Vzájemné ovlivňování průtoků mezi topnými okruhy – 1. 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

Hydraulické okruhy nejsou vždy počítány s pozorností, jakou si zaslouží. Snad je to tím, že mnohdy vypadají příliš jednoduše na to, aby vzbuzovaly zaslouženou pozornost.

Tato zdánlivá jednoduchost často vede k chybnému konceptu hydraulické sítě. Následky bývají dramatické a opravy velmi drahé. V praxi se setkáváme se třemi typy problémů:

1. Interference mezi topnými okruhy;
2. Kompatibilita (nebo spíš nekompatibilita) mezi okruhy;
3. Kompatibilita (nebo spíš nekompatibilita) mezi okruhy a regulací.

V topenářských instalacích je otopná voda produkována v kotlích, aby byla následně distribuována do koncových jednotek. Kotle a jednotlivé okruhy jsou vzájemně propojeny hydraulickým systémem. Ten musí být vypočten takovým způsobem, aby každá koncová jednotka měla k dispozici požadovanou energii za všech provozních podmínek svého fungování.

Přestože jsou zdroje tepla navrženy tak, aby pokryly nejvyšší potřeby, často se stává, že požadovaný výkon není pro některé okruhy k dispozici.

Nejsou vzácné případy, kdy je instalovaný výkon i o 50 % vyšší než výkon potřebný, přesto je přenositelný výkon podstatně menší než výkon instalovaný. Příčinou takového stavu je nekompatibilita, jinak řečeno neslučitelnost průtoků.

2. Propojení okruhu zdroje tepla s otopnou soustavou

Existuje několik způsobů, jak propojit okruh zdroje tepla s vlastní otopnou soustavou (OS). Historicky nejrozšířenějším řešením je HVDT – hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků. Dříve se také používal název anuloid nebo hydraulická výhybka. Způsob oddělení je na obr. 1.

U klasických kotlů s přívodem vody do otopné soustavy přes HVDT se požadovalo, aby primární průtok byl o 5 až 10 % větší než součet všech vyregulovaných průtoků na straně odběru tepla. Pokud tomu tak nebylo, vytvářel se na výstupu z HVDT směšovací bod. V něm se směšuje voda ze zpátečky s vodou od zdroje tepla, snižovala jeho teplotu, a tím neumožnila přenos potřebného výkonu do soustavy.

U kondenzačních kotlů by měla platit vyrovnanost průtoků na obou stranách HVDT, zajišťovaná regulací kotlových čerpadel.

Schéma podle obr. 1 se nedoporučuje u kotlů se spalinovými výměníky ze slitiny hliníku s křemíkem. Demineralizovaná voda s další chemií potřebná v kotlovém okruhu, způsobuje v OS elektrochemickou korozi s vážným poškozením všech jejích prvků.

V takových případech se doporučuje schéma zapojení s deskovým výměníkem tepla (obr. 2), který odděluje oba okruhy. Těch schémat zapojení může být větší počet, bez čerpadla za DVT nebo s ním, s čerpadlem a HVDT, s regulací s 3CV, s bypassem před 3CV, s vyvažovacím ventilem v bypassu 3CV nebo s přímým regulačním ventilem a směšovacím bypassem. Všechny tyto kombinace mají svá specifika a jednotlivé prvky není možné kombinovat libovolně, jak se v praxi často stává. K dalším z nich se dostaneme v pokračování tohoto článku v Topin č. 3/2022.

3. Oddělení okruhů deskovým výměníkem tepla

Oddělení obou okruhů deskovým výměníkem tepla (DVT) se používá pro oddělení vody různé kvality nebo různého tlaku. Hlavní výhodou by mohlo být výrazné potlačení elektrochemické koroze způsobené vodou v kotlovém okruhu.

Řešení s DVT má i několik nevýhod. Vyžaduje to dodatečné náklady na instalaci další expanze, armatur i jiný systém doplňování vody. Také se musí počítat se ztrátou účinnosti, kdy teplota na výstupu z kotle musí být vyšší než u napojených okruhů. Také se nevyužije výhoda kondenzačních kotlů, u kterých ke kondenzaci při vyšších teplotách vody nedochází. Nevyhneme se ani potřebě řešit možnou neslučitelnost průtoků mezi DVT a rozdělovačem s topnými okruhy.

4. Hydraulická interaktivita v topných okruzích

Podívejme se na okruh kotelny oddělený od okruhu koncových jednotek deskovým výměníkem tepla.Na rozdělovači jsou 4 okruhy s různými průtoky (q_i) i s různou dopravní výškou čerpadel (h_i).

Z praxe je známo, že při zapnutí některého z topných okruhů klesají průtoky u okruhů na společném rozdělovači, a to i o desítky procent. U nejmenších okruhů to může vést až k obrácení průtoku, nebo jeho zastavení, pokud je v okruhu instalována zpětná armatura.

Aby bylo možné tyto jevy matematicky popsat, byl vytvořen vztah mezi průtoky, tlakovými ztrátami a provozními body oběhových čerpadel. Víme, že provozní bod okruhu je průsečík charakteristiky potrubní sítě s charakteristikou čerpadla. U moderních čerpadel s jednou z pole možných charakteristik. Charakteristika porubní sítě je parabola daná dvěma body, počátkem a požadovaným průsečíkem jmenovitého průtoku a požadovaného dopravního tlaku čerpadla.

Na základě těchto hodnot je podle rovnice (1) možné získat představu, které okruhy zvolené kolísání průtoků narušují a co se s tím dá udělat. Obvykle se doporučuje omezit kolísání průtoku o hodnotu do 20 %.

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 posuzovaném okruhu [m³·h^–1],
Σq_i – součet průtoků z napojených okruhů [m³·h^–1].

S využitím těchto vztahů byla sestavena tab. 1 s konkrétními hodnotami průtoku a tlakových ztrát.

Z praktických důvodů je tab. 1 doplněna i o správné dimenze potrubí s jejich měrnou tlakovou ztrátou. Často bývají dostatečné dimenze potrubí jen v cenových nabídkách topenářských firem, ve vlastní instalaci jsou pak o jednu, nebo i o dvě dimenze menší. Zejména u okruhů, které nikdy nikdo hydraulicky nepočítal.

Tab. 1 by měla být součástí každého projektu. Jak dále uvidíme, ani to často nestačí ke kvalitnímu fungování rozvodu. Proč? U okruhu teplé vody (TV), který je oproti ostatním okruhům výrazně kratší, je logicky nejmenší tlaková ztráta, jen 30 kPa. Hodnota součinitele φ překračuje maximální povolenou hodnotu 0,3 (je 0,5). Znamená to, že mezi okruhy bude docházet ke vzájemnému ovlivňování průtoku s negativními důsledky. A to i za předpokladu vyvážení okruhů podle výpočtových podmínek a vyvážení bypassů okruhů UT₁ a UT₂. Vyvažovací ventily v bypassech mají mít stejnou tlakovou ztrátu, jaká je mezi body A a B na schématu. Zde například 15 kPa.

5. Jak vyvážit topné okruhy

Pokud připustíme maximální změnu průtoku u jednotlivých okruhů do 20 %, pak maximální diferenční tlak v okruhu deskového výměníku tepla mezi body A a B musí být menší, jak 30 % z nejmenší tlakové diference ze všech čerpadel na rozdělovači. V tab. 1 sledujeme poměr φ, kde okruh 2 je prakticky na hranici fenoménu interaktivity, protože poměr 15/50 je přesně 0,3. To ale není případ okruhu č. 3, kdy poměr 15/30 je 0,5.

Obr. 3 je jen pro ilustraci. Pokud si budeme pamatovat φmax = 0,3, na zbytek tabulky můžeme zapomenout.

V případě, kdy okruhy nejsou vyváženy, navíc mají významnou tlakovou ztrátu ve společném okruhu mezi body A a B vzniká nebezpečí, že u okruhu s nejmenší dopravní výškou čerpadla bude průtok obrácen přetlakem ze sběrače. Teplota zpátečky bude pak vyšší, než je teplota na vstupu do okruhu. Taková situace se běžně projevuje v případech, když se podcení tlaková ztráta společného potrubí nebo výběr oběhových čerpadel jednotlivých okruhů.

6. Jaké je řešení takové situace?

Z tab. 1 vidíme, že podmínku slučitelnosti průtoku nesplňuje okruh q₃ pro přípravu teplé vody, a to díky jeho minimální dopravní výšce čerpadla, jen 30 kPa. Abychom hodnotu koeficientu φ snížili z 0,5 na požadovanou hodnotu 0,3, musíme pro stejný průtok vřadit do okruhu odpor (například ventil STAD), který bude škrtit tlakovou diferenci 20 kPa. Celkový hydraulický odpor okruhu TV pak musí umět hradit oběhové čerpadlo. Často to vede k jeho výměně za výkonnější typ.
V tab. 2 jsou již vyhovující hodnoty.

Všechny hodnoty φ jsou stejné nebo menší než její maximální doporučená hodnota. Tím je zajištěno, že se nám průtoky nebudou měnit o více jak 20 % vlivem vypnutí některého z okruhů, nebo snížením průtoku u některých koncových jednotek vlivem regulace. U okruhu teplé vody, například v případě vypnutí čerpadla po dosažení požadované teploty v zásobníku. Tabulky jsou doplněny o optimální dimenze potrubí DN v závislosti na průtoku. Včetně maximální hodnoty měrné hydraulické ztráty R [Pa·m^–1].

Je až příliš investorů, kteří v rámci úspor hledají firmu Topení-Voda-Plyn, která stejně jako investor, nic netuší o interferenci a nekompatibilitě mezi jednotlivými hydraulickými okruhy. Ono takové propojení kotelny s rozdělovačem s topnými okruhy bez projektu se zdá být velmi jednoduché.

Před schválením cenové nabídky na topenářské práce se dá investorům doporučit, aby firmu investor požádal o vyplnění prázdné tabulky. Hned bude jasné, co vlastně firma o vyvažování otopných soustav ví. Nebylo by nic proti ničemu, aby taková tabulka byla požadována i od projektanta kotelny. Investor tím získá jistotu, že mu kotelna i navazující otopná soustava bude léta bez problému fungovat a vyhne se mnohaletým, nikdy nekončícím a nikam nevedoucím opravám od topenářských dobrodruhů.

Literatura

[1] ČÍHAL, Z.: Příčiny možného kolísání tlaku v soustavách s uzavřenou ex­panzní nádobou. Topenářství instalace, 2017, roč. 51, č. 8, s. 72–75. ISSN 1244–0906. Dostupné z https://ly/3ICdhco>.
[2] DOUBRAVA, J.: Vyvažování potrubních sítí (2. přeprac. a rozšíř. vyd.). Tour & Andersson Hydronics, spol. s r.o., Pra­ha 1997, 80 s.
[3] DOUBRAVA, J.: Čerpadlo – na přívod nebo na zpátečku? Topenářství instalace, 1996, roč.: 30, č. 1, s. 56–58. ISSN 1244–0906.
[4] JAUSCHOWETZ, R.: Srdce teplovodního topení – hydraulika. Herz Armatu­ren Ges, Wien 2004, 200 s. Dostupné z https://bit.ly/3vne2Sz>.
[5] PETITJEAN, R.: L’équilibrage hydraulique global. Tour & Anders­son AB, Ljung 1994, 539 s. ISBN 9789163026287.
[6] PETITJEAN, R.: Total hydronic balancing: A handbook for design and troubleshooting of hydronic HVAC systems. Tour & Andersson AB, Ljung 1994, 485 s. ISBN 91­630­2626­0.
[7] RUBINOVÁ, O., RUBINA, A.: 100+1 Příklad z techniky prostředí. Tribun EU, Brno 2011, 169 s. ISBN 978­80­7399­265­1.
[8] VAVŘIČKA, R., VRÁNA, J.: Předpisy pro instalaci pojistného ventilu. Topenářství instalace, 2019, roč. 53, č. 1, s. 32–39. ISSN 1244–0906. Dostupné z https://bit.ly/3IwXUBV.
[9] 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>.
[10] 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>.
[11] 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>.
[12] 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>.
[13] ČSN 06 0310. Tepelné soustavy v budovách – Projektování a montáž. 2014–8 (změna Z2. 2017–9). ÚNMZ. Praha.
[14] ČSN 06 0320. Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování. 2006–9. ČNI. Praha.
[15] ČSN 06 0830. Tepelné soustavy v budovách – Zabezpečovací zařízení. 2014–8 (změna Z1: 2014–11). ÚNMZ. Praha.
[16] ČSN 38 6405. Provozní revize. 1988–10 (změna Z1: 1999–5). ÚNM. Praha.
[17] ČSN EN 12828+A1.Tepelné soustavy v budovách – Navrhování teplovodních otopných soustav. 2014–11.
ÚNMZ. Praha.
[18] Webinář IMI Akademie 28: Interaktivita a kompatibilita průtoků. IMI Hydronic Engineering. 4. 12. 2020. Dostupné z https://bit.ly/3vrtUDQ>.

---

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, heat-ing circuit, flow, influencing, concurrency, regulation, consumption point, heat supply.

DOKONČENÍ PŘÍŠTĚ