Vliv tepelných ztrát rozvodů a ochlazování otopné vody na návrh otopné soustavy

Příspěvek autorů dokumentuje vliv chladnutí otopné vody v rozvodech tepla v budově a poukazuje na jednu z příčin nerovnoměrnosti distribuce tepla do různých částí budovy, když ve výpočtech pro seřízení otopné soustavy není tato skutečnost zohledněna. Z článku je patrné, že zohlednění všech okrajových podmínek do výpočtů je poměrně náročné a vyplývá to i z porovnání tří variant podle stejného schématu příkladu otopné soustavy. Zahrnutí korekce vlivu ztrát rozvodů tepla do tepelné bilance místností, která de facto snižuje příkon do otopného tělesa, může značně ovlivnit i správné seřízení termostatického ventilu a potažmo průtoku stoupačkou.

Recenzent: Vladimír Galád

1. Úvod

Tento článek se zabývá vlivem tepelných ztrát rozvodů (dále TZR) na dimenzování dvoutrubkové nízkoteplotní protiproudé otopné soustavy (dále OS). Poukazuje na vliv tepelné izolace rozvodů, která má vliv na chladnutí otopné vody v potrubí, a s tím spojené důsledky pro dimenzování OS.

Při klasickém návrhu otopných soustav s TZR není uvažováno, a tím pádem se navrhuje OS s konstantními teplotami po celé soustavě, což není fyzikálně zcela přesné [1]. Ve skutečnosti k TZR dochází a díky jejich zanedbání 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 tepelně izolovanými rozvody nemusí být odchylky zanedbatelné, což je předmětem analýzy tohoto příspěvku a dále bylo také řešeno v rámci [1].

Jedním z chybných stavů je například nedotápění nejvzdálenějších otopných těles (dále 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. Díky tomu dochází k diskomfortu obyvatel v jednotlivých prostorech a neefektivnímu návrhu a provozu z hlediska ekonomické i energetické náročnosti.

V rámci tohoto článku není uvažováno s TZR jako tepelným ziskem do vytápěného prostoru. Vliv TZR jako tepelných zisků do vytápěného prostoru pro návrh menších velikostí OT, a tím možné investiční úspory, byl řešen ve [2, 3]. Tento vliv je značný hlavně u viditelných rozvodů bez tepelné izolace vedených vytápěnými prostory. V tomto článku bude uvažováno s rozvody zabudovanými v konstrukcích nebo vedenými mimo vytápěné prostory.

2. Referenční otopná soustava

Referenční OS, na které byla provedena analýza, je znázorněna na obr. 1.

Referenční OS byla zvolena, tak aby vstupní údaje mohli být nízkoteplotní s požadovanými výkony OT podobnými dnešní výstavbě. Typově může symbolizovat menší bytový dům, ale vstupní údaje byly zjednodušeny pro snadné poukázání rozdílů jednotlivých variant.

Vstupní údaje pro výpočet:

• teplota na výstupu ze zdroje tepla – t_pp = 50 °C,
• střední teplota pro všechna OT – t_m = 45 °C,
• součinitel přestupu tepla na vnější straně – a = 12 W·m^–2·K^–1,
• rozvody provedeny z měděného potrubí,
• požadovaný výkon shodný pro všechna OT – Q = 500 W,
• teplota okolí – t_i = 20 °C,
• všechny úseky stejná délka – L = 3 m,
• dimenze potrubí jednotlivých úseků jsou pro všechny tři va­rianty stejné.

3. Matematický model dimenzování OS

Jak již bylo v úvodu zmíněno, tak v OS dochází k TZR a ty mají vliv na ochlazování otopné vody v trase rozvodu. Proto byl vytvořen výpočetní model, který zohledňuje důsledky TZR a skutečné teploty v jednotlivých bodech OS [1, 4]. Model je založen na zvolené požadované teplotě na počátku soustavy a zvolené střední teplotě u OT, která musí být pro všechna stejná. Ostatní teploty jsou dopočítávány z chladnutí otopné vody po trase v důsledku TZR a hmotnostních průtoků v daných úsecích. Skutečné hmotnostní průtoky pak odpovídají zmenšujícímu se teplotnímu spádu se vzdáleností od zdroje tak, aby byla udržena shodná střední teplota na všech OT [5].

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]

4. Varianty řešení OS

Výpočet dimenzování otopné soustavy byl proveden ve 3 variantách:

• Varianta 1 – bez TI -> rozvod je bez tepelné izolace,
• Varianta 2 – s TI -> rozvod je tepelně izolován v tl. 20 mm,
• Varianta 3 – klasický výpočet dimenzování – TI rozvodu nemá na výpočet vliv.

Při výpočtu s uvažováním TZR (Var. 1, Var. 2) vychází pro místnosti se stejnou tepelnou ztrátou (stejné OT), ale s jinou vzdáleností od zdroje, jiné výsledky průtoků a teplot otopné vody. Na rozdíl od klasického výpočtu, ve kterém vychází výsledky stejné. Proto byly pro analýzu použity výsledky OT z nejbližšího bytu (dále OT-103) a nejvzdálenějšího bytu (dále OT-401) od zdroje tepla, aby byli odchylky mezi jednotlivými byty patrné.

5. Analýza výsledků

Na grafu 1 je vidět, o kolik poklesne teplota otopné vody od zdroje tepla k jednotlivým OT na přívodním potrubí.

Z grafu 2 je poté vidět jaký musí být teplotní spád na jednotlivých OT, tak aby byla udržena shodná střední teplota, která zajišťuje návrhový požadovaný tepelný výkon OT a shodnou účinnost ekvitermní regulace u všech OT. Pokud bychom nastavili hmotnostní průtoky podle teplotního spádu pro všechna OT stejná, tak jak je provedeno ve Var. 3, tak nám díky ochlazování otopné vody bude střední teplota se vzdáleností od zdroje tepla klesat a OT nebudou mít navrhovaný požadovaný tepelný výkon.

Jako poslední porovnávaný parametr byly zvoleny hmotnostní průtoky. Ty mají vliv zaprvé na tlakové podmínky OS, takže se projeví v nastavení vyvažovacích a regulačních armatur a oběhových čerpadel. Dále mají také vliv na tepelné působení OS, viz rovnice (2). Z té vyplývá, že při stejné tepelné ztrátě úseku dojde k většímu poklesu teploty nepřímo úměrně se snižujícím se hmotnostním průtokem. Výsledky jsou znázorněny v grafu 3, kde můžeme vidět procentuální odchylky od klasického výpočtu, který je pro přehlednost uvažován jako 100 %.

Z grafu 3 je patrné, že hmotnostní průtoky vychází rozdílně při uvažování ochlazování otopné vody oproti klasickému výpočtu. Dále je také vidět, že na rozdílné výsledky má vliv zateplení rozvodů (výsledky Var. 1 oproti Var. 2), proto by se měla řešit kvalita zateplení již v dimenzování OS.

Dále si můžeme všimnout, že při výpočtu s ochlazováním nemají stejně velká OT stejný hmotnostní průtok. Zde je to dáno tím, že OT jsou v jiné vzdálenosti od zdroje tepla. S rostoucí vzdáleností se voda cestou více ochladí, a to znamená menší teplotní spád, tak aby byla udržena shodná střední teplota. Z tohoto důvodu pak na OT-401 vychází vyšší průtok než na OT-103. Tento důsledek taktéž klasický výpočet nezohledňuje.

6. Závěr

V článku bylo na referenční otopné soustavě poukázáno na nedostatky, které jsou způsobeny zanedbáním TZR a s tím spojené chladnutí otopné vody při klasickém návrhu dvoutrubkové protiproudé OS.

Na vybraných parametrech bylo ukázáno, jak se od sebe liší výsledky návrhu OS, pokud bude sou­stava bez TI (Var. 1) nebo budou rozvody s TI v tl. 20 mm (Var. 2). S těmito aspekty klasický výpočet nepracuje. Z výsledků vyplývá, že i v nízkoteplotních OS není vliv TZR a ochlazování otopné vody ­zanedbatelný.

Z výsledků jsou patrné rozdílné hodnoty pro jednotlivé varianty a ty mají důsledek na návrh a seřízení vyvažovacích a regulačních armatur a návrh oběhových čerpadel. Proto je vhodné při návrhu OS pracovat s vlivem TZR a ochlazováním otopné vody a s vlivem zaizolování rozvodů. Výpočet je sice iterační, ale vzhledem k využití výpočetní techniky nepředstavuje dnes překážku.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory grantu SGS18/015/OHK1/1T/11.

Literatura

1. SPURNÝ, Jakub: Vliv ochlazování topné vody při návrhu otopné soustavy. Praha, 2016. Diplomová práce. ČVUT v Praze.
2. SPURNÝ, Jakub: Vliv tepelné izolace potrubí na návrh otopné soustavy administrativní budovy. Letní škola TZB 2017 – Technická zařízení pro zdravé vnitřní prostředí v energeticky úsporných administrativních budovách. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2017. pp. 70–77. ISBN 978-80-02-02743-0
3. SPURNÝ, Jakub: Vliv tepelných ztrát rozvodů na návrh otopné soustavy. Letní škola TZB 2016 – Technická zařízení pro zdravé vnitřní prostředí v energeticky úsporných obytných budovách. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2016. pp. 71–76. ISBN 978-80-02-02676-1.
4. CIHELKA, Jaromír a kol., Vytápění, větrání a klimatizace. Praha: STNL, 1985.
5. RÁŽ, Jiří V., Dis. CENTROTHERM. =CRA=CENTROTHERM. [online]. 15. 6. 2016. Dostupné z: http://www.usporyteplaets.cz/

---

Influence of heat loss of the distribution system and heating water cooling on the heating system design

The article deals with the influence of heat loss of the distribution system and the associated cooling of the heating water on the design of the low-temperature two pipe heating system. On the reference heating system, the effect of the distribution pipes heat losses on heating water temperatures and mass flows was monitored, depending on the thermal insulation solution of the pipelines. These results were compared with the results of the classical calculation of the heating systems design.

Keywords: heating systems; thermal insulation of pipes; heat loss of pipes