Kompatibilita zdroje tepla s otopnou soustavou

Příspěvek vychází z osobních zkušeností při projektování a zejména provozování otopných soustav a zdrojů tepla. Velmi stručně shrnuje vývoj v oboru a jeho dopady na technické parametry již provozovaných zařízení. Také porovnává stávající parametry ve vztahu k novým zdrojům tepla a ke stupni zateplování budov. Základním cílem je poukázat na úskalí ohledně kompatibility zdrojů tepla s otopnými soustavami, což často není splněno a degraduje maximalizaci účinnosti využití tepla.

Recenzent: Michal Kabrhel

Úvod

V posledních několika letech je kladen důraz na snižování energetické náročnosti objektů – budov.
Je třeba připomenout, že pro vytápění a větrání obytných budov byly pro oblastní teploty venkovního vzduchu navrhovány teplotní parametry 90/70/20 °C (92,5/67,5/20 °C), tj. v obou případech se střední teplotou T_s = 80 °C. Neuvažuji napří-klad crittalová, podlahová a další technická řešení.

V minulém století nebyl dostatek kvalitních armatur a regulačních prvků a například dvouregulační kohouty na tělesech neposkytovaly dostatečné technické vlastnosti pro hospodárný provoz otopných soustav. Navíc často „zatuhly“. Tepelná pohoda se často zajišťovala až „přívaly“ otopné vody a podle potřeby otevřenými okny.

Po období „termostatizace“ (hromadné osazování termostatických ventilů na otopná tělesa) se uživatelé již mohli pomocí těchto jednoduchých ventilů zapojit do řešení úspor tepla, jelikož bylo umožněno nastavit žádanou teplotu ve vytápěné místnosti. Proměnlivost tlakových poměrů a změny průtoků vyvolávaly často hlukové jevy. Princip spočíval v tom, že zdroje až dodatečně a postupně musely omezovat průtoky a snížit často i teplotní parametry.

Postupně zdroje přecházely na nižší teplotní parametry 80/60/20 °C. Aritmeticky vzato, střední teplota otopné vody byla snížena na hodnotu T_s = 70 °C. Provedeme-li přepočet výkonu tělesa s touto střední teplotou, zjistíme pokles výkonu na hodnotu cca 78 % výkonu instalovaného tělesa. Z tohoto lze odvodit, že oproti projektovanému výkonu instalovaných těles postačoval nižší výkon o cca 22 %.

Zásadní obrat a dopad do parametrů otopné vody se objevil v okamžiku, když začala vznikat různá společenství vlastníků a bytová družstva s následným zateplováním budov, aniž by byly  adekvátně řešeny podmínky provozu otopných soustav po zateplení. Například šlo o situace, kdy jsou na jedné společné otopové větvi připojeny 3 vchody panelového domu, a každý vchod vytvořil samostatný právní subjekt, který se rozhodl zateplit, ale každý v jiném období, tj. nejdříve bylo obvyklé zateplovat izolací (50–80) mm, posléze (100–120) mm a nově i více, třeba 160 mm.

Zateplování sice radikálně snižuje tepelné ztráty, ale bez následného správného technického řešení je zhoubou pro kvalitní a úspornou distribuci tepla. V těchto případech, kdy byly u všech subjektů dříve shodné požadavky na parametry otopné vody, se potom pro různě zateplené budovy rapidně změnily podmínky pro regulaci. Z původně stejných těles bylo třeba zajistit různě snížené příkony, což vyžaduje zcela odlišné parametry otopné vody. Tím vznikly technické obtíže regulovatelnosti soustavy. Tím se také zcela ztratila vzájemná kompatibilita zdroje a soustav.

Hlavní rysy problematiky otopných soustav

Technická řešení pro odhlučnění, či odstranění přetápění, a obecně nápravy „hydrauliky“ apod., byly a jsou, bohužel nesprávně, založeny nejčastěji na metodách škrcení pomocí různých omezovačů průtoků a diferenčních tlaků i v případech, kdy to není žádoucí.

Pokud zdroj přednostně poskytuje teplotní parametry pro nejhůře zateplený objekt, potom jsou lépe zateplené budovy de facto zásobeny nadbytečnými parametry. Škrcení je o změně průtoků a původně hydraulicky seřízená soustava musí být kompletně přepracována nejen výpočtově, ale i fyzicky za poměrně vysokých nákladů. Snížení průtoků i pod 50 % má hluboký dopad na požadovanou hnací sílu (diferenční tlak). Při poklesu průtoku na 50 % je rámcově třeba snížit diferenční tlak na novou hodnotu cca 0,25 = 25 %.
Například při původním ∆p = 40 kPa potom stačí ∆p = 10 kPa => nutnost vše přepočítat a nově seřídit. Ale kdo to bude dělat po každé změně v soustavě?

Metoda škrcení nezaručuje, že budou otopná tělesa po zateplení zásobována teplem se správnými fyzikálními parametry, tj. střední teplota těles, která určuje nový požadovaný výkon již dříve instalovaného tělesa. Dále platí podmínka, že k takové střední teplotě náleží odpovídající průtok otopné vody, který je rozhodující pro hydraulické řešení otopné soustavy, a tedy i volbu potřebných armatur, vč. jejich nastavení.

Výrazný podíl na naprosté nekompatibilitě k otopné soustavě v budovách mají vnější dodavatelské sítě a různé kotelny, ale také vlastní kotelny. Pokud provedeme parametrickou analýzu, můžeme velmi často zjistit, že jsou dodávky ≈ otopové křivky z těchto zdrojů velmi nadhodnocené a existují i případy, kdy je teplota otopné vody na vstupu do budovy i o 15 °C vyšší oproti potřebě podle fyzikálně správných parametrů otopné soustavy. Vysoká teplota fyzikálně způsobuje omezování průtoku otopné vody, a jak je výše uvedeno, pokles průtoků obvykle na (30 až 60) % zcela rozvrací původní hydraulické řešení a nastavení => různé omezovače přestávají mít projektované vlastnosti => zmařená investice do těchto prvků.

Z výše uvedeného grafu fyzikálně správných parametrů jsou patrné návodné průběhy otopových křivek. Správná teplota na přívodu je horní plná křivka, a na vratce je spodní plná křivka. Jemně čárkovaná mezi přívodní a vratnou teplotou je střední teplota pro danou budovu (neplatí obecně, pro každou budovu je individuální). Výpočet vychází z konstantního průtoku otopné vody. Ve výpočtu se uvažuje s intenzitou větrání i = 0,3. Výkon cca 275 kW.

Nejvyšší čárkovaná křivka horního grafu ukazuje ekvitermní křivku dodavatele tepla (začíná na 70 °C a končí na 25 °C při venkovní teplotě 20 °C). Zde je dodavatelská teplota cca o 12 °C vyšší, než je fyzikálně zapotřebí).

Tečkovaná křivka ukazuje teplotu ve vytápěné místnosti t_i = 21 °C.

Čerchovaná křivka ukazuje zvýšení teploty vnitřního vzduchu na t_i‘ ≈ 23 °C za předpokladu, že nebude místnost větrána, ale příkon zůstane v plné výši, jako s větráním i = 0,3. Pokud bychom zcela přestali větrat (i < 0,05) a zajišťovali pouze tepelné ztráty prostupem tepla, potom by se snížil potřebný příkon tepla a otopová křivka by při t_e = –12 °C klesla ve výpočtovém stavu na hodnotu cca 49/38/21 °C. Pokud dodavatel ponechá teplotu na přívodu 70 °C, potom je tato teplota vyšší o (70–49) = 21 °C.

Bohužel, musím konstatovat, že obdobné stavy jsem shledal u téměř všech otopných soustav, které jsem za své kariéry potkal a potkávám.

V takovém případě jde o katastrofální stav, kdy rapidně klesne průtok vody se všemi dopady na provedené hydraulické nastavení.

Lze také podotknout, že při vysoké otopové křivce bychom od jisté vyš-ší venkovní teploty měli dokonce teplotu vratné vody zcela absurdně „chladit“! Toto není návod k použití.

Hlavní příčinou jsou naprosto nevhodně řešené otopové křivky, které by odpovídaly fyzikálně správným potřebám. Všechna propojení mezi zdrojem tepla a otopnou soustavou nebývají plně kompatibilní, jelikož disponují pouze klasickou ekvitermní regulací, ale často s nesprávně volenými parametry. Zde je ukázka dvou zcela odlišných dodavatelských ekvitermních průběhů teplot otopné vody podle venkovní teploty; v obou případech pro otopnou soustavu s litinovými článkovými tělesy, a přesto je tvar odlišný.

Při napojení na CZT (ale i blízkou kotelnu), kdy jsou velmi často předávací místa tepla bez jakýchkoliv technických prostředků pro možnosti nastavení správných parametrů, není kompatibilita zdroje a soustavy bez rekonstrukce možná. Jediným prostředkem k použití při regulaci bývá ruční seřizovací ventil na vstupu do objektu, kterým ze nastavit (nikoliv regulovat, jsou bez servopohonů) pouze průtok. Termostatické ventily na tělesech potom musí plnit funkci regulátoru teploty v místnostech, což při nadměrných teplotách otopné vody vede jen a jen k omezování průtoků soustavou ≈ vede k hrubému narušení hydraulického nastavení a přetěžování ventilů.

K přiblížení se optimálnímu stavu klasická ekvitermní regulace nestačí. Uškrcená malá průtočná množství vody způsobují, že se příslušné armatury dostávají do polohy, kdy nepatrná odchylka tlaků může zastavit průtok do vzdálenějších částí soustavy.

Uvedené křivky na prvním obrázku jsou poněkud idealistické, ale významně slouží jako referenční stav i pro nastavení regulace. Samozřejmě existují permanentní vlivy, kdy dochází ke změnám fyzikálně správných parametrů, například tím, že je část budovy osluněna, což snižuje tepelné ztráty na osluněné straně, ale na neosluněné je třeba udržovat parametry bez tohoto vlivu. Změny vyvolává také činnost živatelů, kteří volí různé provozní režimy jak s větráním, tak s uzavíráním termostatických ventilů na dobu i mnoha hodin apod.
I z těchto důvodů je důležitá znalost fyzikálně správných parametrů (vypočítaných otopových křivek), aby bylo zřejmé, jaké korekce provoz v různých situacích potřebuje. Za tím účelem je proto zapotřebí pomocí automatické dynamické regulace udržovat parametry otopné vody co nejblíže referenčním hodnotám. Prostá ekvitermní regulace není uzpůsobena tak, aby dokázala lépe reagovat na vzniklé „poruchové stavy“ působící na referenční hodnoty. Výrazný vliv na korekce má i v zimě osluněná fasáda.

Nové trendy zdrojů tepla a kompatibilita

Současné nové trendy s využitím obnovitelných zdrojů energie (OZE) jsou směrovány ke zdrojům tepla, jako jsou tepelná čerpadla (TČ) či fotovoltaické elektrárny (FVE). S tímto prosazovaným trendem obyvatelé domů často kladou otázky, zda je možné soustavu v jejich domě realizovat, tj. optimálně připojit nový zdroj tepla ke stávající otopné soustavě (OS). Zde je nutné sdělit, že existuje celá řada kombinací zapojení TČ + FVE + OS. Stávající OS je konstrukčně daná, a pokud ji chceme hospodárně využít, musíme ji poskytnout parametry, na které byla sestavena, zejména na jakou střední teplotu otopné vody a při jakém teplotním spádu – obvykle 20 °C.

TČ jsou konstruována na teplotní spád například (5–8) °C, což je poměr zhruba 4 : 1 a z toho plyne výrazná změna průtoků => zcela odlišné hydraulické řešení soustavy. Často vznikají kombinace vytápění tělesy s vyšší teplotu, podlahovým vytápěním s nižšími teplotami, použitím konvektorů s ventilátorem s ohřevem vody apod. Do otopné soustavy se připojují také elektrické ohřívače s FVE, a také je využívána elektřina z FVE pro pohony oběhových čerpadel a kompresorů TČ. Již z tohoto malého výčtu je patrné, že nelze podat nějaký univerzální návod na technické řešení a potom zejména na systém měření a regulace. Řešení také závisí na tom, zda chceme jednotný řídicí systém, anebo například více samostatných systémů (třeba oddělené vytápění a ohřev vody, či krbovou vložku atd.). Čím více zdrojů tepla s různými výstupními teplotními parametry do soustavy zapojíme, tím komplikovanější je řízení, a to zvyšuje náklady na technické řešení soustavy.

Zásadní odpověď na jejich zásadní otázku nebývá v řadě případů jednoznačně zodpovězena, jelikož k odpovědi musí předcházet technická – parametrická analýza, která posoudí, zda jsou teplotní parametry například TČ dostatečně kompatibilní s tepelně-technickými parametry otopné soustavy v budově. K posouzení je zapotřebí znát tepelně-technické údaje podle protokolu k PENB, konkrétní technické řešení otopné soustavy budovy (nejlépe projekt s dimenzemi), spotřeby tepla za posledních cca 3–5 let.

Jen na základě provedené parametrické analýzy lze jednoznačně odpovědět, jaké by mohlo být technické řešení pro nasazení TČ. V opačném případě nelze garantovat kompatibilitu zdroje a soustavy. Zde mluvíme o instalaci v již existující otopné soustavě.

U nových komplexních soustav lze mezi zdrojem a otopnou soustavou snadno sjednotit parametry tak, aby byly kompatibilní. Hlavní úlohou při řešení kompatibility je bezpodmínečně nutné porovnat vlastnosti zamýšleného osazení TČ k užití v otopné soustavě.

Omlouvám se, že budu připomínat tzv. „notoricky známé principy“, což z hlediska odůvodnění principu kompatibility nelze opomenout a navrhovat libovolné = neodůvodněné otopové křivky.

Základní podmínkou pro sdílení potřebného výkonu tělesy do místnosti je, že musí být v souladu s tepelnými ztrátami zajištěn jistý teplotní spád mezi střední teplotou otopné vody v tělese T_sx a teplotou okolního vzduchu v místnost t_i. K tomu existují ověřené parametry od výrobce, který ve svých podkladech stanoví pro danou řadu těles nejen teplotní koeficient n, ale i při jakých teplotních spádech lze docílit deklarovaného výkonu, například teplota na vstupu do tělesa T_p = 80 °C a na výstupu T_z = 60 °C.

Pro zjednodušení úvah můžeme říci, že je aritmetická střední teplota T_sx = 70 °C. Jinými slovy řečeno, každému různému výkonu tělesa odpovídá různá střední teplota (například podle ekvitermní teploty). Výkonem tělesa a teplotním spádem je dán průtok tělesem. Z toho plyne, že například pro výkon P = 1 kW potřebujeme průtok ≈ 43 kg·h^–1. Je-li podmínkou výkon 1 kW, pak není možné měnit hodnotu T_sx = 70 °C. Když snížíme teplotní spád z hodnoty 20 K na 10 K, potom nelze zajistit výkon 1 kW průtokem 43 kg·h^–1.
Toho dosáhneme jen tak, že zvýšíme průtok na hodnotu až 86 kg·h^–1. Při zvýšeném průtoku narůstají hydraulické odpory řádově s druhou mocninou. To vyžaduje zcela odlišné hydraulické řešení celé soustavy!!!

Obdobně lze řešení použít naopak, ale musíme zachovat střední teplotu T_sx = 70 °C, abychom mohli předat výkon 1 kW. Zvýšením teplotního spádu 85/55 °C, bude hodnota 30 K. Potom musí být průtok ≈ 29 kg·h^–1. To je 29/43 = 0,674 ≈ 67 %. S menším průtokem se snižují hydraulické odpory cca pod 50 % (vše je třeba prokazovat podrobným výpočtem). Při sníženém průtoku klesají hydraulické odpory řádově s druhou mocninou. To vyžaduje zcela odlišné hydraulické řešení celé soustavy!!!

V této souvislosti mám řadu poznatků, že je v mnoha projektech řešena pouze následující distribuční rovnice. Na tom není na první pohled nic špatného, jen se zapomíná, že nás klasický základní a „bezhlavě“ používaný vztah neupozorní na to, že je prvořadým krokem udržet správnou střední teplotu otopné vody v souladu s ekvitermní teplotou, případně s reakcí na proměnlivé okrajové podmínky (například tepelné zisky apod.)

Q = m . c . (Tp – Tz)                       (1)

Vztah je pravdivý, pokud jde o distribuci tepla (otopné vody). Je třba si vždy uvědomit, že zde platí i druhá, podstatná podmínka, tj. střední teplota tělesa T_sx (indexy označují s… střední teplota; x… označuje x-tou hodnotu ekvitermní teploty).

Z praxe lze konstatovat, že byly stávající otopné soustavy bytových domů konstruovány na střední teplotu 80 °C. Pokud tyto teploty nelze docílit ve výpočtovém stavu, potom jsou zdroje s nižší střední teplotou použitelné pouze v užším a vyšším pásmu ekvitermní teploty.

Jiný příznivější příklad je stav, když je velmi dobře zateplený dům s nízkými tepelnými ztrátami a z tohoto důvodu se již instalovaná (původní) soustava stala předimenzovanou i hydraulicky. Potom lze zvážit a porovnat, zda lze zajistit kompatibilitu hydraulického řešení. Jde o to, že pokud bude mít například TČ teplotní spád 55/45, tj. 10 K a tělesa po zateplení budovy budou schopna dodávat potřebné teplo (výkon) při střední teplotě otopné vody T_sx = 50 °C, potom lze zajistit kompatibilitu zdroje a soustavy.

Závěr

Kompatibilita mezi zdrojem a otopnou soustavou nastává při shodě středních teplot otopné vody. Ve shodě musí být i teplotní parametry, které zajistí přípustný průtok zdrojem tepla. Pokud bude zdroj poskytovat teplotní spád například 55/45, potom s tímto spádem musí pracovat i soustava. Kdyby teplota vratné vody klesla (třeba na 40 °C), potom by při plném výkonu zdroje klesla i střední teplota otopné vody a výkon soustavy také => nedostatečný výkon.

Literatura

[1] BAŠTA J.: Otopné plochy. 1. vyd. ČVUT, Praha 2001, 328 s. ISBN 80-01-02365-6.
[2] GALÁD V.: Teplotní stabilita. Topenářství instalace, 2022, roč.: 57, č. 1, s. 32–34. ISSN 1244–0906. Dostupné z https://www.topin.cz/clanky/teplotni--stabilita-detail-12561>.
[3] GALÁD V.: Naivní škrcení otopných soustav. Topenářství instalace, 2022, roč.: 57, č. 8, s. 52–56. ISSN 1244–0906. Dostupné z https://www.topin.cz/clanky/naivni-skrceni-otopnych-soustav-detail-13676>.

Seznam označení

c měrná tepelná kapacita [J·kg^–1·K^–1]
T teplota vody [°C]
t teplota vzduchu [°C]
m hustota [kg·m^–3]

Příspěvek zazněl dne 18. května v rámci odborného programu na tradiční konferenci Vytápění Třeboň 2023. Pořadatelem konference byla Společnost pro techniku prostředí – odborná sekce Vytápění.

---

Heat source compatibility with the heating system

The contribution is based on personal experience in designing and especially operating heating systems and heat sources. It very briefly summarizes development in the field and its impact on the technical parameters of already operating devices. It also compares existing parameters in relation to new heat sources and degree of buildings insulation. The basic goal is to point out the pitfalls regarding the compatibility of heat sources with heating systems, which is often not met and degrades the maximization of heat utilization efficiency.

Keywords: heating system, heat source, compatibility, buildings energy efficiency, temperature parameters, insulation of buildings, heat loss, heat distribution, regulation, heating water, hydraulically adjusted system, differential pressure, alternative energy sources.