+
Přidat firmu
Vyhledávání
Menu

(Ne)cyklické změny provozu otopných těles

19.09.2017 Autor: Ing. Vladimír Galád Časopis: 5/2017

Autor shrnuje současnou problematiku vytápění bytových domů po zateplení objektu. Otopná soustava zůstává velmi často po zateplení domu bez jakýchkoli úprav a její provoz je pak během otopné sezony velmi těžko předvídatelný. Na příkladu konkrétního bytového domu je predikováno, co může tyto problémy s provozováním otopné soustavy způsobovat a jakým způsobem je možné otopnou soustavu stabilizovat.

Recenzent: Roman Vavřička

Poměrně často se setkávám, ze­jména od občanů menších či větších domů s více bytovými jednotkami, se stížnostmi na různé typy zvukových projevů u otopných soustav. Přesněji řečeno hluk stoupaček a přípojek otopných těles a v neposlední řadě také samotných otopných těles. Inspirace k tomuto článku vzešla z podnětu nájemníka bytu v panelovém domě. Dům je napojen na výměníkovou stanici dodavatele tepla zásobujícího teplem tři vchody ze šestivchodového panelového domu. Nájemník bytu v 7. NP (z celkového počtu 9. NP) požádal o průzkum a analýzu stavu vytápění v domě, jelikož i po řadě technických a provozních úprav v otopné soustavě dochází k téměř pravidelným projevům hluku, které lze označit jako slabý až výrazný šum v potrubí, klepání či ťukání, praskání, rány, apod.

Image 0Obr. 1 • Posuzovaný bytový dům

Image 1Obr. 2 • Časový záznam intervalů tzv. klepání otopné soustavy

Předem je nutno poznamenat, že byly v domě na stoupačkách postupně provedeny tyto úpravy:

  • výměny kompenzátorů,
  • instalace trojcestného obtokového ventilu u posledního tělesa v nejvyšším podlaží (9. NP) s odůvodněním snížení teplotního rozdílu mezi přívodním a vratným potrubím stoupačky a zajištění trvalého ohřívání předmětné stoupačky,
  • zkoušky různých provozních režimů vytápění bez útlumů a s různými typy útlumů,
  • pročištěny průchody s uložením potrubí stoupačky do pružné izolace pro eliminaci tření.

Problematika je již řešena cca 3 roky, a i přes částečná zlepšení se nepodařilo problém odstranit. Z vyhodnocení pořízeného zvukového záznamu bylo zjištěno, že se v tomto vzorku opakuje klepání v intervalech podle přiloženého grafu na obr. 2. Jde o intervaly mezi jednotlivými výraznějšími klepy.

Na ose x je pořadí (počet zaznamenaných výraznějších zvuků) a na ose y pak čas v sekundách. Tento stav lze označit za vysokou frekvenci, která je typická jak pro změnu stavu soustavy při chladnutí (klesající intenzita), tak při zahřívání (rostoucí intenzita).

Tento zvuk je závislý na rychlosti náběhu či poklesu teploty otopné vody a může vznikat (kromě jiných vlivů) velmi často v důsledku následujících příčin.

1) Chování uživatelů

Chováním uživatelů, kteří náhle ručně změní zatékání otopné vody do těles, například po uzavření přívodu do tělesa v průběhu celé noci, v tělese vychladne podle velikosti a typu článků cca 1 litr vody/článek. Pro těleso o 20 článcích je to cca 20 litrů vody blízké teplotě vzduchu v místnosti, což může být i 20 až 22 °C. Takto studená voda po náhlém otevření ventilu vlivem tlakového impulzu je „vylita“ do horkého potrubí (ve výpočtovém stavu až 75 °C), kde dojde k náhlému ochlazení vratné vody ve stoupačce. Rychlá změna teploty (pokles či růst v čase) způsobí pnutí materiálu potrubí i tělesa, což se projeví nežádoucím zvukem = hlukem proměnlivé intenzity. Hluk zmizí po ustálení rychlých teplotních změn.

Jiným nepříznivým důsledkem vysoké četnosti uzavírání ventilů uživateli je hluk způsobený prouděním, které lze někdy popsat jako „hučení“. Tento hluk vzniká nesprávným řešením celé otopné soustavy, a to zejména tzv. stabilizací diferenčního tlaku ve zdroji. Jestliže je soustava za provozu navržena například na průtok 10 m3·h–1 a 20 % uživatelů postupně náhlým uzavřením odmítne průtok vody do svých těles, zdroj pak neúprosně a s dynamickým rázem začne „tlačit“ otopnou vodu do ještě otevřených těles na stoupačce a v domě. Tento „šťouchanec“ může podle teplotních podmínek způsobit, byť nepatrné změny způsobující hlučnost krátkým zaklepáním, ale také chvění při vysoké rychlosti proudění nadměrného množství otopné vody skrze malý průtočný průřez částečně či naplno otevřeného ventilu (šum až hukot). Pokud není správně seřízena a řízena otopná soustava, může být toto „hučení“ téměř trvalým jevem.

Někteří lidé to z nepochopitelných důvodů omlouvají s argumentací, že to tak má být, prý je to logické, materiály dilatují – zřejmě radil někdo, kdo neumí problém odstranit i přesto, že olejem namazal průchodky trubek stropem i podlahou, aneb: „Když to skřípe v rodině, je dobré to namazat!“

2) Nevhodné technické řešení a nastavení regulace

Nevhodné technické řešení a nastavení regulace průtoků a teplot otopné vody, resp. vliv teplotní hystereze = rozdíly teplot spínání, rychlost pohybu servopohonů, atd. Distribuce tepla do místnosti je složitou funkcí mnoha okrajových podmínek. Základní bilanci potřeby tepla na vytápění v místnosti zajišťuje otopné těleso, které zajišťuje pokrytí tepelné ztráty. Fyzikálně správná bilance tepla vychází z výsledné bilance vytápěné místnosti, tj. z tepelných ztrát prostupem tepla (podle okamžité venkovní teploty), větráním a z externích či interních tepelných zisků » například skrze příčky od sousedů, ze Slunce, domácí činnosti a také i z otopného tělesa. Součet tepelných ztrát se záporným znaménkem, tepelných zisků s kladným znaménkem musí být roven nule. Pokud je výsledkem záporná hodnota, musíme zajistit dostatečný přívod tepla z otopného tělesa, dokud není výsledná bilance rovna nule.

Pokud se provádí často nesmyslné útlumy, je třeba také uvažovat s akumulací tepla, která proces výroby a distribuce tepla z tělesa do místnosti výrazně ovlivňuje.

Rovnovážnou bilanci dokáže zajistit pouze správně seřízený termostatický ventil a správně nastavená termostatická hlavice, pokud není okamžitá převaha tepelných zisků nad ztrátami z jiných zdrojů než z tělesa. Při správně nastavené termostatické hlavici jsou využity všechny tepelné zisky a účinnost využití tepla je v daném okamžiku maximální a vede k nejnižší spotřebě tepla z otopné soustavy = maximální úspory tepla z otopné soustavy.

Převaha tepelných zisků způsobuje nežádoucí zvýšení teploty vzduchu v místnosti, což lze ovlivnit do určité míry větráním a pak chlazením, což není obvyklým řešením domů pro hromadné bydlení v ČR. Základní bilanci tepelných ztrát, zisků a akumulace tepla lze zapsat:

Pt = (Pp + Pv) – (Pe + Pi + Ps) ± Pak

kde je:

  • Pt     potřeba tepla z otopného tělesa,
  • Pp     tepelné ztráty prostupem konstrukcemi,
  • Pv      tepelné ztráty větráním,
  • Pe     tepelné zisky z exteriéru,
  • Pi      tepelné zisky z interiéru,
  • Ps     tepelné zisky od sousedů či sousedních místností,
  • Pak  kladná nebo záporná akumulace konstrukcí a vybavení místnosti.

Jsou-li pro ilustrativní příklad během dne a noci teoreticky stejné venkovní teploty a tepelné ztráty činí Pzt = 1000 W a tepelné zisky Pe = 200 W, Pi = 200 W, Ps = 150 W a Pak = 0 W, potom je potřeba tepla z otopného tělesa Pt = 1000 – 200 – 200 – 150 – 0 = 450 W. Pokud v noci nejsou vnější zisky Pe a vnitřní Pi se sníží na 100 W a „soused dodává“ stále 150 W, pak potřebujeme z tělesa P = 1000 – 0 – 100 – 150 – 0 = 750 W. Závěrem tak lze říci, že přes den nám stačí 450 W, ale v noci potřebujeme 750 W z tělesa. Při konstantní a dostatečně vysoké ekvitermní teplotě otopné vody tw1 z toho jednoznačně plyne, že se otopná voda podstatně více ochladí a tím i klesne teplota vratné vody – na vratném potrubím z otopných těles.

Co to znamená z hlediska povinné instalace metod pro indikaci „spotřeby tepla“ dle vyhlášky č. 194/ 2007 Sb. ve znění novely č. 237/ 2014 Sb. §7a, odstavec 2 – pro tzv. indikátor instalovaný na odtokové trubce z otopného tělesa? Ačkoliv výkon otopného tělesa stoupnul, na odtokové trubce (vratném potrubí) je nižší teplota = indikace poklesu výkonu oproti skutečnosti = přiřazení indikované hodnoty, která neodpovídá spotřebě tepla z tělesa. Dalších dvou metod se to netýká, jelikož využívají jiný princip.

Z logiky ekvitermní regulace vyplývá, že při stejné venkovní teplotě přes den i v noci bude regulátor udržovat na vstupu do tělesa stále stejnou teplotu otopné vody tw1. Je-li přitom požadavek na jiný tepelný výkon tělesa ve dne a v noci, musíme v našem příkladě při stejné vstupní teplotě otopné vody zařídit na noc vyšší výkon než ve dne, tj. 750 : 450 = 1,67x vyšší!!! To při optimální konstantní ekvitermní teplotě otopné vody tw1 pro nižší výkon znamená zvýšit rapidně průtok vody tělesem, aby se adekvátně zvýšila střední teplota tělesa. Jinak by se ekvitermní voda z teploty tw1enormně ochladila a nebylo by dosaženo požadovaného zvýšeného výkonu tělesa. Zvýšený průtok, úměrný zvýšenému výkonu, musí být v souladu se správným středním logaritmickým teplotním rozdílem mezi střední teplotou tělesa a teplotou vzduchu v místnosti. V tomto případě, když se rapidně zvýší průtok, rapidně se zvýší také hydraulické odpory a na to není otopná soustava (v četných případech) nejen nastavena, ale ani navržena.

Podstatně lepším řešením je pak jiný přístup, resp. změna teplotních parametrů otopné vody při přibližně stejném průtoku vody. To znamená, pomocí zvýšení teploty otopné vody nad ekvitermní teplotu tw1 docílit zvýšený potřebný výkon tělesa (jen je třeba vědět jak a o kolik a jak toto řešení automatizovat).

Takových kombinací řešení změny výkonu podle potřeby je více a mohou mít také fatální důsledek na indikaci na odvodní trubce z tělesa, jelikož lze „uměle“ měnit teplotu na odvodní trubce z tělesa, a přitom zcela měnit výkon tělesa, aniž by mezi teplotou vratné vody z tělesa a výkonem byla nějaká objektivně uznatelná korelace, která by odůvodňovala vykazovat stejné výsledky odpovídající výkonu tělesa.

3) Nevhodné nastavení ekvitermní křivky

Nesprávná volba ekvitermní teploty otopné vody v důsledku neznalosti odběratelské otopné soustavy či připojení odběratelské části otopné soustavy ke zdroji, který zásobuje divoce a různorodě zateplené objekty. Například ideálně rovnocenně postavené objekty, ale s různým stupněm zateplení, který po zateplení zcela mění proporce původně stejných objektů i co do velikosti tepelných ztrát. Původní projektované parametry otopné vody se nedají použít, a po zateplení, byť jen jednoho z celé skladby objektů (nebo např. vchodů) musí parametry odpovídat každé individuální změně podle stupně zateplení.

Problematika je poměrně rozsáhlejší, a proto poukážu pouze na jeden hrubý nedostatek, který způsobuje nevyváženost otopné soustavy a časté disfunkce, vč. hlukových doprovodů. Hlavní příčinou je způsob napojení objektu na zdroj tepla. Pro dodatečně zateplený objekt v drtivé většině případů nevyhovuje ekvitermní teplota otopné vody tw1, která je dána samotnou distribuční vzdáleností. Ekvitermní teplota vody (upravená i s ohledem na chladnutí po cestě) bývá nastavena tak, aby nejhůře zateplený dům měl garantovány dostatečné tepelné podmínky pro dosažení potřebného výkonu vytápění. Všechny ostatní objekty, pokud nemají vlastní regulaci fyzikálně správné teploty otopné vody pro svůj objekt, jsou zásobovány de facto nadměrnou hodnotou „ekvitermní teploty vody“, která se u tlakově závislých soustav dostává přímo do těles uživatelů. Vlivem chybného hydraulického řešení a seřízení otopné soustavy bývá seřízení TRV na průtok podle instalovaného výkonu tělesa, což zaručuje značně vyšší průtoky, než je fyzikálně zapotřebí. Takto se nepřirozeně zvyšuje nabídka vysokého výkonu z tělesa a trubek stoupaček, což vede ke dvěma nešvarům.

a) V důsledku výše popsané nabídky nadměrného výkonu jsou tělesa uzavírána ručně tj. uživateli = stačí jim vytápět trubkami bez měření a indikací. Výsledkem je odmítání části otopné vody, jejíž průtok se velmi často dostává na hodnoty mezi 25 až 50 %. Samozřejmě se snížením hydraulických odporů pod 10 % až 25 %. Seřízené armatury se dostávají na okraj či mimo rámec své schopnosti cokoliv regulovat a při stabilizaci diferenčního tlaku podle původního projektu se veškerá regulace přenáší na TRV v bytech s doprovodnými jevy hlučnosti, atd. – viz text v počátku článku.

b) V důsledku vysoké teploty otopné vody se teplota na zpátečce tělesa ochlazuje téměř na teplotu místnosti. Výsledkem jsou vysoké teplotní rozdíly a vysoký potenciál teplotních změn = potenciál hlučnosti. Souběh rapidně sníženého průtoku a vysokých teplotních změn vede k tomu, že u vysokých budov stačí využívat samotíž a diferenčním tlakem na patě stoupaček zajišťovat cirkulaci pouze u níže položených těles resp. v něko­lika málo podlažích. Zkušenost z praxe: dům měl na patě domu 4 kPa, automatický regu­látor byl nastaven na 5 kPa, ­namísto průtoku 12 m3·h–1 pouze necelých 6 m3·h–1 a všichni v ­13podlažním domě byli spokojeni a nikde systém netrpěl tzv. „nedotápěním“!

Závěr

Již samotný název naznačuje, že existuje více necyklických, než cyklických a přitom negativních změn v otopných soustavách, které jsou způsobeny řadou netechnických (nefyzikálních) přístupů k regulaci, změnami vyvolanými různorodým zateplováním, u kterých nestačí pouze seřízení, které se provádí výhradně škrcením, a které se negativně promítnou na hydraulickou stabilitu celé soustavy. Dále jsou to nesystémové přístupy, které nezohledňují dynamickou proměnlivost potřebných výkonů těles, což lze nejlépe dokumentovat na výše uvedeném příkladě, který vynikne více, když vezmeme k porovnání místnosti s plnými tepelnými zisky na jižní straně a naopak na severní straně prakticky s žádnými, pokud tam nejsou interní tepelné zisky.

Výchozím podkladem pro nové seřízení otopné soustavy by měla být analýza stávajícího technického řešení a vybavení otopné soustavy, dále posouzení výpočtových parametrů původní otopné soustavy a komparace s potřebnými hodnotami po zateplení podle PENB, kontrola stavu hospodaření teplem podle skutečné spotřeby v porovnání s potřebami na stav po zateplení. Dále by měl být proveden komplexní přepočet otopné soustavy na stav po zateplení a stanovení fyzikálně správných parametrů otopné vody na patě domu, vč. návrhu technického řešení nového stavu tak, aby bylo možné nastavit a plynule a dynamicky regulovat nové potřebné parametry otopné vody, které neumožní přetápění místností. Vybavení paty domu má být s plně automatickým provozem a řízením = okamžitá zpětná vazba s kontrolou a korekcí při nebezpečí překročení měrných spotřeb tepla a eventuelně sjednaného maxima výkonu.

Dále se doporučuje řídit výkon tělesa správně nastavenou termostatickou hlavicí (nikoliv zbytečně náhlým ručním otvíráním a zavíráním), která pracuje automaticky a bez pomoci osob. Tj. automatické pomalé pohyby kuželky výrazně snižují četnost projevů hlučnosti.


(Non)recurrent changes in the operation of heating appliances

The author summarizes current issue – heating of apartment buildings after thermal insulation of the object. The heating system very often remains with any requisite modifications done after the house is insulated and its operation during heating season is very difficult to predict.

Keywords: Heating, Radiators, Heat Measurement, Heating System, Operation of Heating System