Teoretické a praktické úspory tepla panelových domů po jejich zateplení – 2. část

Druhý díl analýzy úspor při zateplení panelových objektů se zabývá praktickým provedením směšovacích stanic po zateplení objektů. Zde stojí zejména za zamyšlení, že správně navržená a provedená otopná soustava včetně směšovací stanice vykazuje návratnost investic o jeden až dva řády kratší, než prosté zateplení objektu. Autor rozebírá provedení s dvou– i třícestným ventilem s důrazem na potřebu provést gramotný návrh na základě rozumných podkladů nebo provedení takových technických opatření, aby byla co nejvíce eliminována nejistota vstupních dat.

Recenzent: Jiří Doubrava

Doba návratnosti směšovací stanice po zateplení

Investiční náklad na směšovací stanici posuzovaného objektu vychází, podle mých zkušeností, včetně montáže a 20 % DPH do 150 tis. Kč. V takovém případě lze dosáhnout velmi krátké doby návratnosti až 1,2 až 1,5 let.

Doba návratnosti směšovací stanice je oproti zateplení objektu řádově někde jinde. Je cca 60 až 100× nižší, než u zateplovacích systémů. Jinak řečeno, vyplatí se, a do 2 let začne vydělávat. Je to důvod k zamyšlení pro správce, a na tomto místě uveďme, nejenom zateplených objektů.

I nezateplené objekty mohou mít problémy s přetápěním. Tím hlavním důvodem je skutečnost, že teplota otopné vody je ve zdroji tepla regulována tak, aby vyhovovala nejvzdálenějšímu, dosud nezateplenému objektu napojenému na danou síť CZT.

Technické řešení směšovací stanice

Pokud vyslovíme před odbornou veřejností pojem „směšovací stanice“, pak si většina přítomných představí stanici s trojcestným směšovacím ventilem. A právě trojcestný ventil může být, pokud projektant provede chybný návrh, nejméně vhodnou armaturou, a na tomto místě je nutné podotknout, i naprosto nevhodnou armaturou pro směšovací stanice v systému centralizovaného zásobování teplem. Ukažme si, proč tomu tak je.

Směšovací stanice s trojcestným ventilem

Při návrhu zapojení podle obr. 1 projektant většinou předpokládá, že tlakem zatížený vstup A nemá výrazný vliv na funkci směšovacího procesu (viz Návrh třícestného ventilu a jeho vliv na kvalitu regulace, Topenářství instalace č. 4/2004, str. 28–31).

Jednoduché schéma směšovací stanice s trojcestným ventilem je známé každému odborníkovi i poučenému laikovi a je zde uvedeno jen pro pořádek. Povšimněte si údaje o diferenčním tlaku, který je obvyklý na vstupu do stanice: 40 až 110 kPa:

Vstupní diferenční tlak má tendenci zvětšovat průtok v přímé cestě a snižovat ho ve směšovacím zkratu. Teplota po směšování se zvyšuje rychleji, než bychom to čekali podle stupně otevření ventilu. Se zastavením průtoku ve směšovacím zkratu se dosáhne za směšovacím bodem stejná teplota, jako je před ním, a to podstatně dříve než by se ventil naplno otevřel.

Chování směšovacího regulačního ventilu a otopné soustavy po zateplení budeme sledovat na konkrétním případě – pro jmenovitý průtok 3,6 m³/h (1,0 l/s) a spodní hranici tlakové diference 40 kPa pomocí volně šiřitelného programu pro návrh armatur z výrobního sortimentu LDM Česká Třebová. Tlaková ztráta otopné soustavy je pro ověření funkce směšovací stanice uvažována ve výši 20 kPa, pro trojcestný ventil si ponecháme tlakovou rezervu 10 kPa, tlak čerpadla navrhneme 31 kPa.

Program navrhnul ventil s Kvs hodnotou 12,5 m³/h a průtoky:

Výpočet

Z výpočtu vidíme, že průtok v cestě „B“ (ve směšovacím zkratu) se zablokuje již při zdvihu 55,9 %. Směšovací ventil nemůže pak plnit funkci, pro kterou byl navržen – snižovat teplotu otopné vody do zatepleného objektu. Navíc se do objektu dostává mnohem větší průtok – 5,7 m³/h namísto 3,6 m³/h se vstupní teplotou otopné vody o více jak 10 K vyšší. Může takto navržená směšovací stanice snižovat spotřebu tepla?

Jak bude pravděpodobně postupovat projektant po zjištění nefunkčnosti směšovacího ventilu?

Zkusí zvýšit tlakový přínos oběhového čerpadla, v prvním přiblížení o 10 kPa. Výsledek: Program navrhnul menší Kvs regulačního ventilu – 8,0 m³/h. Zdá se, že stanice začala fungovat, ovšem za cenu zvýšení spotřeby elektrické energie pro čerpadlo a za cenu výměny dimenze regulačního ventilu.

Víme ale, že diferenční tlak na vstupu do stanice není hodnota konstantní, ale kolísá. Co se stane v případě, když vzroste o pouhých 10 kPa? Průtok směšovacím zkratem se opět zablokuje v cca 91 % otevření ventilu.

Jak si může každý projektant ověřit pomocí volně dostupného programu, trojcestný směšovací ventil je za daných podmínek pro směšovací stanici často nevhodnou a nefunkční armaturou, byť se v praxi v tomto zapojení vyskytuje velmi často.

Trojcestný směšovací ventil je spolehlivou a funkční armaturou v jiných oblastech použití, například za hydraulickým vyrovnávačem diferenčního tlaku v kotelnách a ve všech zapojeních, kde před ventilem není tlaková diference. Trojcestnému ventilu nulová tlaková diference nevadí, jeho tlaková ztráta je hrazena oběhovým čerpadlem směšovaného okruhu.

Dalším důvodem k opatrnosti, při po­užití trojcestného ventilu u směšovací stanice, je neznalost skutečného diferenčního tlaku na vstupu do objektu a rozmezí jeho kolísání.

Naskýtá se otázka, zda je možné matematicky určit, za jakých tlakových poměrů k zablokování průtoku ve zkratu dochází. Označíme-li tlakový přínos čerpadla H a tlakovou ztrátu směšovacího ventilu dV, pak tlaková diference Dp, při které se zastaví průtok ve zkratu je:

Řešením, které omezuje nebezpečí spojené s použitím trojcestného směšovacího ventilu je:

Směšovací stanice s dvoucestným ventilem a směšovacím zkratem

Ani směšovací stanice s přímým regulačním ventilem a směšovacím zkratem není 100% imunní proti zablokování průtoku ve směšovacím zkratu. Tlaková ztráta regulačního ventilu je hrazena ze vstupního diferenčního tlaku (na rozdíl od zapojení s trojcestným ventilem, kdy je hrazena oběhovým čerpadlem v domě). Pokud zadáme tlakový přínos čerpadla přesně ve výši tlakové ztráty topného okruhu, pak získáme výsledek uvedený v následující tabulce.

Výpočet

K zablokování průtoku ve směšovacím zkratu dojde v 92,4 % zdvihu ventilu, tedy v oblasti, která se poměrně méně využívá.

K vyvážení tlakových poměrů vložíme do zkratu ventil s tlakovou ztrátou např. 5 kPa podle obrázku 3.

Provedený výpočet zvolil Kvs ventilu 6,3 a potvrdil správnost návrhu.

Bude tento návrh funkční i po změně vstupního tlaku? Nový výpočet provedeme pro tlakovou diferenci např. 80 kPa. Při těchto tlakových poměrech může být směšovací stanice funkční, změnila se ale Kvs hodnota regulačního ventilu z původní hodnoty 6,3 na hodnotu 4,0.

Co se stane, pokud ponecháme regulační ventil s původní Kvs hodnotou 6,3? Průtok ve zkratu se opět zablokuje při 70,9 % zdvihu a směšovací stanice se stane opět nefunkční.

Z provedených výpočtů je patrné, že funkční stav směšovací stanice můžeme zajistit jen stabilizací diferenčního tlaku na vstupu do objektu. Obvyklým řešením je návrh regulačního ventilu do přívodního potrubí a regulátoru tlaku do zpátečky – viz obr. 4.

Nevýhodou tohoto řešení může být opakované zavzdušňování otopné soustavy v případě, kdy není regulátor diferenčního tlaku namontován na stejné větvi jako regulační ventil.

Dojde-li v zapojení podle obr. 4 k uzavření regulační armatury, uzavře se vlivem zvýšeného diferenčního tlaku i regulátor. Pak je uzavřen přívod i zpátečka, topná větev není objemově kompenzována a po zchladnutí se zavzdušní. Zde by proto mělo platit pravidlo o umísťování obou regulačních prvků na stejnou větev, tj. jsou-li regulační ­armatury namontovány na zpátečce, na zpátečku patří i regulátor diferenčního tlaku a opačně.

Z uvedených výsledků výpočtů regulačních prvků směšovacích stanic je jasné, že najít směšovací stanici, která by byla funkční v celém rozsahu směšovaných průtoků je obtížné.

Řešením pro převážnou většinu případů, kdy není známa hodnota diferenčního tlaku na vstupu do objektu a zejména kolísání této tlakové diference jsou tzv. tlakově nezávislé regulační ventily, u kterých je zajištěna funkčnost stanice při správně nastaveném průtoku při jakýchkoliv změnách tlakové diference na vstupu do stanice až do hodnoty 400 kPa.

Průtok do směšovací stanice se stanoví z potřebného výkonu, teploty otopné vody na vstupu do stanice (která je stejná před i po zateplení objektu, např. 76 °C) a z teploty zpátečky z otopné soustavy (např. 43,1 °C dle tab. 9).

U tlakově nezávislých ventilů se dá vypočtený průtok nastavit. Tento průtok se pak nemění, i když se diferenční tlak na patě objektu zvýší i na mnohonásobek tlaku, se kterým se uvažovalo při návrhu regulačního ventilu.

Má-li se do budoucna dosahovat snížení spotřeby tepla v poměru snížení tepelných ztrát zateplených objektů, pak se bude muset změnit legislativa. Objekt žádající o dotaci by měl doložit, že má realizovanou směšovací stanici s přímým, tlakově nezávislým regulačním ventilem s možností nastavení průtoku nebo jinou s prokazatelně vyhovujícími vlastnostmi, měřicí protokol o hydronickém vyvážení otopné soustavy a na otopných tělesech termostatické ventily s nastavením ventilových spodků, případně kombinaci termostatických ventilů a regulačních šroubení, a to podle realizační dokumentace.

Literatura

1. ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění a ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu
2. ČSN 07 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 2 Požadavky
3. Cihelka, J. a kol.: Vytápění a větrání. Praha, SNTL 1985.
4. Petitjean, Robert: L´équilibage hydraulique global
5. Program pro návrh armatur z výrobního sortimentu LDM Česká Třebová
6. Doubrava, J. – Suchánek, T.: Návrh třícestného ventilu a jeho vliv na kvalitu regulace, Topenářství instalace č. 4/2004, str. 28–31.
7. Firemní materiály firmy Hydronic Systems a LDM Česká Třebová

Poznámka recenzenta

Autor zcela logicky preferuje realizaci směšovacího uzlu pomocí dvoucestného ventilu a pevného zkratu, kterou generace topenářů považují za odolnější proti obracení proudění ve zkratu tak jak bylo v článku popsáno. S tím lze v zásadě souhlasit, ale nesmíme zapomenout na dobu, kdy toto „pravidlo“ vznikalo, totiž že k dispozici běžně nebyly další prvky, které mohou kolísání diferenčního tlaku kompenzovat. Koneckonců nebyly ani potřeba, protože se jednalo o soustavy statické, tj. s konstantním průtokem. Každý projektant, který projektoval na sítích CZT, pravděpodobně potvrdí, že předané podklady, podle kterých měl směšovací stanici nebo stanice navrhnout, byly jen v minimu případů relevantní. Většinou se jednalo o odhady nebo projektové parametry z dob, kdy ani ještě nebyly termostatické ventily, tedy podklady pro statickou soustavu. Srovnáme-li princip návrhu směšovacího uzlu, u zapojení s třícestným ventilem dimenzujeme třícestný ventil na dopravní výšku sekundárního (objektového) čerpadla, přičemž předpokládáme, že vstup A (z primární sítě) nám tlakově ventil příliš nezatěžuje. U zapojení s dvoucestným ventilem a pevným zkratem navrhujeme dvoucestný ventil na diferenční tlak primární části v místě napojení objektu, přičemž předpokládáme, že tento tlak známe, resp. se nám dostalo relevantních informací od provozovatele sítě. Žádnému projektantovi toto dilema nezávidím, protože na základě předaných podkladů vytvoří mechanické schéma, za které nese odpovědnost a v případě nesprávné funkce regulačního systému nelze (nebo lze za cenu mechanického zásahu do soustavy) prostou změnou parametrů regulace odstranit obrácené proudění zkratem, protože princip závady je mechanického původu, nikoli parametrického.

Přesto všechno osobně pohlížím na obě zapojení v dnešní době, a se stávající součástkovou základnou (regulátory diferenčního tlaku, omezovače průtoku, regulátory průtoku a tlaku apod.), jako na rovnocenná, obě se svými specifiky, jiným způsobem návrhu, výhodami i nevýhodami, nicméně při zodpovědném návrhu s uvážením všech provozních stavů poskytujících stejnou funkci. Je tedy jen na každém jednotlivém projektantovi a na jeho odpovědnosti, jaké schéma zvolí.

---

Theoretical and practical energy savings in prefabricated buildings after thermal insulation installation - part 2

Author deals with building energy savings after thermal insulation installation. Energy savings are achieved only when both made the correct adjustment of heating system.

Keywords: energy saving achievement, heating system regulation