Proč ani u nových domů nefunguje cirkulace teplé vody – 1. část

Pro vyvažování cirkulačních okruhů se používají termostatické vyvažovací ventily. Projektant se často domnívá, že vyvažovací ventily vše vyřeší a není třeba se zabývat výpočty cirkulačních okruhů teplé vody, případně použije profesionální výpočtový program. Použití termostatických vyvažovacích ventilů, ani profesionálního výpočtového programu, nezaručuje uspokojivý výsledek.
Autor článku uvádí jednoduchou a spolehlivou metodu pro návrh cirkulačního rozvodu teplé vody. Upozorňuje a vysvětluje příčiny poruch cirkulačních okruhů teplé vody, kterých se projektanti a zhotovitelé často dopouštějí.

Recenzent: Jiří Matějček

Z nadpisu článku je první pohled patrné, že se nedostatečná cirkulace teplé vody (TV-C) zdaleka netýká jen starších bytových domů. TV-C obvykle funguje jen v jedné části domu, a to té, která je blíž ke zdroji ohřevu vody. Příčin, proč tomu tak je, je celá řada. Možná jednou z těch hlavních může být obsah rozpuštěného vzduchu ve vodě, který se po ohřevu projeví ve formě bublinek a díky chybám v provedení rozvodu teplé vody (TV) tyto již nepůjde odstranit. Ani další příčiny, kterých není málo, nemají zanedbatelný vliv na špatnou funkci cirkulace TV. A právě o nich pojednává tento článek.

A co navíc? Je zde uvedena jiná metoda pro návrh cirkulačního rozvodu TV, která je podstatně jednodušší, než metoda zavedená normami a do značné míry eliminuje většinu příčin, které poškozují funkci TV-C.

Vzduch v cirkulačním okruhu

Studená voda (SV) s teplotou 10 až 15 °C používaná k ohřevu, obsahuje 22 až 29 litrů vzduchu na 1 m³. Obsah rozpuštěných plynů ve vodě závisí na její teplotě a na tlaku plynů (Henryho zákon). Čím vyšší teplota vody je, tím méně plynu je voda schopna převzít. Stačí ohřát vodu na teplotu okolo 50 °C a začnou se objevovat první bublinky. Nejsou to bublinky jen vodní páry, ale převážně plyny rozpuštěné ve vodě. S klesajícím tlakem rozpustnost plynů ve vodě klesá. Více bublinek se vylučuje v nejvyšších místech rozvodu, kde je nejnižší hydrostatický tlak. Další vzduch se u ohřívané vody dostává z plastového rozvodu difuzí.

Po montáži je v rozvodu TV-C jen vzduch. Po napuštění rozvodu vodou a zahájení provozu je na každých 100 m³ studené vody přivedeno i 2900 l vzduchu – kontinuálně. Při dokonale vyspádovaném potrubí se dá vzduch z vody eliminovat jen vypouštěním u nejvyšších odběrných zařízení TV. Pokud není byt v nejvyšším podlaží obydlen, pak trvale přibývající vzduch přeruší cirkulaci TV ve stoupačce. Domněnka, že pokud voda vypouštěná u paty stoupačky neobsahuje bublinky, není zavzdušněná ani stoupačka, je naprosto mylná. U paty stoupačky je vzduch díky vyššímu hydrostatickému tlaku ještě rozpuštěn ve vodě.

Pohyb teplé vody v rozvodu

Od zdroje přípravy TV, obvykle od akumulační nádoby ve zdroji tepla, se TV rozvádí ležatým rozvodem k jednotlivým stoupačkám. Od stoupaček jsou přes vodoměr TV napojena jednotlivá odběrná zařízení TV v bytech. Přívodní potrubí TV vytváří otevřený okruh, u kterého průtok vzniká na základě rozdílu přetlaku vody 4–6 bar (400–600 kPa) a atmosférického tlaku vzduchu při otevření odběrného zařízení. Současně s vodou se při výtoku vody odvádějí i bublinky plynů. Ty se v potrubí pohybují vždy ve směru proudění TV.

To je zásadní rozdíl oproti cirkulačnímu okruhu, který je okruhem uzavřeným. Funkce TV-C se posuzuje zásadně v době, kdy není odběr vody, například v noci.

Pohyb TV v cirkulačním potrubí je dán rozdílem tlaku před a za cirkulačním čerpadlem. Postačující tlakový přínos od cirkulačního čerpadla je nejčastěji 15 až 40 kPa. Představa, že by tlak cirkulačního čerpadla dokázal unášet plynové bublinky ve vodě je opět mylná. Zejména u stoupaček, kde by plyny měly být unášeny proti směru proudící vody. Zkuste ponořit prázdnou plastovou lahev s uzavřeným vzduchem 0,5 m pod vodní hladinu – ­například v bazénu. Zjistíte, že to není možné. Ani v bazénu, ani například u 24 m dlouhé cirkulační stoupačky.

Ukončení rozvodu TV-C

Z potrubí TV na konci stoupačky má nejdříve odbočit cirkulační potrubí a o něco výš pak odbočit potrubí k vodoměru TV. Pokud je tomu opačně, pak se cirkulace zavzdušní a nebude fungovat ani v jednom z nižších podlaží.

V případech, kdy není byt v nejvyšším podlaží dlouhodobě užíván, pomůže propojení potrubí TV-C s uzávěrem o jedno podlaží níž. Pokud se byt v nejvyšším podlaží začne znovu užívat, postačí uzávěr mezi potrubím TV a cirkulací o patro níž uzavřít. Tím se obnoví funkce cirkulace i v posledním podlaží.

Cirkulační průtok

Jsou dva způsoby, kterými je možné se dopracovat k velikosti cirkulačního průtoku. Ten první spočívá ve výpočtu podle normy.

Výpočet závisí na přesnosti zadaných vstupních podkladů, jakou je například součinitel tepelné vodivosti izolace (nemusí být splněn), tloušťce tepelné izolace ležatého rozvodu (nemusí být splněn), tloušťce tepelné izolace stoupaček (nemusí být splněn), teplota TV v cirkulačním potrubí (nemusí být splněna), teplota okolí u ležatého rozvodu (nemusí být splněna), teplota okolí v šachtách u stoupaček (nemusí být splněna) až po nezapočtení podílu zhoršení tepelné izolace vlivem tepelných mostů při upevňovaní plastového potrubí ocelovými úchyty k betonovému stropu vodorovného rozvodu.

Předem je potřeba říct, že programy na výpočet TV-C jsou matematicky v pořádku. Problém spočívá v množství vstupních údajů, jejichž větší část se odhaduje, aniž by mohla být předem ověřena v praktickém provozu.

Výsledkem výpočtu podle programu jsou tak malé tepelné ztráty v okruhu TV, že při dodržení normy o maximálním teplotním spádu 5 K mezi TV-C, ze kterého se průtoky počítají, budou dimenze cirkulačního potrubí o čtyři, nebo i o pět dimenzí menší, než jsou dimenze potrubí TV.

Čemu to může vadit? Při montáži se instalují prakticky jen kluzná uložení pro větší dimenze potrubí TV. Pro cirkulační potrubí kluzná uložení chybí, potrubí se výškově zvlní, v nejvyšších místech zůstane uzavřen plyn, který sníží již tak ­nedostatečný průtočný průřez a cirkulace přestane pracovat. Bez možnosti nápravy.

Autor tohoto článku vypracoval zcela jiný postup výpočtu cirkulace TV, u kterého se dá spolehnout na bezchybnou funkci. To za splnění několika předpokladů:

• Trvale konstantní teplota TV na výstupu z ohřevu. Dá se zajistit přednostní přípravou TV před vytápěním a instalací nabíjecího čerpadla v obtoku akumulační nádrže.
• První pevné body budou instalovány na patách stoupaček tak, aby cirkulační potrubí mohlo dilatovat jen směrem nahoru a vzduchové bublinky měly možnost uniknout přes výtokové armatury.
• Mezi navrženými pevnými body bude vyznačen spád potrubí.
• Kluzná uložení budou instalována ve vzdálenostech pro cirkulační potrubí, tedy ne pro větší potrubí TV.
• Přípojné cirkulační potrubí ke stoupačkám bude napojeno výhradně z horní strany ležatého cirkulačního potrubí.

Je nezbytné zmínit, že takový postup není v normách popsán. V praxi však dosahuje bezkonkurečně lepších výsledků než u postupu podle ČSN norem.

Výpočet průtoku, dimenzí potrubí TV-C a nastavení teploty termostatických vyvažovacích ventilů pomocí měrného cirkulačního průtoku na jedno odběrné zařízení TV

Dimenze potrubí TV-C se dají počítat i jiným způsobem, bez výpočtu tepelných ztrát rozvodu TV s množstvím zadávaných hodnot s různou nepřesností a často s pochybným výsledkem. Stačí si v Exelu vytvořit tab. 1.

Je potřeba zadat jen 4 vstupní hodnoty. Všechny hodnoty jsou exaktní – nejsou závislé na odhadu, na přesném výpočtu z nepřesných hodnot ani na způsobu instalace podle povědomí instalatéra, který často musí pracovat bez podkladů.

Jaké jsou ty čtyři hodnoty?

1. Průměrný jmenovitý průtok na jedno odběrné zařízení TV qi [l·s^–1]. Obvyklá hodnota 0,2.
2. Průměrný cirkulační průtok na jedno odběrné zařízení TV. Doporučená hodnota 7–10 l·h^–1. pro jedno odběrné místo. Nejlepší výsledky jsou s hodnotou 10 l·h^–1. Hodnoty menší jak 7 l·h^–1 vedou k většímu rozdílu dimenzí mezi potrubí TV a TV-C, při kterých nebývá cirkulační potrubí podepřeno a vytváří místa, která se nedají odvzdušnit.
3. Doporučená rychlost proudění v potrubí TV. Pro plastové potrubí v rozmezí 1,5–3,0 m·s^–1. Doporučená hodnota 3,0 m·s^–1.
4. Doporučená rychlost proudění v cirkulačním potrubí. Pro ­plastové potrubí v rozmezí 0,5–0,7 m·s^–1. Doporučená hodnota 0,7 m·s^–1.

Dimenze cirkulačního potrubí jsou, s výjimkou nejnižšího počtu odběrných zařízení (menšího jak 10), obvykle jen o dvě (někde o jednu) dimenzi menší, než je dimenze potrubí TV. U většího počtu odběrných zařízení mohou být obě dimenze stejné.

Při praktickém posuzování většího množství nefungujících systémů rozvodu TV-C bylo zjištěno, že cirkulační potrubí bylo vždy o 4 nebo i o 5 dimenzí menší, než bylo potrubí TV.

Kluzná uložení byla ovšem vždy jen ve větších vzdálenostech pro potrubí TV. Díky chybějícímu uložení pro menší dimenze cirkulačního potrubí došlo po napuštění a ohřevu vody k jeho zvlnění, někdy až o 20 cm! V místech podpěr potrubí, kde byl vždy nejvyšší bod zvlněného potrubí, zůstal uzavřený vzduch, který nebylo možné odstranit. Snížení průtočného průřezu vedlo k vyšším tlakovým ztrátám, které nebylo možné eliminovat ani nejsilnějším cirkulačním čerpadlem.

Je zajímavou skutečností, že v dobách dávno minulých, kdy ještě neexistovaly vyvažovací ventily, doporučovala ČSN dimenzi cirkulace navrhovat jen o dvě dimenze menší, než bylo potrubí TV. Díky tomu cirkulace fungovala i bez vyvažovacích ventilů. Tab. 1 je svým způsobem návratem k osvědčenému řešení našich předků.

Výpočet di [mm] rozvodu TV s cirkulací

Výhodou předkládaného systému výpočtu je 100% funkčnost cirkulace TV ve všech případech, kdy budou kluzná uložení navržena pro menší dimenze potrubí TV-C, která se jen málo liší od vzdáleností uložení většího potrubí TV. Tím, že se cirkulační potrubí neprohne, nebudou na ležatém rozvodu zavzdušněná místa. Při napojení přípojek stoupaček z horní části potrubí TV může být plyn z TV trvale uvolňován, odváděn do stoupaček a vypuštěn při každém otevření nejvýše položeného odběrného zařízení TV.

Menší, a podle autora článku jedinou zanedbatelnou, nevýhodou nového způsobu výpočtu je větší dimenze cirkulačního potrubí. To se však ve srovnání s náklady na opravy a rekonstrukce nefunkčního cirkulačního okruhu jeví jako nevýhoda skutečně zanedbatelná.

Pokud by někdo pátral po tom, proč by měla být hodnota měrného cirkulačního průtoku například 10 l·h^–1 na 1 odběrné zařízení, a ne třeba jen 0,5, pak je to z důvodu, že existující vyvažovací armatury, jak statické, tak i termostatické nebyly konstruovány k tomu, aby zvládaly velmi malé průtoky.

Další využití tabulky 1

Tab. 1 můžeme využít i pro dimenzování celého ležatého rozvodu. A to pouhým zadáním počtu odběrných zařízení v jednotlivých úsecích rozvodu. Jen musíme dát pozor u stoupaček, kde má potrubí cirkulace jen jednu dimenzi. Pokud si do tabulky doplníme i délky úseků, máme ideální podklad pro výpis potrubí.

Dalším bodem, který musíme řešit, je teplota, na kterou bude potřeba nastavit všechny termostatické cirkulační vyvažovací ventily. Tuto teplotu zjistíme zadáním vstupních hodnot podle tab. 2.

Vstupními údaji pro výpočet je součet délek ležatého rozvodu a stoupaček. Snadno se získá buď z modifikované tab. 1, nebo z výpisu materiálu. Hodnota měrné tepelné ztráty ve W·m^–2 s rozmezím 36–42 W·bm^–1 vychází z praxe. Zahrnuje všechny dimenze potrubí s izolací, včetně tepelných mostů z uchycení potrubí. Počet odběrných zařízení je konkrétní číslo u každé akce. Teplotu TV ze zdroje doporučuji odsouhlasit s provozovatelem zdroje tepla a zdroje TV.

Ze vstupních údajů se vypočte pravděpodobná tepelná ztráta rozvodu TV, cirkulační průtok a výsledná teplota pro nastavení všech termostatických vyvažovacích ventilů.

Měrná tepelná ztráta rozvodu TV, v rozmezí 36–42 W bm^–1 potrubí, může někomu připadat příliš velká. Ovšem teplota 52 °C, tedy teplota jen o 3 K nižší, na patách stoupaček už tak velká není. Pokud bychom zadali například jen 14 W·bm^–1, pak teplota na patách stoupaček bude zcela nereálných 54 °C, tedy teplota jen o 1 K nižší, než je teplota na vstupu do rozvodu TV. A opět jsme u toho, že u prvních stoupaček bude požadavek na extrémní škrcení průtoku, aby se dostal cirkulační průtok i na poslední stoupačky. To ovšem armatury DN 15 nezvládnou, nebo jen s vysokou nepřesností. S nepřesností takovou, že se na poslední stoupačky opět žádný průtok nedostane.

Rada na závěr? Pokud projektant zdravotní techniky (ZT) tuto metodu použije k dimenzování rozvodu TV-C, může začít pracovat s doporučenými hodnotami. Při dalších akcích může laborovat s hodnotami nižšími až do doby, kdy začne cirkulační okruh kolabovat. Ony se na tom okruhu mohou projevit i jiné nepříznivé vlivy, které jsou s doporučenými hodnotami do značné míry potlačeny.

Vyvažování cirkulace TV

Dříve se rozvod TV s cirkulací vyvažoval výhradně ručními vyvažovacími ventily, které omezovali průtok do stoupaček bližších zdroji ohřevu. To byla významná výhoda oproti termostatickým vyvažovacím ventilům, které ztrácejí svůj smysl v případě, pokud se teplota TV na výstupu ze zdroje tepla ne­udrží na konstantní hodnotě, se kterou byl projektant předem seznámen a dodavatelem TV garantována.

U ručních vyvažovacích ventilů bylo potřeba spočítat tepelné ztráty rozvodu v potrubí TV, vypočítat cirkulační průtok a ten rozdělit mezi jednotlivé stoupačky. U jinak stejných stoupaček se průtok rozděloval tak, aby průtok u poslední stoupačky byl přibližně o 60 % větší než u stoupačky první. Jen tak se dalo dosáhnout stavu, kdy se teplota na patách cirkulací od sebe nelišila o víc jak 2–3 K.

Ruční vyvažovací ventily

Ruční vyvažovací ventily dodávají mnozí výrobci. Pokud projektant ZT spočítá tepelné ztráty rozvodu TV, cirkulační průtok a umí ho rozdělit mezi jednotlivé stoupačky a spočítat dimenze ventilů a Kv hodnotu každého ventilu na patě stoupačky, je téměř vyhráno.

V mnohých případech ale vyhráno zdaleka není. Častým případem bývá, že se nepočítá nic a vyvažovací ventil se chybně navrhuje v dimenzi podstatně větší, než by měla být, tj. v dimenzi cirkulačního potrubí. Pak je při cirkulačním průtoku tlaková ztráta na ventilu menší jak 3 kPa a měřicí přístroj se dostane do červených čísel, průtok se nedá změřit ani nastavit.

Pokud se nespočítá Kv hodnota ventilu u každé stoupačky, pak nemusí být vyvážení cirkulace možné. U jedné stoupačky však ano. Tam se dá cirkulační průtok podle měřicího přístroje nastavit (pokud není ventil předimenzován). S každým nastavením druhé a další stoupačky se ten původně nastavený průtok změní. Pokračování sy­stémem pokus/omyl nevede obvykle k cíli. Zejména proto, že se musí provádět v době bez odběru TV, tedy nejčastěji v noci.

Přitom odpovídající nastavení vyvažovacích ventilů podle vypočtené Kv hodnoty rozhoduje o tom, zda se cirkulační průtok v dostatečném množství objeví i u koncových stoupaček rozvodu.

Termostatické vyvažovací ventily a teplota na patách cirkulačních stoupaček

Když byly na trh uvedeny termostatické vyvažovací ventily, mohla řada projektantů ZT oslavovat tento den jako den vítězství nad cirkulačními rozvody TV. Že se však ve skutečnosti jednalo o Pyrrhovo vítězství, ukáží následující řádky.

Někdo by si mohl myslet, že osazením termostatického vyvažovacího ventilu na paty cirkulačních stoupaček se okruh sám nastaví do 100% funkčního stavu. Že TV procházející cirkulačním okruhem sama bude vědět, kterou stoupačkou a kolik vody má protéct.

Je na pováženou, když jsou o tom přesvědčení i projektant ZT. Jen obtížně se takovým odborníkům vysvětluje, že stejně jako u hlavice termostatického ventilu v případě vytápění, si uživatel bytu musí omezit vnitřní pocitovou teplotu sám. Stejně tak musí projektant ZT v projektu uvést, na jakou teplotu vyvažovací ventil cirkulace TV ­nastavit, aby mohl začít fungovat automaticky. Tovární nastavení na teplotu 58 °C očekávaný výsledek nepřinese, pokud je skutečná teplota v místě snímání nižší (prakticky vždy), ventil zůstane naplno otevřen a plní stejnou funkci, jako dříve plnil uzavírací kohout.

Jsou dány dva rozsahy nastavení teplot automatických ventilů. Jeden s rozsahem 50 až 65 °C, druhý od 35 (37) do 65 °C. Pokud se dají v systému TV-C očekávat problémy, tedy prakticky vždy, volba širšího rozsahu teplot je na straně větší pravděpodobnosti pro dosažení funkčního stavu.

Začínající projektant ZT by se mohl domnívat, že když pro výpočet použije za nemalé peníze pořízený profesionální výpočtový program, bude cirkulace fungovat. Většinou tomu tak není. Program nemůže zohledňovat všechna slabá místa ležatého rozvodu, kde se bude hromadit vzduch a omezovat cirkulační průtok. Pro zajištění funkce cirkulace zbývá maličkost – dodržet montážní předpis.

---

Why hot water circulation does not work even with new houses – Part I.

Thermostatic balancing valves are used to balance the circulation circuits. Designers often believe that balancing valves will solve everything and there is no need to deal with calculations of hot water circulation circuits, or use a professional calculation program.

However, the use of thermostatic balancing valves or a professional calculation program does not yet guarantee a satisfactory result.

The author of the article presents a simple and reliable method for design of a circulating hot water distribution. At the same time, he draws attention to and explains the causes of faults in hot water circulation circuits, which are often committed by designers and contractors.

Keywords: hot water circulation, circulation distribution design, circulation flow, dissolved gases, oxygen, nitrogen, hydrostatic pressure, hot / cold water distribution, pipe dimensions, thermostatic balancing valves, consumption point

DOKONČENÍ PŘÍŠTĚ