Příčina hydronického hluku v otopné soustavě a jak ho odstranit

Autor v příspěvku shrnul své mnohaleté zkušenosti s chováním stávajících otopných soustav po osazení termostatickými ventily a případně i indikátory topných nákladů v našich konkrétních podmínkách, kdy jsou zákonitě na jeden zdroj tepla napojeny objekty s různou mírou ­realizovaných opatření směřujících k úspoře tepla (zateplení, výměny oken apod.). Poukazuje na to, jak významně se projevuje změna průtoku otopnou soustavou na výsledném tlakovém rozdílu zpracovávaném v termostatickém ventilu se všemi důsledky z toho plynoucími. V závěru příspěvku se autor zabývá stanovením optimální topné křivky pro zateplený objekt zcela novým způsobem, kdy požadované teploty otopné vody vypočítává z již reálné hodnoty tepelné ztráty objektu před jeho zateplením.

Recenzent: Zdeněk Číhal

Souvislost mezi hydronickým hlukem v otopné soustavě a teplotou otopné vody nebyla do dnešních dnů dostatečně prozkoumána. Pojmem „hydronický“ je myšlen specifický hluk, který se odlišuje svou příčinou od ostatních hluků, jako jsou hluky od dilatace potrubí, od oběhových čerpadel, stavebních konstrukcí, nesprávně odvzdušněné soustavy, armatur nebo od nadměrného průtoku. Co je ale ta hydronika? Podívejme se do slovníků.

Hydronika

Kolem pojmu hydronika se již dlouhou dobu vyskytují nejrůznější nejasnosti. Je to stejné, jako „hydraulika“? Nebo není?

Definice hydrauliky:

Hydraulika se zabývá mechanickými vlastnostmi tekutin v otevřených i uzavřených systémech a jejich působením na tuhá tělesa.

Definice hydroniky není tak jednoznačná, protože se časem měnila.

1. Podle Free dictionery:
   Hydronický systém se vztahuje k systému topení nebo chlazení při kterém transport tepla probíhá prostřednictvím uzavřeného potrubního systému topení nebo chlazení.
2. Podle slovníku Webster:
   Hydronický systém se týká systému topení nebo chlazení, který vyžaduje přenos tepla pomocí cirkulace tekutiny (vody nebo páry) v uzavřeném potrubním systému.
3. Nejmodernější definice:
   Hydronika je pojem pro užití vody jako teplonosného média v topných nebo chladicích systémech.

Otopná soustava s oběhovým čerpadlem je tak součástí hydroniky. Hluk v otopné soustavě s oběhovým čerpadlem, vznikající interakcí otopné vody s armaturami, můžeme proto zkráceně, a možná i výstižněji, označit hlukem hydronickým.

Z historie otopných soustav

Otopná soustava v původních panelových domech byla navrhována převážně pro teplotní parametry 92,5/67,5 °C. Oběhová čerpadla v centrálním zdroji tepla byla často a zcela vědomě předimenzovaná. Bylo to z důvodu, že neexistovaly vyvažovací armatury, pomocí kterých by bylo možné dostat průtok v požadovaném množství až na konec topného okruhu. Objekty, které byly v menší vzdálenosti od zdroje, pak obdržely průtok dva i třikrát větší, než bylo potřeba.

Tenkrát používané radiátorové armatury, dvojitěregulační kohouty, měly tak velký průtočný průřez, že ani nadměrný průtok nezpůsobil nějaké podstatné zvýšení tlakové diference, které by mohlo způsobit hluk.

Osazování termostatických ventilů (TRV)

Po zavedení termostatických ventilů se situace změnila. Zvýšený průtok dal o sobě vědět hlukem. Jeho pravou příčinou byla zvýšená tlaková diference na termostatickém ventilu v kombinaci s nedobře odvzdušněnou otopnou soustavou. Začaly se navrhovat regulační armatury, které si s tímto problémem měly poradit. Podle dodnes platné terminologie se tomu říkalo „hydraulicky“ vyregulovat otopnou soustavu domu.

Na jeden topný okruh byly tenkrát napojeny domy s původními dvojitěregulačními kohouty, objekty s termostatickými ventily i objekty jak s TRV, ale i s hydronickou regulací stoupaček.

V období mezi jednotlivými časovými fázemi docházelo k „přelévání“ průtoku od jedněch k druhým, se vznikem hluku.

Od nadprůtoku k podprůtoku

Když se začaly ve větší míře uplatňovat indikátory topných nákladů, přestalo se přebytečné teplo odvětrávat okny. Začaly se uzavírat hlavice termostatických ventilů. Nejenom na noc, ale i ve dne. Nejenom v jednom pokoji, ale v celém bytě. Nejenom v době pobytu, ale i v době zimní dovolené nebo při odchodu do práce. Nemalá část bytů se nechala částečně vytápět svými sousedy přes nedostatečně tepelně izolované dělicí konstrukce jednotlivých bytů.

Uzavře-li více uživatelů bytů svoje otopná tělesa, je po jejich znovu­otevření v bytech chladno. Toto chladno v bytech, jehož příčinou není vadná otopná soustava, ale změna chování uživatelů bytů, na kterou nebyla otopná soustava navržena, vede uživatele bytů, společenství vlastníků i bytová družstva k požadavku na zvýšení teploty otopné vody na vstupu do otopné soustavy. Pokud se teplota otopné vody zvýší nad míru uspokojivé funkce otopné soustavy, klesá průtok o několik desítek procent. Současně s tím klesají tlakové ztráty ve vodorovném rozvodu tepla v domě až k hodnotě cca 6 %.

Oběhové čerpadlo v předávací stanici tepla, často i v dnešní době bez regulace otáček, zvyšuje tlakový přínos čerpadla. Rozdíl mezi tlakem čerpadla a tlakovou ztrátou ve vodorovném rozvodu tepla se přenáší na zbývající otevřené termostatické ventily. Tyto ventily nejsou schopny tak velký tlakový rozdíl zpracovat bez hluku. Objevil se nový pojem v teorii otopných soustav – „hydronický“ hluk, hluk od podprůtoku ve vodorovném rozvodu a nadprůtoku, který působí jen na některé termostatické ventily.

Uchopení pojmu „hydronický“ hluk

Připouštím, že pojem „hydronického hluku“ není snadno pochopitelný. Může nám pomoc představa zahradní hadice napojené na zahradní ventil, který pro nás představuje stabilizovaný zdroj tlaku studené vody. Delší hadicí přivedeme vodu k rozdělovači, na který napojíme, přes dva uzávěry, dvě další hadice, obě stejného průměru a stejné délky. Nyní otevřeme zahradní ventil a na rozdělovači pustíme vodu do obou hadic. Co se stane? Obě hadice stříkají přibližně stejně daleko.

Nyní jednu z hadic na rozdělovači uzavřeme. Co se stane? Proud vody z druhé hadice se zvětší, voda začne stříkat dál. Proč, když původní tlak zůstal stejný?

Příčinou je snížení tlakové ztráty ve společné části přívodu vody do rozdělovače, neboť touto částí protéká menší množství vody, než když voda vytéká oběma hadicemi. Toto snížení tlakové ztráty umožnilo zvýšení tlaku do druhé hadice a její delší dostřik. Obdobné je to i u otopné soustavy, u které klesne průtok, například na polovinu, vlivem uzavření jedné poloviny radiátorových ventilů.

Jak se mění tlaková ztráta v rozvodu a tlak působící na TRV, u čerpadla provozovaného na konstantní tlakovou diferenci, je vidět v následující tabulce 1. Průtok je uveden jako bezrozměrné číslo, kdy 1 = 100 %.

Tlaková ztráta ve vodorovném rozvodu tepla klesá z původní hodnoty 40 kPa postupně až na 2,5 kPa.

Oproti tomu tlakový rozdíl, působící na TRV, stoupá z původních 5 kPa až na 42,5 kPa.

Hranice tlakové diference, kterou může termostatický ventil bez hluku zpracovat je, podle podkladů výrobce, u dokonale odplyněné vody, v rozmezí 28 až 30 kPa. Problém je v tom, že „dokonale“ odplyněná otopná voda se v otopných soustavách obvykle nevyskytuje.

Se stejným problémem se často setkáváme u domů po zateplení, u kterých zůstane stejná teplotní křivka jako před zateplením.

Vlivy, které přispívají ke vzniku hydronického hluku

Kombinace indikátorů topných nákladů, u zatepleného objektu, s teplotou otopné vody před zateplením, často i s nefunkční směšovací stanicí, je noční můrou projektantů vytápění i uživatelů bytů.

Na druhou stranu vytváří široké pole působnosti pro amatérské zásahy nejenom instalatérských nebo topenářských firem, ale i některých projektantů.

Příčiny nadměrné teploty otopné vody

Navýšená teplota otopné vody, která způsobuje přetápění objektu, bývá většinou způsobena:

• centrální regulací teploty otopné vody pro všechny objekty na jednom topném okruhu,
• chybným zapojením směšovací stanice s trojcestným ventilem, na který působí diferenční tlak, umožňující funkci regulace teploty otopné vody jen v úzkém pásmu zdvihu ventilu 0–30(50) %. Nad tímto zdvihem je již teplota otopné vody stejná jak před, tak i za regulační armaturou,
• nevhodným nastavením topné křivky,
• nepřesnými vstupními údaji pro výpočet topné křivky.

Následky nadměrné teploty otopné vody

Uzavírání termostatických ventilů nad míru jejich očekávané funkce je způsobeno:

• uzavíráním termostatických hlavic, které se snaží odbourat tepelné zisky od vlastní otopné soustavy,
• změnou chování uživatelů bytů, zejména po instalaci indikátorů topných nákladů,
• zcela chybějící, nebo ne zcela dobře fungující, směšovací stanicí u zateplených objektů,
• vyslyšením volání po zvýšení teploty otopné vody od těch uživatelů bytů, kteří uzavírají termostatické hlavice při každém odchodu z bytu.

S klesajícím průtokem klesá s druhou mocninou i tlaková ztráta rozvodů tepla a současně se v různé míře zvyšuje tlakový přínos oběhového čerpadla. Rozdíl tlaku mezi nimi se následně přenáší na termostatický ventil, v míře překračující hranici pro bezhlučný provoz. Potlačit, nebo odstranit hluk v otopné soustavě vám může pomoci, s největší pravděpodobností, jen projektant, který má zkušenosti s otopnými soustavami.

Klasické zaregulování otopné soustavy je podmínka nutná, nikoliv postačující. Pokud se generuje hluk i u otopných soustav, které jsou ošetřeny podle všech obvyklých požadavků (průtok, diferenční tlaky), pak se i zkušený projektant ptá sám sebe, čím by to mohlo být. Ukažme si nejprve na několika případech, kudy cesta nevede.

Ne všechny pokusy o omezení hydronického hluku jsou úspěšné

Příklad č. 1 – snižování průtoku u nezatepleného objektu

Prvním pokusem na cestě poznání je pokus snížit celkový průtok armaturou na vstupu do otopné soustavy. Takový zásah, na jedné straně problém s hlukem dočasně potlačí, na druhé straně jiný, závažnější problém, může způsobit. Je přitom jedno, zda byly stoupačky mezi sebou vyregulovány statickou nebo dynamickou armaturou. V obou případech dochází ke snížení stupně hydraulické stability otopné soustavy s možným nedotápěním vzdálenějších stoupaček.

Tento, z hlediska hluku dočasně příznivý stav, bude trvat jen do změny venkovní teploty, kdy se změní též teplota otopné vody směrem k vyšším hodnotám a zásah se vstupní armaturou se může opakovat.

Příklad č. 2 – snižování průtoku u zatepleného objektu

Předpokládejme objekt, který byl dodatečně zateplen. Tepelné ztráty se podle výpočtu snížily například o 30 %. Je tak potřeba snížit i výkon otopné soustavy. Buď zmenšením otopné plochy, to je méně častý případ, nebo snížením teploty otopné vody v převažujících případech, když otopná plocha zůstane zachována.

Pokusy snížit výkon otopné soustavy snížením průtoku nevedou k cíli. Proč? Naruší se hydronické vyregulování soustavy. Pokud se nemění otopná plocha, je potřeba zachovat původní průtok. Představme si nyní nezateplený objekt, který má v technické zprávě původního projektu uveden výkon otopné soustavy, například 200 kW. V tabulce 2 jsou uvedeny všechny údaje s tímto stavem související.

Kde je:

• QN [kW] Instalovaný výkon otopné plochy
• tw1 [°C] Teplota otopné vody na vstupu do soustavy
• tw2 [°C] Teplota otopné vody na výstupu ze soustavy
• tw1N – tw2N [K] Projektovaný teplotní rozdíl
• twmN [K] Logaritmický rozdíl teplot voda–vzduch
• tiN Výpočtová teplota vzduchu ve vytápěném prostoru (22 °C)
• mwN [kg/s] Jmenovitý průtok otopné vody

Jak to dopadne u domu po zateplení, pokud se sníží průtok je vidět z tabulky 3.

Kde je:

• QN [kW] Tepelné ztráty po zateplení
• mw [kg/s] Průtok otopné vody

Snížení průtoku na hodnotu 68 % původního průtoku vede ke snížení původních tlakových ztrát na hodnotu 46 %. Stav vyvážené otopné soustavy se tím dostal do stavu soustavy nevyvážené. Chybou bylo ponechat původní teplotní spád 25 K.

Příklad č. 3 po zateplení s tepelnou ztrátou o 30 % menší

Uveďme příklad domu, který má po zateplení tepelnou ztrátu o 30 % menší, tedy 140 kW. Protože otopná plocha zůstává v tomto případě stejná, zachová se původní průtok 1,9 kg/s. Co se stane?

Klesne nám teplotní spád otopné vody z původních 25 K na 17,5 K, viz tabulku 4.

Průtok i teplotní spád je už nyní v pořádku.

Můžeme vypočítat střední teplotu otopné plochy i teplotu v přívodu podle vztahu:

Teplota v přívodu

ve zpátečce 61 °C. Je to tak správně? Ještě ne.

Porovnejme právě vypočtenou teplotu otopné vody po zateplení domu 78,5 °C s nejvyšší vstupní teplotou otopné vody, se kterou pracovala soustava ještě před zateplením. Pokud to nevíme, můžeme se dotázat správce oblasti našeho dodavatele tepla. Obvykle se teplota otopné vody, podle lokality, pohybuje v rozmezí od 62 °C do 76 °C. Pro další výpočet byla zvolena teplota otopné vody 73°C (–12 °C).

Vidíme, že vypočtená vstupní teplota vody po zateplení 78,5 °C je vyšší, než byla teplota pro ještě nezateplený objekt a dům byl ještě přetápěn. Stále je někde chyba. Víte kde?

Tepelné ztráty a skutečná potřeba tepla pro vytápění domu

Někdo by se mohl domnívat, že tepelná ztráta domu, výkon otopných těles a potřeba tepla pro vytápění jsou přibližně stejné hodnoty. Není tomu tak. Zatímco výkon otopných těles u nepřerušovaného vytápění je přibližně stejný, jako je vypočtená tepelná ztráta domu, skutečná potřeba tepla domu je menší.

Rezervy ve výpočtu tepelných ztrát a vliv nesoučasnosti spolupůsobení jednotlivých faktorů na tepelnou ztrátu domu jsou příčinou, proč je skutečná potřeba tepla menší, než je ta vypočtená. Nejen o několik procent, jak ale uvidíme dále, i o několik desítek procent.

Skutečná potřeba tepla objektu před zateplením

Skutečný výkon otopné plochy zjistíme z instalovaného výkonu podle tabulky 2 přepočítáním vstupní teploty otopné vody podle projektu (92,5 °C) na v praxi ověřenou teplotu, například 73 °C. Skutečnou potřebu tepla objektu před zateplením, vidíme z tabulky 5.

Příklad č. 4

Vyjdeme-li ze skutečné teploty otopné vody 73 °C při venkovní výpočtové teplotě –12 °C, pak je přepočtený teplotní spád 16,7 K a skutečná potřeba tepla domu před jeho zateplením jen  33,4 kW (namísto původních 200 kW při vstupní teplotě otopné vody 92,5 °C). Nyní se podíváme na potřebu tepla po zateplení domu.

Skutečná potřeba tepla domu po zateplení

Snížení tepelných ztrát, deklarované stavebním projektem na zateplení o 30 %, budeme vztahovat ke skutečné potřebě tepla (133,4 kW) podle tabulky 5. Výsledky jsou v tabulce 6.

Skutečná potřeba tepla domu po zateplení je 93,4 kW, nikoliv 140 kW dle předchozího textu.

Pokud bychom přepočet 30 % úspory tepla vztahovali na výkon otopné soustavy 200 kW, pak by se nám výkonová rezerva z výpočtu tepelných ztrát přenesla i do výpočtů pro zateplený objekt. Hodnoty z tabulek 5 a 6 jsou již reálné a umožňují výpočet topné křivky.

S pravděpodobností hraničící s jistotou se dá očekávat, že topná křivka zatepleného domu s teplotními parametry otopné soustavy 60/48 °C, zcela vyloučí vznik hydronického hluku.

Co dodat závěrem?

Pokud se v domě zjistí hydronický hluk, je potřeba zjistit, zda je dům přetápěn. Někdy postačí vypozorovat počet otevřených, nebo poote­vřených oken na fasádě domu, když je co nejvíce uživatelů bytu doma. Jestliže je dům přetápěn, ověříme si, zda je předávací stanice tepla v domě, nebo mimo dům.

U zdroje tepla mimo dům, pomůže jen vlastní předávací stanice tepla. Pokud je předávací stanice tepla tlakově závislá a nachází se přímo v objektu, přicházejí v úvahu možnosti:

1. Instalována je směšovací stanice s přímým regulačním ventilem a směšovacím zkratem, potom ve většině případů postačí snížit topnou křivku na základě předchozích výpočtů.
2. Pokud je v domě instalována směšovací stanice s trojcestným směšovacím ventilem, pak nám snížení topné křivky může pomoci jen v omezené oblasti otevření regulační armatury v rozmezí cca 30 % až 50 % zdvihu směšovacího ventilu. Nad touto hodnotou bude dům, z dříve publikovaných důvodů přetápěn, s vysokou pravděpodobností vzniku hluku.
3. Jinou možností obnovení regulační funkce stanice s trojcestným směšovacím ventilem je snížení tlakové diference před regulační armaturou k nulové, nebo téměř nulové hodnotě.

Hydronický hluk můžeme v domě nejenom identifikovat, ale také odlišit od všech ostatních hluků, pomocí měření průtoku na vyvažovací armatuře, nebo na měřiči tepla na sekundární straně stanice. Pokles průtoku pod polovinu jmenovité hodnoty může přivodit nárůst tlakové diference do té míry, nad kterou se může začít generovat hydronický hluk.

Závěr

V tomto článku jste se dozvěděli o skutečnostech, které souvisejí se vznikem hydronického hluku v otopných soustavách. Je popsáno několik neúspěšných pokusů, které se pokouší takový hluk řešit. Je jen jedna možnost, jak hydronický hluk odstranit. Umožnit regulaci, ve vhodně navržené předávací stanici tepla, snížit topnou křivku na hodnotu, která odpovídá fyzikálním zákonům vytápění.

---

Cause of noise in the hydronic heat­ing systems and how to remove it

Author summed up his long expe­rience with the behavior of existing heating systems with thermostatic valves. He shows the changes caused by valvesg. In the conclusion, the author deals with the determination of optimum heating curve for the insulation of building an entirely new way, the required heating water temperature has been calculated on the fair value of the heat loss of the building before its insulation.