Datum: 17.7.2017 | Autor: Ing. Jakub Spurný, Ing. Michal Kabrhel, ČVUT v Praze, Fakulta stavební | Organizace: Časopis Vytápění, větrání, instalace | Zdroj: Vytápění větrání instalace 1-2017 | Recenzent: prof. Ing. Jiří Bašta, Ph.D.
Článek se zabývá vlivem tepelných ztrát rozvodů a s tím souvisejícího ochlazování otopné vody na návrh dvoutrubkové protiproudé otopné soustavy. Na referenčním výpočetním modelu otopné soustavy bylo sledováno, jaké mají tepelné ztráty rozvodů a ochlazování otopné vody důsledky na otopnou soustavu s navrženými hmotnostními průtoky klasickým výpočtem. V další části byly na vytvořeném matematickém modelu dimenzování otopných soustav, který tepelné ztráty rozvodů a ochlazování otopné vody uvažuje, porovnávány výsledky s klasickým návrhem. Jako porovnávaná veličina byly zvoleny hmotnostní průtoky, které ovlivňují tepelné i tlakové chování otopných soustav.
Úvod
Článek se zabývá vlivem tepelných ztrát rozvodů (dále TZR) do okolí a s tím souvisejícího chladnutí vody v potrubí na dimenzování dvoutrubkové protiproudé otopné soustavy (dále OS).
Při klasickém návrhu otopných soustav s TZR není uvažováno a tím pádem se navrhuje s konstantními teplotami po celé OS, což není fyzikálně zcela přesné [1, 2, 3]. Vliv TZR je v klasickém výpočtu kompenzován stejně jako u dalších nepřesností volbou vyššího výkonu tělesa, než je vypočítaná tepelná ztráta místnosti. Ve skutečnosti k TZR dochází a díky jejich zanedbání ve výpočtech může u některých soustav docházet k chybným stavům. Ty se projevují zejména v rozsáhlejších OS s vyššími počátečními teplotami vody, ale ani u nízkoteplotních OS nemusí být odchylky zanedbatelné. Příkladem 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. Problém je řešen zvýšením počáteční teploty a tvorbou většího množství tepla, což vede k neekonomickému provozu. Díky tomuto problému dochází k diskomfortu obyvatel v jednotlivých prostorech a neefektivnímu návrhu a provozu z hlediska ekonomiky i energetické náročnosti.
Analýza problému
Obr. 1 Schéma referenční otopné soustavy
Fig. 1 Diagram of the reference heating system
Na referenční OS (viz obr. 1) bylo namodelováno chování OS při uvažování TZR, pokud byla OS navržena klasickým výpočtem a stabilizována na průtoky z tohoto výpočtu. Skutečné chování OS při klasicky navržených a nastavených hmotnostních průtocích je řešeno v následujících variantách.
Var. A – rozvody s tepelnou izolací (s TI) dle [4] (sTI = 30 mm), např.: novostavba.
Var. B – rozvody bez tepelné izolace (bez TI), např.: rekonstrukce zateplení obálky objektu, OS stávající:
- původní OT 950 W – teplotní rozdíl OS 90/70 °C,
- OT po zateplení 700 W – teplotní rozdíl OS 75/60 °C,
- rozvody vedeny mimo vytápěný prostor.
Tyto varianty byly porovnávány s výsledky z klasického výpočtu.
Obr. 2 Teplota na konci úseku – přívodní potrubíbr />Fig. 2 Temperature at the end of the section – supply pipe
Obr. 3 Teplota na začátku úseku – vratné potrubí
Fig. 3 Temperature at the beginning of the section – return pipe
Na obr. 2, resp. obr. 3 jsou znázorněny skutečné teploty přívodního, resp. vratného potrubí na konci, resp. na začátku jednotlivých úseků.
Z výsledků je patrné, že skutečné teploty nejsou takové, jaké byly v klasickém výpočtu uvažovány. Pokles teplot se zákonitě musí projevit snížením předávaného výkonu jednotlivých OT, protože se vzdáleností od zdroje tepla klesá střední teplota na OT. Poklesy výkonů OT jsou znázorněny procentuálně na obr. 4.
Obr. 4 Tepelný výkon OT
Fig. 4 Heat output OT
Z výsledků vyplývá, že výkon OT se při klasickém návrhu odchyluje se zvětšující se vzdáleností od zdroje tepla od požadovaného výkonu. Z tohoto důvodu může docházet k nedotápění, i když jsou otopná tělesa navržená o 1 až 10 % vyšší, než jsou tepelné ztráty prostoru.
Návrh řešení
Obr. 5 Schéma pro rovnici tepelné ztráty úseku potrubí
Fig. 5 Diagram for heat loss equation of a pipe section
Navrhovaný výpočetní model zohledňuje důsledky TZR a skutečné teploty v jednotlivých bodech OS. Model je založen na zvolené požadované teplotě na počátku soustavy a zvolené koncové teplotě teplonosné látky, která se vrací do zdroje tepla. Ostatní teploty jsou dopočítávány z chladnutí teplonosné látky po trase v důsledku tepelných ztrát do okolí a hmotnostních průtoků v daných úsecích. Skutečné hmotnostní průtoky pak odpovídají zmenšujícímu se teplotnímu spádu se vzdáleností od zdroje. Zákonitě tedy musí být větší než při klasickém výpočtu. 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/s],
- c
- měrná tepelná kapacita [J/(kg.K)],
- t1
- teplota vody na počátku úseku [°C],
- t2
- teplota vody na konci úseku [°C],
- ti
- teplota okolí [°C],
- L
- délka úseku [m],
- U
- součinitel prostupu tepla vztažený na jednotku délky, viz [4] [W/m.K].
OT jsou tedy navrhována na skutečné teploty a také je uvažováno s tím, že se TZR podílejí na vytápění jednotlivých vytápěných prostor. Takto navržená OS má přesnější hodnoty hmotnostních průtoků pro extrémní návrhové podmínky, na které je poté hydraulicky vyvážena.
Analýza řešení
Porovnání výsledků výpočtu OS klasickým návrhem oproti návrhu s ochlazováním vody a TZR bylo provedeno na referenční OS, viz obr. 1. Pro znázornění důležitosti tepelné izolace byl výpočet s ochlazováním proveden ve dvou variantách:
Var. 1 – rozvody s tepelnou izolací (s TI) dle [4] (sTI = 30 mm).
Var. 2 – rozvody bez tepelné izolace (bez TI).
Obr. 6 Teplota na konci úseku – přívodní potrubí
Fig. 6 Temperature at the end of the section – supply pipe
Obr. 7 Teplota na konci úseku – vratné potrubí
Fig. 7 Temperature at the end of the section – return pipe
Pro přehlednost je uvažováno s tím, že vytápěné prostory nejsou dotovány TZR, které v tomto případě vedou v jiném prostoru. Na obr. 6 a 7 je vidět, o kolik poklesne teplota směrem od zdroje tepla k jednotlivým OT na přívodním potrubí a o kolik poklesne na vratném potrubí směrem od OT ke zdroji.
Tyto důsledky zmenšujícího se teplotního spádu směrem od zdroje pak musí být zohledněny v hmotnostních průtocích. Jejich procentuální nárůst oproti průtokům vypočítaným klasickým návrhem je zobrazen na obr. 8.
Obr. 8 Porovnání hmotnostních průtoků v úsecích
Fig. 8 Comparison of mass flow rates in sections
Z obr. 8 je patrné, že hmotnostní průtoky vychází rozdílně při uvažování ochlazování otopné vody oproti klasickému výpočtu. Dále také je vidět, že na rozdílné výsledky má vliv izolace rozvodů (výsledky Var. 1 oproti Var. 2), proto by se měla řešit kvalita izolace již v dimenzování OS.
Dalším, čeho si můžeme všimnout při výpočtu s ochlazováním a co v klasickém výpočtu není řešeno, je, že všechny tři stejně velká OT nemají 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. Z tohoto důvodu pak na úseku E-E´ vychází vyšší průtok než na úseku B-B´ i D-D´.
Odchylky hmotnostních průtoků, které jsou patrné z obr. 8, budou mít vliv na nastavení regulačních ventilů, vyvažovacích ventilů a oběhových čerpadel.
Závěr
V článku bylo poukázáno na odchylky, které způsobuje dimenzování OS klasickým způsobem, v němž nejsou zohledněny poklesy teplot po trase a vliv tepelných ztrát rozvodů. Dále byl ukázán možný přístup k návrhu OS, tak aby nedocházelo k nedotápění jednotlivých prostorů, které mohou TZR způsobovat. Při navrhování otopných soustav by měly být zohledněny vlastnosti a tloušťka tepelné izolace potrubí, a to již při výpočtu dimenzování OS a návrhu OT. Z grafů jsou patrné značné rozdíly mezi OS bez tepelné izolace a OS s tepelnou izolací dle [4].
V článku byla pro referenční OS použita maximální počáteční teplota, kterou povoluje [4]. Je samozřejmé, že s nižšími teplotami se sníží TZR a tím se sníží i odchylky teplot a hmotnostních průtoků od výsledků z klasického výpočtu. Jaké jsou velikosti odchylek hodnot při nízkoteplotních OS, bylo namodelováno v [1].
Použité zdroje
- SPURNÝ, Jakub: Vliv ochlazování topné vody při návrhu otopné soustavy. Praha, 2016. Diplomová práce. ČVUT v Praze.
- RÁŽ, J. V., CENTROTHERM. [online]. 15. 6. 2016. Dostupné z: http://www.usporyteplaets.cz/
- CIHELKA, J. a kol., ISBN Vytápění, větrání a klimatizace. Praha: STNL, 1985.
- Vyhláška č. 193/2007 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu.
Komentář recenzenta
prof. Ing. Jiří Bašta, Ph.D.
Tepelná ztráta v rozvodech by neměla být kompenzována, jak autor uvádí, volbou vyššího výkonu otopného tělesa, než je tepelná ztráta místnosti, neboť dle vyhlášky č. 193/2007 Sb. je nutno započítávat tepelné zisky od horizontálních i vertikálních rozvodů jdoucích vytápěným prostorem do návrhu tepelného výkonu otopných těles. Hydraulika, resp. hmotnostní průtok, u dvoutrubkových otopných soustav vychází z instalovaného výkonu otopných těles, a nikoli z tepelných ztrát místností.
Vzhledem k tomu, že instalovaný výkon je vždy o něco málo větší než optimálně požadovaný (v technických podkladech výrobců otopných těles nikdy nenajdeme těleso se stejným tepelným výkonem, jako je tepelná ztráta místnosti minus tepelné zisky od rozvodů), kompenzuje se tím fakt, že do každého otopného tělesa neproudí voda o stejné teplotě. Dalším důvodem je, že pokud se nejedná o nízkoteplotní otopné soustavy, tak téměř nikdy nejsou provozovány na jmenovité teplotní podmínky, na které soustavu navrhujeme, a vždy je tam dostatečná teplotní rezerva jdoucí ruku v ruce s povinností zajištění místní regulace.
Vyhláška rovněž říká, že všechny rozvody procházející nevytápěným prostorem, pokud nejsou cíleně využity pro temperování tohoto prostoru, musí být tepelně izolovány. Proto považuji závěry z porovnání dvou limitních stavů – vše izolováno versus nic neizolováno – za mírně zavádějící.
Je rovněž vhodné si uvědomit, že při návrhu otopné soustavy počítáme přesně s nepřesnými čísly a projekt není nikdy ve 100% souladu s konečným provedením otopné soustavy. Chyba v nepřesných číslech začíná už výpočtem tepelných ztrát objektu, pokračuje návrhem otopných těles a přesouvá se i do hydrauliky.
Problematika poklesu teploty vody s délkou rozvodů je však velmi důležitá a neopomenutelná u dnes stále více používaných horizontálních jednotrubkových otopných soustav, to však není tento případ.
English Synopsis
Effect of Heat Distribution Losses and Cooling of Heating Water on Design of Heating System
The article deals with influence of heat losses in distribution system and related cooling of heating water on the design of two-pipe counter-flow heating system. On the numerical reference model was studied the effect of distribution heat losses and cooling of the heating water on the heating system with mass flow rates designed by conventional calculation. In the following part were compared results from conventional design with design based on the numerical model which considered heat losses of the distribution system and cooling of the heating water. Mass flows rates were chosen as the compared variable, as they affect both thermal and pressure behavior of heating systems.
