Vliv tepelných zisků na provozní parametry otopné soustavy administrativní budovy

Článek navazuje na již publikovaný příspěvek autorů o vlivu tepelných ztrát při chladnutí otopné vody v rozvodech tepla otopné soustavy (Topin č. 8/2018, s. 48–51) a doplňuje fyzikální poznatky o dopady na dimenzování velikosti otopných ploch, které mohou být zmenšeny a tím klesnou i náklady na jejich pořízení.
Příspěvek zazněl na Školení topenářů 2019 v Plzni.

Recenzent: Vladimír Galád

Úvod

Tento článek se zabývá vlivem tepelných ztrát rozvodů (dále TZR) do okolí a s tím souvisejícím ochlazováním otopné vody v potrubí na dimenzování dvoutrubkové protiproudé otopné soustavy (dále OS). Zároveň se také zabývá provozními tepelnými zisky z TZR do vytápěných prostorů a jejich vlivem na požadovaný výkon otopných těles (dále OT).

Při klasickém návrhu otopných soustav není uvažováno s TZR, a tím pádem se navrhuje s konstantními teplotami po celé OS, což není fyzikálně zcela přesné [1, 2]. Ve skutečnosti TZR existují a jejich zanedbáním ve výpočtech může docházet k chybným stavům. Ty se projevují zejména v rozsáhlejších OS s rozvody bez tepelné izolace (dále TI) a s vyššími počátečními teplotami vody, ale ani u nízkoteplotních OS s kvalitně tepelně izolovanými rozvody nemusí být odchylky zanedbatelné [1].

Jedním z chybných stavů je například nedotápění nejvzdálenějších OT od zdroje tepla, protože naprojektovaná výroba tepla z klasického návrhu je nedostačující a teplo, které je předáno v podobě TZR při cestě do okolí, musí zákonitě na cílových místech chybět.

Dalším efektem při chybném návrhu může být přetápění prostorů z důvodu zanedbání TZR jako zisků do daného vytápěného prostoru zejména pokud jsou rozvody vedeny viditelně a bez TI. OT jsou zjednodušeně navržena na 100 % tepelné ztráty místnosti a teplo ze zisků z TZR, které jsou v praxi zanedbány, pak přetápí prostor. Pokud by v tepelné bilanci místnosti pro návrh OT byly vždy zohledněny zisky z potrubí, nedocházelo by k přetápění prostorů a dále by se mohlo ušetřit při investici (nákupem OT s menší předávací plochou).

Vlivem výše zmíněných problémů může docházet k diskomfortu obyvatel v jednotlivých prostorech a neefektivnímu návrhu a provozu OS z hlediska ekonomické i energetické náročnosti.

Referenční OS

Pro referenční OS byla použita jednopodlažní admistrativní budova. OS je etážová protiproudá dvoutrubková s nuceným oběhem otopné vody. Jednotlivé tepelné ztráty místností jsou popsány na obr. 1,stejně tak jako jednotlivé dimenze měděného potrubí. Potrubní rozvod je veden viditelně při stěně bez tepelné izolace. Zdroj tepla je umístěn v komoře uprostřed štítové stěny.

Teorie výpočtu

Jak již bylo v úvodu zmíněno, tak v OS dochází k TZR a ty mají za prvé vliv na ochlazování otopné vody v trase rozvodu a za druhé vliv na celkovou tepelnou bilanci prostoru v podobě provozních tepelných zisků. Proto byl vytvořen výpočetní model v programu Microsoft Excel, který zohledňuje důsledky TZR a skutečné teploty v jednotlivých bodech OS [1, 3]. Jedná se o model řešící situaci za ustáleného stavu tak, aby byl porovnatelný s klasickým návrhem OS. Model je založen na zvolené požadované teplotě otopné vody na počátku OS a zvolené střední teplotě otopné vody, která je shodná pro všechna OT. Dalšími vstupními parametry jsou vnitřní výpočtová teplota, kvalita a kvantita TI, délka úseku a tepelná ztráta místnosti. Ostatní parametry OS jsou dopočítávány z chladnutí otopné vody po trase v důsledku TZR a hmotnostních průtoků v daných úsecích. Výpočet hmotnostních průtoků pak odpovídá zmenšujícímu se teplotnímu spádu se vzdáleností od zdroje [2]. Požadovaný výkon OT, na který je poté navrženo skutečné OT, je dopočten z tepelné ztráty místnosti po odečtení zisků z TZR. Výpočet musí být z těchto důvodů prováděn pro celou OS najednou a iteračním způsobem. V každém bodě OS platí obecně:

každý úsek je tedy popsán rovnicí pro přívodní, resp. vratné potrubí

Kde je:

• Q – tepelná ztráta úseku [W],
• m – hmotnostní průtok [kg·h^–1],
• c – měrná tepelná kapacita [W·h·kg^–1·K^–1],
• t₁ – teplota vody na počátku úseku [°C],
• t₂ – teplota vody na konci úseku [°C],
• t_i – teplota okolí [°C],
• U – součinitel prostupu tepla [W·m^–1·K^–1)],
• L – délka úseku [m].

Varianty řešení otopné soustavy

Výpočet dimenzování OS byl proveden v 5 variantách. Pro všechny variantybyla pro výpočtové venkovní podmínky zvolena na zdroji tepla výstupní teplota otopné vody 56 °C. Pro všechny varianty byly použity shodné dimenze měděného potrubí.

VAR. 1

• není uvažováno se zisky z TZR do vytápěných místností
• není uvažováno s ochlazováním otopné vody, ale s konstantním DT = 12 °C
• požadovaný výkon OT je navržen na celou tepelnou ztrátu místnosti –> skupina OT-1

VAR. 2

• tato varianta je vyvážena na hmotnostní průtoky z VAR. 1 se skupinou OT-1
• skutečné redukované výkony OT-1, zisky z TZR, teploty otopné vody a teplotní spády na OT byly dopočítány dle výpočtu s ochlazováním otopné vody
• celková tepelná bilance místnosti = skutečné výkony OT-1 + zisky z TZR

VAR. 3

• je uvažováno se zisky z TZR do vytápěných místností, ale při konstantních teplotách přívodní otopné vody (56 °C) a vratné otopné vody (44 °C)
• není uvažováno s ochlazováním otopné vody, ale s konstantním DT = 12 °C
• požadovaný výkon OT je navržen na tepelnou ztrátu místnosti sníženou o zisky z TZR při konstantních teplotách otopné vody –> skupina OT-2

VAR. 4

• tato varianta je vyvážena na hmotnostní průtoky z VAR. 3 se skupinou OT-2
• skutečné redukované výkony OT-2, zisky z TZR, teploty otopné vody a teplotní spády na OT byli dopočítány dle výpočtu s ochlazováním otopné vody
• celková tepelná bilance místnosti = skutečné výkony OT-2 + zisky z TZR

VAR. 5

• dle kapitoly Teorie výpočtu
• je uvažováno se zisky z TZR do vytápěných místností
• je uvažováno s ochlazováním otopné vody
• výpočet hmotnostních průtoků dle zmenšujícího se DT se vzdáleností od zdroje tepla, tak aby na všech OT byla stejná střední teplota otopné vody
• požadovaný výkon OT je navržen na tepelnou ztrátu místnosti sníženou o zisky z TZR, ve kterých je uvažováno pro jejich výpočet s proměnnou teplotou otopné vody -> skupina OT-3
  
  

Výsledky

Na obr. 2, jsou vidět pro vybraná OT jejich DT. Ve VAR. 1 resp. VAR. 3 jsou předpokládané DT s konstantní hodnotou pro všechna OT. Pokud by na tyto DT byly vypočteny hmotnostní průtoky, tak při reálném ochlazování otopné vody a přepočtu redukovaného předávaného výkonu navržených OT na skutečné teploty by vycházely DT již proměnné viz VAR. 2 resp. VAR. 4,a tím i s jinou střední teplotou otopné vody pro různá OT. To vede k potřebě rozdílných ekvitermních křivek pro jednotlivá OT, což je v praxi nereálné. Pokud bychom chtěli zachovat stejnou střední teplotu pro všechna OT, musí být vypočítané DT dle VAR. 5, kde jsou DT kompenzovány hmotnostními průtoky viz kap. Teorie výpočtu.

Druhým porovnávaným parametrem byly hmotnostní průtoky viz obr. 3. Ty mají vliv za prvé na tlakové chování OS, takže se projeví v nastavení vyvažovacích ventilů [4], regulačních armatur a oběhových čerpadel. Za druhé mají také vliv na tepelné působení OS, viz rovnice (2). Z té vyplývá, že při stejné TZR v úseku dojde k většímu poklesu teploty otopné vody nepřímo úměrně se snižujícím se hmotnostním průtokem. Z VAR. 5 je vidět, že shodná OT v místnostech (např. 102 a 107) s jinou vzdáleností od počátku, nemají stejný požadovaný hmotnostní průtok i v rámci jedné varianty.

Posledním porovnávaným parametrem je celková tepelná bilance místnosti, která se skládá z výkonu OT a zisků z TZR. Pro VAR. 1 a VAR. 2 byla navržena skupina OT-1 tak, aby ve VAR. 1 byl požadovaný výkon OT shodný s redukovaným výkonem skutečných OT. Ve VAR. 2 byl pak redukovaný výkon těchto OT-1 dopočten při ochlazovaných teplotách otopné vody se snižující se střední teplotou se vzdáleností od zdroje tepla. Obdobně byla vytvořena skupina OT-2 pro VAR. 3 a VAR. 4 se stejnou logikou. Pro VAR. 5 byla navržena skupina OT-3. Výsledky jsou znázorněny v obr. 4, kde jsou vidět nedotápění nebo přetápění v jednotlivých místnostech ve VAR. 2 a VAR. 4 oproti teoretické VAR. 1 a VAR. 3.

Závěr

V příspěvku bylo na referenční OS poukázáno na možné odchylky, které jsou způsobeny zanedbáním TZR a s tím spojeným ochlazováním otopné vody při návrhu dvoutrubkové protiproudé OS s nuceným oběhem. Na vybraných parametrech bylo ukázáno, jaký mají vliv trvalé tepelné zisky z TZR na dimenzování OS a jejich důsledek na požadovaný výkon OT. Z výsledků bylo patrné, že při zohlednění tepelných zisků z TZR je možná úspora investičních nákladů, a to pořízením OT s menší předávací plochou při zachování stejných výstupních teplot ze zdroje tepla. Dále bylo ukázáno na rozdílné požadované hmotnostní průtoky mezi jednotlivými variantami, které mají vliv na správné nastavení vyvažovacích ventilů, regulačních armatur a návrh oběhových čerpadel.

Literatura

1. SPURNÝ J. Vliv ochlazování topné vody při návrhu otopné soustavy. Diplomová práce. ČVUT v Praze, 2016.
2. RÁŽ J. V. Kombinovaná regulace ústředního vytápění a úspory tepla – 1. část [online]. 20. 6. 2019 Dostupné z < https://vytapeni.tzb-info.cz/ mereni-a-regulace/14536-
   kombinovana-regulace-ustredniho- vytapeni-a-uspory-tepla-1-cast >.
3. CIHELKA, J. a kol. Vytápění, větrání a klimatizace. Praha: STNL, 1985.
4. GALÁD, V. Protokol o seřízení otopné soustavy. Topenářství instalace, 2018, roč. 52, č. 8, s.50–53, [online]. 20. 6. 2019 Dostupné z < http://www.
   topin.cz/clanky/protokol-o-serizeni- otopne-soustavy-detail-5074 >.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory grantu SGS19/005/OHK1/1T/11.

---

Influence of heat gains on operating parameters of commercial building's heating systems

The article is a follow-up to the authors' paper on the influence of heat losses (Topin no. 8/2018, pp. 48–51) during heating water cooling process in the heat distribution of the heating system and complements the physical knowledge of the impact on heating surfaces size dimensioning, that can be downsized and thus reduce their purchase cost.

Keywords: distribution systems heat losses, cooling of heating water, sizing of two-pipe counterflow heating system, operational heat gains, radiator heat output.