Naivní „škrcení“ otopných soustav

Autor článku v jeho 1. části popisuje funkční rozdíl mezi seřizováním a regulací otopné soustavy. Kdy seřizování je statické nastavení požadovaných Kv hodnot příslušných armatur, které jsou v provozu bez zásahu člověka již neměnné. Zatímco regulace jsou dynamické procesy v provozních stavech zajištěny armaturami s pohony k tomu to účelu navrženými. Z toho pak vyplývá, že v běžné praxi chybně používané slovo „zaregulování“ pro účel seřízení soustavy je nesprávné a zavádějící, neboť nemůže splnit požadavky, které se neodborné veřejnosti často prezentují.
V 2. části článku jsou pak popsány problémy způsobené kvantitativní regulací na patě otopné soustavy, tzv. škrcení průtoku. Nejenže tento způsob regulace škrcením na patě soustavy nevhodně reguluje aktuální požadovaný tepelný výkon, ale zároveň ničí funkci hydraulického seřízení soustavy, protože seřizovací a i regulační armatury se často dostávají mimo pásmo svého rozsahu. Na patu otopných soustav s otopnými tělesy patří regulace kvalitativní, tzn. regulace teploty otopné vody, např. dle ekvitermní křivky stanovenou přesně dle podmínek daného vytápěného objektu.

Recenzent: Jakub Spurný

Dovoluji si připomenout, že již na počátku současné energetické krize a energetické drahoty, zástupci Teplárenského sdružení prohlásili, že nemají nástroje k tomu, aby odběratelům (tedy družstvům, SVJ atd.) distančně regulovali teplotu v bytech a budovách. Nejvyšší představitelé TSČR také sdělili, že je jejich úkolem „vytvářet plánované zisky“.

Podle dosavadních informací by mělo ležet na bedrech volených zástupců družstev či vlastníků bytových jednotek atd., aby v případě předcházení nebo rovnou vyhlášení stavu nouze v teplárenství zajistili plnění vyhláškou [1] stanovených teplot při vytápění(například 18 °C). Dodavatelé tedy mohou dál prodávat odběratelům teplo za nehorázné ceny pomocí technologií, které jim umožňují distribuovat nadměrné množství tepla, ale porušení zákona a vyhlášek o dodržování teplotních limitů zaplatí občané, kteří nevlastní technické distribuční vybavení k šetření teplem. Dodavatelé prohlašují, že jejich kompetence většinou končí na patě objektu a odpovědnost za teploty v bytech tak nese koncový odběratel.

Přesto, že se mnozí dodavatelé tepla celá léta tvářili, jak o vysoce účinné vytápění koncových odběratelů perfektně pečují, technická vybavení předávacích stanic všeho druhu tomu v praxi plně neodpovídají. Z vlastní zkušenosti mohu dokonce poznamenat, že často různými nepodloženými argumenty obstruují, když si chce koncový odběratel pořídit účinnější technologii pro odběr tepla bez plýtvání a nežádoucího přetápění.

1. Úvod

Již mnoho let probíhá řada velmi vášnivých vln diskuzí na téma „zaregulování otopných soustav“. Osobně považuji pojem „zaregulování“ za nevhodný, protože kroky, které jsou při něm činěny, nemají nic společného s aktivní regulací. Považuji ho za čistě obchodní záležitost, která má vzbuzovat v zákaznících dojem vysoké odbornosti, což funguje ve slovní rovině, ale v technické praxi nikoli, i když se „zaregulování“ i v odborných článcích jenom „hemží“.

Nevhodnost slova „zaregulování“ se v plné nahotě ukáže v praxi, když chceme uvést otopnou soustavu do fyzikálně správného stavu, což představuje nastavení seřizovacích armatur na konkrétní hodnoty, které si nemůžeme vymýšlet. Musíme je správně vždy vypočítat podle hydraulických podmínek a výrobcem stanovených charakteristik prvků.

Všimněme si rozdíl mezi seřizováním a tzv. „zaregulováním“. V dnešní (moderní) době je běžné, že něco seřizujeme, tj. nastavujeme správné hodnoty. Je tomu tak nejen třeba u hodinek, nebo u automobilních či jiných motorů, teploměrů, tlakoměrů apod. Proto je správné, abychom otopnou soustavu seřizovali a ne „zaregulovávali“! Jednoduše řečeno „Regulace není totéž, co seřízení“. Regulace je dynamická funkce, seřízení je statické.

Skutečnou regulací můžeme nejen udržovat staticky seřízené parametry, ale je i měnit, tj. zvýšit, či snížit hodnoty. Jde o prvky, které mají různé druhy pohonů, kterými lze tyto funkce podle potřeby měnit od minima k maximu. Sem sice patří i udržování nějaké statické hodnoty v přijatelných mezích, jenže funkční prvek a pohon mají zpětnou vazbu, a tudíž se proces regulace neustále opakuje. Jako příklad lze uvést elektromotor, jehož otáčky můžeme pomocí regulátoru měnit v širokém pásmu otáček. Tomuto procesu přece nikdy neříkáme, že seřizujeme otáčky. Seřídit ≈ nastavit však můžeme třeba horní a dolní mez otáček, které potom v daném rozsahu regulujeme => neseřizujeme.

Typickým příkladem seřízení jsou ventily s hydraulickou charakteristikou (tělesa, paty stoupaček, větví apod.), kterými nastavujeme třeba diferenční tlak, aby byl zajištěn určitý průtok daným potrubím či tělesem. Je to statické seřízení = nastavení potřebného odporu = škrcení. Jsou to, lépe řečeno, omezovače, v daném případě diferenčních tlaků či průtoků.

Průtočnou charakteristikou je hodnota k_v, která vyjadřuje vztah mezi konstrukcí armatury, průtokem a odporem, který armatura vykazuje. Platí vztah

kde je
V – objemový průtok [m³·h^–1];
Δp – odpor armatury [kPa].

Nastavíme-li při seřízení hodnotu k_v, tak tím staticky stanovíme poměr mezi průtokem a tlakovým rozdílem na armatuře. Snížíme-li průtok, musí-me snížit úměrně i Δp. Jinak nebude platit nastavené k_v.

Budeme-li stabilizovat Δp, ale máme proměnlivý průtok (například zavírání termoventilů), pak musíme úměrně měnit hodnotu k_v. Pokud není zajištěno dynamické řízení této hodnoty, což v případě statického seřízení není automaticky možné, nelze seřízený stav udržet v seřízených mezích. V praxi je vyloučeno, aby někdo soustavně obcházel všechny seřizovací armatury a neustále přestavoval hodnoty k_v. Proto je řešením regulace, která používá aktivní prvky (pohony) pro automatické provádění změn na základě vhodného algoritmu a správně vypočítaných řídicích veličin. Tím jsou zajištěny potřebné vazby v soustavě.

Zde vidíme naprostý rozdíl mezi seřizováním a regulací.
Ani membránou vybavený ventil s kapilárou zpětné vazby není regulátor, jelikož nereguluje, pouze „ořezává“ přebytečné hodnoty. Kdybychom potřebovali „ořezávat“ více, pak musíme takovou armaturu znovu RUČNĚ seřídit! Samočinně (automaticky) se nic neseřídí bez aktivních regulačních prvků. Pokud v síti poklesne diferenční tlak pod nastavenou hodnotu, pak tuto nižší diferenci již omezovač nena praví do žádoucího stavu.

Z uvedeného vyplývá, že je pojem „zaregulování“ otopných soustav naprosto neadekvátní, pokud soustava není regulační technikou vybavena. Jednoduše je to pojem zavádějící a nesprávný. Ať tomu prodejci říkají, jak chtějí, vlastnosti výrobku nelze vykládat po svém a libovolně. Mezi seřizovací a regulační technikou je propastný rozdíl. Bohužel je to pro neznalé osoby naprosto zavádějící....

Mnohokrát jsem slyšel argumentaci zástupců družstev a společenství bytů:
„Jak je možné, že nám soustava nefunguje správně, když jsme do její regulace vrazili mnoho peněz?“„Proč nám soustava hlučí a místy „nedotápí“, když nám to odborná firma za nemalé peníze zaregulovala?“
Při domluvených prohlídkách velmi často zjišťuji, že jsou v otopné soustavě v drtivé většině hlavně prvky „škrcení“, tj. omezovače diferenčních tlaků jak na patách stoupaček, tak domů, které omezují diferenční tlak a průtok.

2. „Naivní škrcení“

Proč zrovna naivní škrcení?
Pokud vím, tak má soustava teplovodního vytápění základní úkol, kterým je fyzikálně potřebná distribuce tepla do vytápěných místností, aby bylo dosaženo vnitřní výpočtové teploty podle pravidel vytápění daných zákony a vyhláškami, či hygienickými předpisy. Požadované teploty zde nebudu uvádět.

Považuji za nutné zdůraznit obsah pojmu distribuce tepla, například pro výkon P = 1 kW.

kde je
P – výkon [W];
m – průtok otopné vody [kg·h^–1];
c – měrná tepelná kapacita [kJ·kg^–1·K^–1];
(T_p – T_z) – rozdíl teplot otopné vody na přívodu a zpátečce [K].

Jak vyplývá z rovnice, lze do otopných těles distribuovat teplo o stejném výkonu v mnoha kombinacích průtoků a teplotních rozdílů. Například pro P = 1 kW lze použít teplotní spád 20 K a potom potřebujeme průtok vody M₁ = 43 kg·h^–1. Ale také platí, že když použijeme teplotní spád 10 K, potom je průtok M₂ = 86 kg·h^–1.
Vidíme, že je to dvojnásobek!
A nyní si představme, že máme hydraulicky seřízenou soustavu na průtok 43 kg·h^–1 a najednou bychom měli „protlačit“ 86 kg·h^–1 vody.
Obecně platí, že se při určitém typu proudění odpor soustavy zvyšuje (snižuje) funkcí

Pro průtok M₂ se odpor zvýší na R ≈ 4. Pokud byl například původní odpor 10 kPa, potom po zvýšení průtoku bude cca 40 kPa!!!

Závislost průtoku a odporu platí také obráceně. Pokud označíme za původní průtok M₂ = 86 kg·h^–1 a nový průtok za M₁ = 43 kg·h^–1, pak nám odpor R soustavy klesne na R = 0,52 = 0,25 = 1/4. Tedy z odporu 40 kPa na odpor 10 kPa.

Odpověď je jednoznačná: NEMŮŽEME SI HRÁT S VOLBOU TEPLOTNÍHO SPÁDU PŘI SEŘIZOVÁNÍ OTOPNÉ SOUSTAVY, jak je zvykem u „naivního škrcení“.

To ale není všechno!
„Naivní škrtič“ zpravidla vůbec nepozná, že je v oné triviální rovnici schována základní fyzikální pravda, kterou nevidí, a že se změnou teplotního spádu a průtoku zásadně souvisí výkon otopného tělesa!!!Totiž nikdy od sebe nelze oddělit kvantitativní a kvalitativní složku regulace výkonu tělesa. I když platí krásná triviální rovnice (2), ve skutečnosti tak triviální není. Stačí se podívat na výkonové tabulky výrobců těles, kteří od počátku uvádějí výkony při různých teplotních spádech, kdy mají tělesa odlišné teplotní koeficienty. Jednoduše řečeno, těleso o stejně velké ploše má nižší výkon při jeho nižší střední teplotě. Viz například publikace [2].

Co nám tato známá, triviální rovnice naznačuje? To lze zjistit například v grafu na obr. 1.

Na ose „x“ jsou teplotní rozdíly otopné vody a na ose „y“ jsou násobky při změně teplotního spádu.

Graf platí pro těleso se stejným výkonem. Jedná se o obecně platný vztah, kdy je podle zadaného výkonu tělesa třeba v konkrétním případě, vypočítat jmenovitý průtok a zároveň zjistit příslušný nárůst Δp.

Pro obvyklý teplotní rozdíl 20 °C (na vodorovné ose „x“) je průtok (na svislé ose „y“) brán jako „1“ (jednička). Z grafu je patrná tendence pro stejný výkon, že po poklesu ΔT = 10 °C se musí zvýšit průtok na hodnotu „2“ = dvojnásobek. U hydraulického odporu je násobek cca 4 ≈ čtyřnásobek původního odporu.

Závěr je jednoznačný: pro zacho-vání výkonu v důsledku snižováním teplotního rozdílu na polovinu roste průtok na dvojnásobek a odpor až na čtyřnásobek atd., a naopak!

Podle typu proudění vody, (může být laminární, turbulentní či přechodové) vznikají odchylky, které nejsou příliš odlišné, viz článek v Topin č. 1/2022 [3]. Tím „naopak“ lze uvažovat, že vše platí i tehdy, kdy změny průtoků vyžadují změny teplotních rozdílů. Nechceme-li si „rozhodit“ hydraulické seřízení, nesmíme vycházet ze škrcení… Seřízená soustava bez regulace nemůže správně fungovat a platí to i naopak!

„Naivní škrtič“ si ani nevšimne, že by měl správné fyzikální parametry otopné vody vždy vypočítat na základě stupně zateplení budovy, tj. v souladu s PENB. V opačném případě jde o svévoli, která nemůže nahradit výpočet správných fyzikálních parametrů otopné vody (neuvažuji, že mohou být podle názorů energetických auditorů v PENB někdy chyby). Snížením tepelných ztrát zateplením obálky budovy musíme nutně při zachování stejných otopných těles upravit (snížit) parametry otopné vody, a ne škrtit průtoky!

„Naivní škrtič“ navíc přesvědčuje zákazníka, že nemá smysl investovat do čehokoliv, než do škrticích elementů, že to bohatě postačuje a ještě to zabalí do „hávu“, že jde o regulaci => „zaregulování“  otopné soustavy, a že není nic lepšího pod Sluncem.

Bohužel je to zpravidla, velmi mírně řečeno, z neznalosti.

Dokonce se proklamuje, kolik se ušetří nákladů, když se neinvestuje do skutečné a potřebné regulační techniky.

Výsledky „škrtičů“ jsou, bohužel, žalostné. Mohu říci, že jsou často vyhozeny statisíce korun, jelikož při nesouladu parametrů otopné soustavy a zdroje tepla, se osazená seřizovací technika zcela devastuje a provedené hydraulické seřízení bývá prakticky přímo vyřazeno ze své funkce.

3. Negativní příklady „naivního škrcení“

„Naivní škrcení“ nebrání tomu, aby dodavatelé tepla tento stav velmi úspěšně obcházeli. Umějí si totiž „protlačit“ nadbytečné teplo i do tzv. „zaregulovaných“ otopných soustav, pardon, do seřízených otopných soustav, které se tím dají „rozvrátit“ – vyřadit seřizovací armatury z funkce.
„Naivní škrcení“ lze spatřovat i v instalacích tzv. tlakově nezávislých TRV (termoregulačních ventilů). Zvýšenou teplotu otopné vody nedokáží eliminovat.

Konkrétní příklad dvou větví panelového domu z výměníkové stanice dodavatele je uveden v tab. 1.

Jde o zateplený dům a projekt seřízení byl vypracován na stav po zateplení.
Provedl jsem výpočet otopové křivky na principu fyzikálně správných parametrů pro t_e = 8 °C. Výsledkem je teplota na přívodu otopné vody do těles T_pf = 38 °C. Kalorimetr ukazoval skutečnou teplotu T_ps ≈ 49 °C. Zvýšení teploty o 11 °C nad fyzikální potřebou!

V důsledku vysoké teploty na vstupu došlo k uvedeným změnám:

• Pokles obou průtoku na střední hodnotu 46,5 % projektované hodnoty klesají hydraulické ztráty z původních tlakových ztrát na cca 21,6 %.
• Projekt uvažoval s původní hodnotou potřebného diferenčního tlaku 25 kPa.
• Po snížení průtoku postačuje diferenční tlak kolem 5,4 kPa!!!

Pro ilustraci uvedu, že seřizovací ventil (pro 2 vchody) má při projektovaném průtoku 6,9 m³·h^–1 a nastavení podle projektu na hodnotu 2,5 tlakovou ztrátu 25 kPa, ale při sku-tečném průtoku 3,2 m³·h^–1 jenom cca 4,5 kPa.

Pokud projekt předpokládal, že uvedená armatura spotřebuje 25 kPa, ale ve skutečnosti je to jenom 4,5 kPa, pak se přebytečný rozdíl dispozičního tlaku (25 – 4,5) = 21,5 kPa přenese na armatury blíže k TRV, a to přivodí vhodné podmínky pro vznik hluku.

Dalším a nežádoucím důsledkem nadbytečně vysoké teploty otopné vody je zvýšený tlakový rozdíl na TRV, což umožňuje zvýšený průtok tělesem a rychlejší dosažení požadované teploty v místnosti. Hlavice nebo osoba zavírá přívod otopné vody do tělesa a cyklus se opakuje a dále se snižuje potřeba průtoku i ve výměníkové stanici, až se ustálí na podstatně nižší, nežádoucí hodnotě.

VÝSLEDKEM JE ROZVRÁCENÍ HYDRAULICKÉ ROVNOVÁHY A VYŘAZENÍ SEŘIZOVACÍCH ARMATUR Z FUNKCE!!!

Jde tedy o zcela jinou skutečnost, než projekt předpokládal, protože nevycházel z reálných parametrů celé soustavy a řešeného objektu.

Náprava bez komplexního řešení není možná, rozuměj bez přepočtu otopné soustavy a nastavení správných fyzikálních parametrů otopné vody.

Nastavení i správně stanovených parametrů není možné, pokud to neumožňuje samotné technické vybavení na patě domu, tj. zařízení, kterým je možné upravit rozdílné parametry mezi parametry na straně dodavatele a na straně odběratele.

Pokud se bude vycházet z otopové křivky dodavatele tepla, hrozí riziko, že nebude možné soustavu seřídit již osazenými armaturami, mohou být mimo rozsah potřebného nastavení.

Jiný příklad výrazné odchylky reality a projektu uveden v tab. 2.

Objekt má podle PENB základní parametry:
Na kalorimetru byl naměřen průtok (3,4 – 3,9) m³·h^–1, což je radikálně nižší, oproti výsledku, který by odpovídal podle PENB. Skutečný průtok je cca 59 % => potřeba nižšího diferenčního tlaku s poklesem na cca 35 %! A to není vše. Pro stav podle PENB byla vypočítána otopná křivka, která je cca o 7,5 až o 11,0 ° nižší, než byla naměřena na kalorimetru => odpovídá potřebě podle PENB.

Jak již bylo zmíněno, „naivní škrtič“ ignoruje uvedená fakta, a proto pracuje s mylnou teorií, že při vyšší než požadované teplotě dodávané vody postačí podstatně snížit průtok. Škrcení pak není účinné a při vyšší teplotě tělesa se dříve dosáhne požadované teploty v místnosti, důsledek je popsán výše. Snižováním průtoků se stav zcela vymkne seřízenému stavu, kdy prakticky již není možné další škrcení. Armatury pracují v nepatrném zdvihu kuželky nad sedlem, což je poloha velmi citlivá i na nepatrné změny diferenčních tlaků v otopné soustavě. Seřizovací a regulační armatury se mohou stát nepoužitelnými. Regulační armatury jsou svým způsobem ve výhodě, mají pohony, kterými lze snadno upravit zdvih jejich kuželny (pokud je proces v oblasti regulovatelnosti). Statické seřizovací armatury jsou v nevýhodě, ty by se musely neustále, znovu a znovu seřizovat. Kdo to bude dělat??? => nastává rozvrat hydraulické rovnováhy.

PŘÍKLADY JEDNOZNAČNĚ UKAZUJÍ, JAK LZE ZVÝŠENÍM TEPLOTY OTOPNÉ VODY VELMI TRIVIÁLNĚ OBEJÍT SNAHY „NAIVNÍCH ŠKRTIČŮ“, kteří si myslí, že škrcením zvyšují účinnost distribuce tepla do budov.

4. Závěr

Zásadním pravidlem přístupu k problematice vytápění musí být vždy fyzikální základ, zejména po zateplení objektů, kdy se původně instalované plochy těles stávají předimenzovanými.

Nalezení správných parametrů nelze nikdy určovat odhadem teplotního spádu či průtoku otopné vody soustavou.

Pokud nechceme komplexní výměnu otopné soustavy, musíme nejdříve řešit distribuci tepla pomocí teplotních hladin a přizpůsobit průtoky tak, abychom mohli využít co nejvíce stávajících seřizovacích prvků.

Pokud neodpovídají parametry otopné vody ze strany dodávky vůči otopné soustavě, musíme beze zbytku řešit tzv. transformaci dodavatelských parametrů na odběratelské, podle PENB. Tento úkol nedokáže kvalitně splnit prostá ekvitermní regulace!

K výše uvedeným tvrzením mne opravňuje získaná a vyhodnocována statistika technických parametrů z provozu 36 stanic na podkladě sofistikované optimalizace pro vytápění budov v Praze i mimo Prahu na principu směšovacích uzlů a také s deskovými výměníky za dobu cca 12 let. K nim se řadí i několik stanic s ohřevem vody.

Literatura

[1] Návrh vyhlášky, kterou se stanoví zvláštní pravidla pro vytápění a dodávku teplé vody při předcházení stavu nouze nebo ve stavu nouze. Verze do připomínkového řízení (online). Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR. 9. 8. 2022 (cit. 2022-09-02). Dostupné z https://bit.ly/3RjKuww>.
[2] BAŠTA, J.: Otopné plochy. Vydavatelství ČVUT, 2001. 328 s. ISBN 80-01-02365-6.
[3] GALÁD V.: Teplotní stabilita. Topenářství instalace, 2022, roč. 56, č. 1, s. 32–34. ISSN 1244–0906. Dostupné z http://bit.ly/3GyM9MW>.

---

Naive “strangulation” of heating systems

In its 1st part, the author of the article describes the functional difference between hydraulic balance and regulation of heating system. Hydraulic balance is a static setting of required Kv values of the relevant fittings, which are in operation without human intervention already unchangeable. Regulation is a dynamic process in operating conditions, ensured by valves with drives designed for this purpose.
Which implies that in practice the commonly used word “regulation” for the purpose of adjusting the system is incorrect and misleading, as it cannot meet the requirements that are often presented to the nonexpert public.

In the 2nd part of the article, the problems caused by quantitative regulation at the entry point of the heating system, the socalled flow throttling, are described.
Not only does this method of regulation by throttling at the entry point of the system improperly regulate the current required heat output, but at the same time it destroys the hydraulic balance function of the system – hydraulic balance and also regulation fittings get often out of their range.The entry point of any heating system with heating elements should be equipped with qualitative regulation, i.e. heating water temperature regulation – e.g. according to the equithermal curve determined exactly according to the conditions of the given heated object.

Keywords: regulation of heating systems, hydraulic balance of heating systems, flow rate, pressure difference, temperature difference.