Vzájemné ovlivňování průtoků mezi topnými okruhy – 2. část

Vzájemné nepříznivé ovlivňování převážně z hlediska průtoku jednotlivých odběrů tepla napojených ze společného rozdělovače a sběrače, případně rozdělovače kombinovaného, je věcí téměř neznámou, ale o to častěji se vyskytující. I zdánlivě dobře navržené jednotlivé odběry tepla, které provozované izolovaně pracují k plné spokojenosti, mohou při souběhu ztrácet částečně funkčnost, případně při nepříznivých tlakových poměrech je dodávka tepla kritickým okruhem úplně přerušena.

Autor příspěvku rozebírá podrobně různé způsoby zapojení a pomoci matematického aparátu zároveň ukazuje řešení, jak nepříznivé ovlivňování jednotlivých okruhů eliminovat na přijatelnou míru a zajistit tak distribuci tepla s pouze přijatelnou odchylkou od projektovaných parametrů.

Recenzent: Zdeněk Číhal

1. Úvod

V předchozí části článku, uveřejně-né v Topin č. 2/2022, byla popsána jedna z možností napojení kotelny na otopnou soustavu (OS) – napojení přes výměník tepla. Takový způsob se používá v případech, kdy je potřeba oddělit otopnou vodu v kotlovém okruhu od vody ve vlastní OS. Týká se to všech případů, kdy jde o kotle se spalinovými výměníky ze slitiny hliníku s křemíkem. Ty vyžadují převážně demineralizovanou vodu s další přídavnou chemií. Taková voda je pro OS silně agresivní. Vyvolává elektrochemickou korozi, jejíž zplodiny zneprůchodňují ocelové potrubí, regulační i jiné armatury, v neposlední řadě poškozují i oběhová čerpadla. Ani časté čištění filtrů nedokáže postupné degradaci OS zabránit.

Pro investory nebo i projektanty, kteří se rozhodnou vyhnout se problémům s elektrochemickou korozí a navrhnou plynové kondenzační kotle s ocelovými spalinovými výměníky, je určena tato druhá část článku o hydraulické interferenci mezi topnými okruhy.

V takových případech je propojení mezi kotlovým okruhem a OS realizováno nejčastěji pomocí hydraulického vyrovnávače dynamických tlaků (HVDT), dříve nazývaného také anuloid nebo hydraulická výhybka.

Také v případě HVDT může být regulační armaturou jak trojcestný směšovací ventil (3CV), tak i ventil přímý se směšovacím bypassem. U přímého ventilu je potřeba za HVDT osadit oběhové čerpadlo, u 3CV je tomu naopak. Tlaková ztráta okruhu na výstupu z HVDT by z hlediska slučitelnosti průtoků měla být co nejmenší. Jaká konkrétně se dá vypočítat ze základní rovnice pro slučitelnost průtoků.

2. Teoretický základ pro řešení interference mezi topnými okruhy

Základní rovnice pro řešení interference mezi průtoky (1) byla publikována již v první části článku. Aby bylo možné nejenom sledovat, ale i vytvářet obdobné tabulky v Exelu, je zde rovnice zopakována:

Kde je
ΔP_AB – maximální diferenční tlak mezi body A a B [kPa],
h_i – přetlak v provozním bodě posuzovaného okruhu [kPa],
q_i – výpočtový průtok v posuzo-vaném okruhu [m³·h^–1],
Σq_i – součet průtoků z napojených okruhů [m³·h^–1].

Vzájemné kolísání průtoků je na jedné straně obvyklé, na straně druhé se doporučuje, aby jeho hodnota nepřekročila 20 % ze jmenovitého průtoku.

3. Propojení kotelny s HVDT a s teplotní regulací pomocí trojcestných směšovacích ventilů

Schéma zapojení topných okruhů budou tvořit dva směšované okruhy buď se stejnou otopnou plochou, nebo jeden s klasickou plochou a druhý pro podlahové vytápění. Další dva nesměšované okruhy mohou být pro přípravu teplé vody a pro vzduchotechniku. To proto, že každý z těchto dvou okruhů obvykle má vlastní regulaci.

Směšování za HVDT může být zajišťováno buď pomocí trojcestných směšovacích ventilů, nebo s dnes často opomíjenými přímými ventily se směšovacím bypassem. Obě schémata jsou na obr. 1 a 2.

Do tab. 1 byly vloženy nahodilé výkony Q [kW], s průtoky pro teplotní spád 20 K a nahodilé tlakové ztráty h_i [kPa].

4. Vliv tlakové ztráty ΔP_AB na % kolísání průtoku

Hodnota tlakové ztráty v sekundárním okruhu HVDT se často podceňuje, zdá se být zanedbatelná. A je to právě tato tlaková ztráta ΔP_AB, která rozhodne, s jakou nepřesností budou kolísat v jednotlivých okruzích. Podívejme se nejdříve na tab. 1.

V tab.1 budeme měnit hodnotu ΔP_AB ve žlutém poli od 1 do 15 kPa. Zadáním hodnot φ a λ do rovnice (1) vypočteme % kolísání průtoku v okruzích.

Z tab. 2 vidíme, že maximálně přijatelná tlaková ztráta mezi body A–B je pouhých 6,0 kPa! Při vyšších hodnotách ΔP_AB bude kolísání průtoků významně ovlivňovat přenositelný výkon do okruhů. Při cca 15 kPa přestane okruh s nejmenším výkonem zcela fungovat. Jaké chyby je možné v okruhu HVDT a R+S udělat?

Nejčastějšími chybami je nedostatečná dimenze potrubí pro napojení R+S. Za nedostatečnou se dá považovat DN, u kterého je pro výpočtový průtok měrná tlaková ztráta větší jak cca 170 kPa. Obdobnou interaktivitu způsobí i nedostatečně dimenzovaný kombinovaný rozdělovač se sběračem.

Zcela zásadní chybou je pak vložení filtru nebo měřiče tepla do tohoto okruhu. Počáteční, už tak nemalý, odpor nového filtru se zvětšuje v závislosti na jeho ucpání, odpor vodoměrné části měřiče tepla pak v závislosti na okamžitém průtoku.

5. Vyvažování okruhů s rozdílnými dopravními výškami čerpadel

Provozní body čerpadel podle tab. 1 se pohybují v rozmezí od 20 do 60 kPa. Aby se s tab. 1 dalo pracovat, je potřeba nejdříve spočítat a dosadit do tabulky hodnotu ΔP_AB. Pokud tam necháme nulu, je to obdobné, jako bychom potrubí jednotlivých okruhů ponořili do plaveckého bazénu. Tam by k žádnému ovlivňování průtoků nedošlo. Pokud jste si už v tab. 1 aktivovali výpočet hodnot φ a λ, pak se můžete přesvědčit, že při zadání do kolonky ΔP_AB hodnoty nula, budou u všech okruhů hodnoty φ také nulové. Jinak řečeno bez jakéhokoliv ovlivňování průtoků mezi topnými okruhy.

Nás však zajímá případ, kdy vlivem ΔP_AB  dochází k překročení kritéria φ u některého z okruhů. Zde u okruhů UT1 a TV.

V okruhu A–B je byla spočtena tlaková ztráta 10 kPa. Tím došlo k překročení sledovaného kritéria φ nad hodnotu 0,3. Jak se vyrovnat se vzájemnou neslučitelností průtoků vidíme v tab. 4.

Abychom dostali sledovanou hodnotu φ ≤ 0,3, bylo potřeba u červených hodnot φ z tab. 3 vložit do problematického okruhu vřazený odpor, který by měl při výpočtovém průtoku hodnotu podle posledního sloupce tab. 2. Výměnou čerpadel za odpovídající typ získáme přibližně stejné dopravní tlaky čerpadel jednotlivých okruhů. Je to přesně to, co musí projektant pro slučitelnost průtoků udělat.

Podle průtoku (q_i) a požadované hodnotě škrcení (20 a 30 kPa v tab. 4) určíme Kv hodnotu, typ vyvažovací armatury, její dimenzi a nastavení. Výsledné hodnoty jsou v tab. 5.

Ideální stav docílíme měřením průtoku na jednotlivých vyvažovacích ventilech, s případnou korekcí průtoku, aretací ventilu a připevněním štítku s aretovanými hodnotami. Můžeme si povšimnout, že dimenze u dvou vyvažovacích armatur je o jednu dimenzi menší, než je dimenze potrubí. Často je dimenze vyvažovací armatury menší i o dvě dimenze, než je DN potrubí.

6. Propojení kotelny s HVDT a teplotní regulací s PV a směšovacím bypassem

Na obr. 2 je schéma se směšováním přímým regulačním ventilem se směšovacím bypassem (PVB). K zajištění optimální funkce směšovaných okruhů je ve zpátečce instalován regulátor tlakové diference. Ten udržuje před regulačním ventilem stále stejný přetlak, bez ohledu na zdvih ventilu. Díky tomu má regulační ventil stále 100% autoritu bez ohledu na zdvih ventilu. Výsledkem je mnohem přesnější teplotní regulace.

Výpočtové schéma pro směšování přímým ventilem na obr. 3 je zde uvedeno jen z důvodu, aby se praktikující topenář nikdy nepokoušel uplatnit ho v praxi. Nemá k tomu fyzikální znalosti ani potřebné matematické schopnosti. Co mu na druhé straně nechybí je jeho odvaha, dosáhnout správné funkce zařízení nikdy nekončícími úpravami zařízení. Projektant takovou odvahu nemá, spočítat regulační okruh mu ale nedělá potíže.

Regulátor tlakové diference u regulačního ventilu (RDT), nebo varianta kombinované armatury, se používá více u centralizovaného zásobování teplem, kde hodnota vstupního přetlaku není známa, nebo sdělená hodnota od dodavatele tepla není důvěryhodná. U kotelen je použití RDT fakultativní, jinak řečeno, není závazné. Stačí, když se bude autorita regulačního ventilu pohybovat v rozmezí od 30 do 60 %.

Zatímco tlaková ztráta 3CV je hrazena oběhovým čerpadlem za trojcestným ventilem, tak tlaková ztráta přímých regulačních ventilů je hrazena čerpadlem před rozdělovačem. U okruhů bez směšování se tak čerpadlo za HVDT s čerpadlem nesměšovaného okruhu dostávají do sériového chodu.

7. Vyvažovací ventily nebo měřiče spotřeby tepla do okruhů?

Na jednou změřené, nastavené a are­tované vyvažovací ventily se štít­kem s nastaveným průtokem se dá spolehnout řadu let. Pokud se roz­vod nezanese v důsledku elektro­chemické koroze. Je téměř jisté, že se před vlastním měřením certifiko­vaný partner ujistí, že všechny kon­cové jednotky budou před měřením naplno otevřené.

Měřiče tepla se do okruhů instalu­jí v případech komerčního využití jednotlivých prostorů. Vynechat v takovém případě vyvažovací ven­tily by bylo chybou. U měřičů tepla, na kterých se dá odečítat okamži­tý průtok, obvykle nikdo nikdy ne­kontroluje, zda v době odečtu jsou otevřena všechna odběrná zařízení. Směrodatná je spotřeba tepla za ur­čité období, podle které se prová­dí rozúčtování, ne okamžitý průtok v okruhu.

8. Volba oběhového čerpadla

Mohlo by se zdát, že volba čerpadla je věc tak jednoduchá, že by se snad ani v odborném článku neměla vy­skytovat. Pokud má člověk na mysli jeden topný okruh v rodinném dom­ku, pak může mít pravdu. U mnoha okruhů lišících se nejenom průto­ky, ale i tlakovými ztrátami jednot­livých okruhů, to tak jednoduché není. Zejména, pokud je naší sna­hou, aby se okruhy mezi sebou na­vzájem moc neovlivňovaly. Ať už v důsledku regulace, nebo vlivem uzavření některého z okruhů. Z předchozího textu je vidět, že nej­větší problémy mohou mít okruhy s nejmenším průtokem, u kterých se dá předpokládat i nejmenší do­pravní výška čerpadla.

9. Závěr

Nejmenší ovlivňování průtoků se dá očekávat u okruhů se stejným výko­nem, se stejným teplotním spádem a se stejným průtokem. Při různých teplotních spádech okruhů pak při stejných průtocích a stejných do­pravních výškách čerpadel. To je stav, se kterým se v praxi nesetká­me. V praxi je potřeba hledat po­učení v literatuře, nebo i v tomto článku.

Opakovaná a nahodilá výměna obě­hových čerpadel, jak to provádějí to­penáři, nikdy nikam nevedla. Každé další větší čerpadlo stav neslučitel­nosti průtoků jen zhoršilo. Dosáh­nout rovnovážný stav stávajících topných okruhů běžným topenářem není možné. Nemá smysl se o to sna­žit. To by si měli uvědomit zejména provozovatele zdrojů tepla s více topnými okruhy, které jim už léta nefungují, přes veškerou péči pro­váděnou systémem pokus – omyl.

Dimenze potrubí je vhodné vo­lit s co nejmenším měrným odpo­rem, který by neměl překročit cca 170 Pa·m^–1 u všech dimenzí potru­bí. Orientovat se jen podle rychlosti proudění může být velmi nepřesné.

Při instalaci HVDT a tlakové diferen­ci ΔP_AB  do 5 kPa, při teplotní regula­ci pomocí trojcestných ventilů, není potřeba instalovat do směšovacích bypassů vyvažovací ventily. Při vyš­ší tlakové diferenci je tomu právě naopak.

Při nastavování průtoků vyvažova­cími ventily musí být zajištěno, že všechna koncová zařízení budou otevřena na 100 %. Odečty průtoků na průtokoměrech měřičů tepla ne­mohou být spolehlivé, ani hodno­věrné.

Pokud se na vyvažovacím ventilu nedosáhne požadovaný průtok, je buď zanesené potrubí, je uzavřena část koncových jednotek nebo bylo navrženo čerpadlo s nedostatečnou dopravní výškou. Často jen proto, že nebyly spočteny tlakové ztráty v rozvodu.

Literatura

[1] Vyhláška č. 18/1979 Sb., ze dne 22. ledna 1979, Českého úřadu bezpečnosti práce a Českého báňského úřadu, kterou se určují vyhrazená tlaková zařízení a stanoví některé podmínky k zajištění jejich bezpečnosti. In Sbírka zákonů České republiky. 5. března 1979, částka 3, s. 47. Dostupné z https://bit.ly/3htxWmV.
[2] Vyhláška č. 91/1993 Sb., ze dne 12. února 1993, Českého úřadu bezpečnosti práce k zajištění bezpečnosti práce v nízkotlakých kotelnách. In Sbírka zákonů České republiky. 5. března 1993, částka 25, s. 466. Dostupné z https://bit.ly/3pltoTJ.
[3] Vyhláška č. 193/2007 Sb. ze dne 17. července 2007, kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu. In Sbírka zákonů České republiky. 31. července 2007, částka 62, s. 2398. Dostupné z https://bit.ly/36Pcx5A.
[4] Vyhláška č. 194/2007 Sb., ze dne 17. července 2007, kterou se stanoví pravidla pro vytápění a dodávku teplé vody, měrné ukazatele spotřeby tepelné energie pro vytápění a pro přípravu teplé vody a požadavky na vybavení vnitřních tepelných zařízení budov přístroji regulujícími dodávku tepelné energie konečným spotřebitelům. In Sbírka zákonů České republiky. 31. července 2007, částka 62, s. 2407. Dostupné z https://bit.ly/36Pcx5A.
[5] ČSN 06 0310. Tepelné soustavy v budovách – Projektování a montáž. 2014–8 (změna Z2. 2017–9). ÚNMZ. Praha.
[6] ČSN 06 0320. Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování. 2006–9. ČNI. Praha.
[7] ČSN 06 0830. Tepelné soustavy v budovách – Zabezpečovací zařízení. 2014–8 (změna Z1: 2014–11). ÚNMZ. Praha.
[8] ČSN 38 6405. Provozní revize. 1988–10 (změna Z1: 1999–5). ÚNM. Praha.
[9] ČSN EN 12828+A1.Tepelné soustavy v budovách – Navrhování teplovodních otopných soustav. 2014–11. ÚNMZ. Praha.
[10] DOUBRAVA, J.: Vyvažování potrubních sítí (2. přeprac. a rozšíř. vyd.). Tour & Andersson Hydronics, spol. s r.o., Praha 1997, 80 s.

---

Interaction of flows between heating circuits
Mutual adverse influence, mainly in terms of the flow of individual heat consumptions connected from a common distributor and collector, or a combined distributor, is an almost unknown thing, but it occurs all the more often.

It also applies to seemingly well-designed particular heat consumptions, which are operated in isolation and work to full satisfaction. However, they can partially lose their functionality during concurrence; in worse case under adverse pressure conditions the heat supply through the critical circuit is completely interrupted.

The author discusses in detail the various ways of connection and using a mathematical apparatus also shows a solution to eliminate the adverse effects of individual circuits to an acceptable level and ensure heat distribution with only an acceptable deviation from the designed parameters.

Keywords: hydraulic circuit, hydraulic pressure balancer, hydraulic interactivity, heating circuit, flow, influencing, concurrency, regulation, consumption point, heat supply.