Kritéria pro optimální návrh dimenzí topenářského potrubí

Chybně navržený rozvod tepla, způsobený jednak volbou nevhodné dimenze potrubí příslušného úseku otopné soustavy, ale i geometrie rozvodů a v neposlední řadě i výkonů koncových spotřebičů tepla, je fatální chybou, kterou bez poměrně nákladných oprav změny dimenze potrubí v kritickém úseku nelze úspěšně vyřešit. Jelikož tlaková ztráta roste s druhou mocninou rychlosti, tak špatně navržené dimenze rozvodů tepla jsou zásadní chybou, která pak prakticky znemožňuje normální funkci a distribuci tepla k jednotlivým napojeným odběrům tepla. Autor příspěvku pomoci matematického aparátu určuje oblasti rychlostí proudění pro různé dimenze potrubí tak, aby byla zajištěna distribuce tepla s pouze přijatelnou odchylkou od projektovaných parametrů.

Recenzent: Zdeněk Číhal

Při provozování kotelen, výměníkových stanic nebo strojoven s více topnými okruhy na rozdělovači se poměrně často stává, že výkonově rozdílné okruhy, mají stejné dimenze potrubí. Aniž by se hledělo na rychlost proudění v potrubí nebo na ještě důležitější parametr, který s rychlostí proudění souvisí, měrnou tlakovou ztrátu potrubí.

Známe-li průtok okruhem, spočítat rychlost proudění v potrubí [m·s^–1] o známém vnitřním průměru je velmi jednoduché. Spočítat měrnou hydraulickou ztrátu [Pa·m^–1] je podstatně složitější. Takový výpočet má na druhou stranu neporovnatelně vyšší informační hodnotu. Umožňuje vedle sebe na rozdělovači poskládat okruhy s různými výkony (průtoky) s takovými dimenzemi, aby jejich měrná tlaková ztráta byla přibližně stejná.

V praxi se mnohdy stává, že po spuštění čerpadla okruhu s nejvyšším průtokem, významně klesne průtok v některém z průtokově menších okruhů, obvykle v blízkosti okruhu největšího. Jde o tzv. hydraulickou interaktivitu, v dřívějších dobách neznámým, nebo zanedbávaným pojmem. Obvykle se projevujícím až za provozu. Jednou z příčin je i neznalost kritérií, podle kterých se dají navrhovat optimální dimenze rozvodného potrubí.

Je více hledisek, na kterých závisí volba dimenze topenářského potrubí. Rozhodující není jen Reynoldsovo číslo, ale i teplota otopné vody, absolutní drsnost potrubí, často i délka rozvodu. Kromě délky rozvodu se nám za provozu všechny tyto hodnoty mohou měnit. Rychlost proudění, zvětšující se absolutní drsnost potrubí vlivem usazenin na vnitřním povrchu, následně se zmenšuje i vnitřní průměr potrubí, mění se kinematická viskozita i teplota otopné vody.

Někoho by mohlo překvapit, proč by se měla měnit rychlost proudění vody v potrubí topného okruhu navrženého na konstantní průtok. Tedy ne jenom vlivem výše popsaných změn, ale snížením průtoku náhle, v několika desítkách procent. A to i v případech, kdy čerpadlo pracuje v režimu na konstantní průtok a okruh je navíc vyvážen statickou vyvažovací armaturou.

Příčinou je hydraulická interaktivita, které se až do nedávna nevěnovala téměř žádná pozornost. Jde o vzájemné ovlivňování průtoků v topných okruzích napojených na stejný rozdělovač se sběračem. Ideálním řešením by byl rozdělovač, na kterém by bylo napojeno více průtokově stejných topných okruhů, se stejnými dimenzemi potrubí. Taková kombinace se bohužel v praxi nevyskytuje.

Snížit vliv hydraulické interaktivity by bylo do jisté míry, možné ovlivnit optimální volbou měrné tlakové ztráty v potrubí [Pa·m^–1]. Ta se může pro DN v rozmezí 10 až 150 pohybovat v rozmezí od 20 do 380 Pa·m^–1, tj. od 0,02 do 0,38 kPa. Měrná tlaková ztráta v potrubí v [kPa] je uváděna jen pro porovnání s tlakovými ztrátami armatur nebo koncových prvků.

Tlakové ztráty armatur mohou být 53× až 150× větší, než jsou tlakové ztráty v 1 bm potrubí, a nejsou zanedbatelné. Zejména ne v okruhu od deskového výměníku v kotelně k rozdělovači.
Výpočet měrné tlakové ztráty nám sám o sobě nic neřekne o nějaké optimální hodnotě. Ta závisí na délce rozvodu a počtu vřazených odporů (tab. 1).

U dlouhých rozvodů volíme s výhodou tlakové ztráty co nejmenší. Můžeme si dovolit výkonově menší oběhové čerpadlo, s menší spotřebou elektrické energie (tab. 2).

Pro běžné rozvody tepla vystačíme se středními tlakovými ztrátami (tab. 3).

U krátkých rozvodů si můžeme dovolit větší tlakové ztráty, například ve strojovnách (tab. 4).

U všech délek rozvodů je potřeba dát si pozor na vřazené odpory, které se mohou pohybovat i v desítkách kPa, jak je uvedeno v tab. 1.

V následujících tabulkách sestavených podle tlakových ztrát rozvodu tepla (malé, střední a velké) se orientujeme podle výpočtového průtoku v [m³·h^–1].

Například pro průtok 4 m³·h^–1 potřebujeme, podle tab. 2, dimenzi potrubí DN 50. To proto, protože námi spočtený průtok 4 m³·h^–1 leží v rozmezí 2,71 až 5,16 m³·h^–1. Zároveň vidíme, že se nám rychlost proudění pohybuje v rozmezí 0,34 až 0,65 m·s^–1, a měrná tlaková ztráta bude v rozmezí 25 až 85 Pa·m^–1.

Výpočty v tabulkách byly spočteny pro střední teplotu otopné vody 80 °C. Pro nižší střední teploty bude měrná tlaková ztráta vyšší. Ne však o tolik, aby se nám mohla změnit dimenze potrubí.

Pro běžnou potřebu nejvíc využijeme tab. 3, s větší měrnou tlakovou ztrátou v potrubí. Ta by se mohla podkládat za optimální řešení.

Pokud si projektant zkopíruje tab. 3, nebo uloží do mobilu, pak bude v každém okamžiku vědět jakou dimenzi potrubí pro jaký výkon použít. Protože každý projektant zná, jak z výkonu v kW a teplotního spádu spočítat průtok v [m³·h^–1].

Poslední tab. 4 s velkými tlakovými ztrátami najde použití u krátkých úseků.

Když bude projektant používat výše uvedené tabulky, zejména pak tab. 3, tak se mu nestane, aby pro společný výstup ze 3 kotlů o celkovém výkonu 300 kW, teplotním spádu 20 K a výpočtovém průtoku 12,8 m³·h^–1 zvolil dimenzi DN 50 s měrnou tlakovou ztrátou zcela mimo rozsah, cca 740 Pa·m^–1 (případ z praxe). Pro průtok 12,8 m³·h^–1 najde v tab. 3 dimenzi DN 65, s maximální tlakovou ztrátou 176 Pa·m^–1, tedy ztrátou cca 4,2× menší, než je tlaková ztráta v již realizovaném potrubí DN 50.

Před použitím tab. 4 je možné doporučit, aby si projektant nejdříve ujasnil příčiny hydraulické nestability topných okruhů s možnostmi jejího řešení. Také by bylo vhodné ověřit, s jakými hodnotami měrné hydraulické ztráty počítají výpočtové programy. Je potřeba si uvědomit, že za nefunkční systém vytápění je zodpovědný projektant, ne program.

V současné praxi je velkou škodou, že investorem není vyžadován autorský dozor projektanta, ani dokumentace skutečného stavu. Protože jen tyto dvě skutečnosti mohou zjistit a zajistit, aby si zhotovitel „nevylepšil“ smluvní cenu tím, že namontuje všude o jednu dimenzi potrubí menší. Což pouhým okem nebývá zjistitelné.

Literatura

[1] Vyhláška č. 193/2007 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu – znění od 1. 9. 2007. In: Zákony pro lidi.cz[online]. © AION CS 2010–2023 [cit. 10. 5. 2023]. Dostupné z: https://bit.ly/3HZviTl.
[2] Vyhláška č. 194/2007 Sb., kterou se stanoví pravidla pro vytápění a dodávku teplé vody, měrné ukazatele spotřeby tepelné energie pro vytápění a pro přípravu teplé vody a požadavky na vybavení vnitřních tepelných zařízení budov přístroji regulujícími dodávku tepelné energie konečným spotřebitelům – znění od 7. 11. 2014. In: Zákony pro lidi.cz [online]. © AION CS 2010–2023 [cit. 10. 5. 2023]. Dostupné z: https://bit.ly/3BkgmM3.
[3] ČSN 06 0310. Tepelné soustavy v budovách – Projektování a montáž. 2014–8 (změna Z2. 2017–9). ÚNMZ. Praha.
[4] ČSN 06 0320. Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování. 2006–9. ČNI. Praha.
[5] ČSN 06 0830. Tepelné soustavy v budovách – Zabezpečovací zařízení. 2014–8 (změna Z1: 2014–11). ÚNMZ. Praha.
[6] ČSN 38 6405. Plynová zařízení. Zásady provozu. 1988–10 (změna Z1: 1999–5). Úřad pro normalizaci. Praha.
[7] ČSN EN 12828+A1.Tepelné soustavy v budovách – Navrhování teplovodních otopných soustav. 2014–11. ÚNMZ. Praha.
[8] ČÍHAL, Z.: Příčiny možného kolísání tlaku v soustavách s uzavřenou expanzní nádobou. Topenářství instalace, 2017, roč. 51, č. 8, s. 72–75. ISSN 1244–0906. Dostupné z https://bit.ly/3ICdhco>.
[9] DOUBRAVA J.: Čerpadlo – na přívod nebo na zpátečku? Topenářství instalace, 1996, roč.: 30, č. 1, s. 56–58. ISSN 1244–0906.
[10] DOUBRAVA J.: Vyvažování potrubních sítí (2. přeprac. a rozšíř. vyd.). Tour & Andersson Hydronics, spol. s r.o., Praha 1997, 80 s.
[11] VAVŘIČKA, R., VRÁNA, J.: Předpisy pro instalaci pojistného ventilu. Topenářství instalace, 2019, roč. 53, č. 1, s. 32–39. ISSN 1244–0906. Dostupné z https://bit.ly/3IwXUBV>.

---

Criteria for optimal design of heating pipe dimensions

Incorrectly designed heat distribution caused not only by the choice of inappropriate pipe dimensions in the relevant section of heating system, but also by the geometry of distribution and, last but not least, by the performance of heat end consumers is a fatal error that cannot be successfully resolved without relatively expensive repairs to change the pipe dimensions in the critical section.
Since the pressure loss increases with the square of the speed, poorly designed dimensions of heat distributions are a fundamental error, which then practically makes normal function and distribution of heat to the individual connected heat intakes impossible.

The author of the article with the help of a mathematical apparatus determines the areas of flow velocities for different pipe dimensions in such a way as to ensure heat distribution with only an acceptable deviation from the designed parameters.

Keywords: heating circuits, pipe dimensions, flow rate, specific pressure loss, performance, flow rate, hydraulic interactivity.