případně také strach z blackoutu nebo snad nedostatku elektřiny pro koncové odběratele. Pokud by však taková situace opět nastala, je vysoce pravděpodobné, že by se současně s cenou elektřiny zvyšovaly i ceny za tuhé palivo, jako je dřevo, pelety, uhlí nebo brikety.

Propojit jednu OS se dvěma odlišnými zdroji tepla je velmi nesnadné. Už kvůli zabezpečovacímu zařízení OS (pojistné ventily, tlakové expanze) by se vlastník rodinného domu musel nejdříve rozhodnout, zda bude chtít provozovat oba dva zdroje současně, nebo každý zdroj samostatně. Nejtěžší pak bude najít autorizovaného projektanta v oboru tepelné techniky, který by dokázal sestavit funkční schéma zapojení všech komponent, včetně elektrického bojleru k dohřevu teplé vody a s vyrovnávací nádrží o obsahu cca 750 l (pokud ji bude kam umístit). Nemělo by se spoléhat na zapojení od běžného topenáře.

Co odpovědět na otázku s termínem zateplení střechy?

Při úvahách o zateplení je dobré si uvědomit, že by se měl zateplit celý objekt. V takovém případě stačí jen snížit teplotu otopné vody v závislosti na stupni zateplení, aby teplotní poměry mezi jednotlivými místnostmi zůstaly stejné. Zateplit jen část domu, například jednu stěnu nebo střechu, znamená narušit teplotní poměry mezi místnostmi.

Odpovídal:

Ing. Miloš Bajgar, autorizovaný inženýr pro techniku prostředí staveb, projektová kancelář tepelné techniky, Praha; člen redakční rady Topenářství instalace

❑ ❑ ❑