Hydraulické pomery v tepelných sieťach po zateplení bytových domov

Stavebnými úpravami bytových domov možno značne znížiť potrebu tepla na vykurovanie. V súvislosti s týmito úpravami sa však nevenuje dostatočná pozornosť hydraulike tepelných sietí v sústavách centralizovaného zásobovania teplom (SCZT), dôsledkom čoho je nerovnomerná dodávka tepla do bytových a nebytových budov. 

Aké sú možnosti úspory energie na čerpacej práci v zdrojoch tepla pred uskutočnením stavebných úprav a po ich uskutočnení? V zásade sú možné dva varianty úprav – kvalitatívny, ak sa objemový prietok nezmení, a kvantitatívny, ak sa zmení objemový prietok teplonosnej látky a tým aj hydraulické pomery v tepelných potrubných rozvodoch.

V rámci znižovania energetickej náročnosti bytových domov sa kladie dôraz na ich zateplenie, resp. výmenu transparentných konštrukcií. Pomocou týchto opatrení sa zlepšujú tepelnotechnické vlastnosti budov, čím sa potreba tepla na vykurovanie podstatne znižuje, ale pôvodné teplovodné zdroje tepla a tepelné siete ostávajú bez zmien.

Zníženú potrebu tepla na vykurovanie treba prispôsobiť (kvalitatívne alebo kvantitatívne) a v ďalšom kroku vyregulovať aj celú vykurovaciu sústavu, čím sa dosiahne optimálny prevádzkový stav. Hydraulické vyregulovanie ako také neznižuje spotrebu tepla v bytovom dome, zabezpečuje však príjem takého množstva tepla do budovy, ktoré potrebuje, respektíve ktoré zabezpečí rovnakú tepelnú pohodu vo všetkých vykurovaných miestnostiach.

Odstraňuje teda nerovnomerné vykurovanie – prekurovanie alebo nedokurovanie – v rôznych častiach budovy. Budova prijíma len toľko tepla, koľko potrebuje, a nedochádza k prekurovaniu alebo nútenému odberu nepotrebného množstva tepla na vykurovanie. Vyregulovaním sa zabezpečí aj hydraulická stabilita vykurovacej sústavy.

Na návrh potrubnej rozvodnej tepelnej siete a stanovenie požiadaviek na zdroj aktívneho tlaku – čerpadlo, resp. čerpaciu prácu – treba podrobne analyzovať okrajové podmienky, čo podstatne ovplyvní prevádzkové náklady celej sústavy CZT.

Zdrojová časť tepla (výhrevňa alebo bloková kotolňa) aj odovzdávacie stanice tepla sú navrhnuté na požadovanú potrebu tepla pred významnou obnovou (zmenou tepelnej ochrany jednotlivých stavebných konštrukcií vrátane výmeny okien, ďalej len „zateplením“). Jedným z opatrení na jej zníženie je použitie moderných kotlových jednotiek s hospodárnejším systémom spaľovania zemného plynu v zdroji tepla. Znížiť dodávané množstvo tepla do bytových domov možno vhodným nastavením regulačných armatúr.

Opis existujúceho stavu

Zdrojom tepla riešenej sústavy CZT je bloková kotolňa s teplonosnou pracovnou látkou s výpočtovým teplotným spádom 110/70 °C. Obeh pracovnej látky zabezpečujú dve obehové čerpadlá, pričom druhé tvorí 100-percentnú zálohu v prípade poruchy.

Výstupné potrubia z teplovodných kotlov sú napojené na tepelnú sieť, ktorá je v bezkanálovom vyhotovení. Pomocou predizolovaného potrubia sa teplonosná látka rozvádza ku kompaktným odovzdávacím staniciam tepla OST 1 až 6. Schéma zapojenia sústavy CZT je na obr. 1.

Obr. 1 Schéma zapojenia tepelnej siete CZT

Na tepelné siete sa vzťahujú rovnaké výpočtové vzťahy ako na teplovodné vykurovacie sústavy, pričom rozlišujeme tlakové straty trením (R . l) a vradenými alebo miestnymi odpormi (Z). Pri vonkajších tepelných rozvodoch podiel tlakových strát miestnymi, resp. vradenými odpormi predstavuje 10 až 20 % z celkových tlakových strát v závislosti od trasovania potrubných rozvodov. Odporúčané rýchlosti prúdenia teplonosnej látky sú v rozpätí w = 0,5 až 2,0 m/s, merný tlakový spád v potrubí je R = 50 až 100 Pa/m.

Okrajové podmienky

Sledovaná SCZT sa analyzovala v troch alternatívach:

1. alternatíva – riešenie situácie pred zateplením jednotlivých bytových domov. DN potrubí tepelnej siete je ponechané ako existujúce a obehové čerpadlo je tiež pôvodné.
2. alternatíva – riešenie situácie po zateplení jednotlivých bytových domov a znížení potreby tepla o 35 %. DN potrubí tepelnej siete je ponechané ako existujúce, len obehové čerpadlo sa vymení za modernejšie, progresívnejšie s nižšou spotrebou elektrickej energie.
3. alternatíva – riešenie situácie po zateplení jednotlivých bytových domov a znížení potreby tepla o 50 %. DN potrubí tepelnej siete je ponechané ako existujúce, len obehové čerpadlo sa vymení za modernejšie, progresívnejšie s nižšou spotrebou elektrickej energie.

Obehové čerpadlo prekonáva tlakové straty trením (R . l) a vradenými odpormi (Z), ďalej tlakovú stratu samotnej OB (Δp_OB). Hodnota súčiniteľa 1,1 predstavuje zvýšenie tlaku na prekonanie vlastnej potreby tlaku v zdroji tepla (výhrevni).

Výpočet a návrh obehového čerpadla

Pri stanovení potrebného pracovného tlaku čerpadla Δp_č v zdroji tepla sa vychádzalo z tejto podmienky:

Δp_č = 1,1 . (Σ(R . l) + Σ(Z) + Δp_OB) (Pa)

kde

Σ(R . l) je tlaková strata trením v roz­vodoch tepelnej siete v Pa,
Σ(Z) je tlaková strata vradenými od­pormi v Pa, približne 10 až 20 % z tlakovej straty trením (R . l) podľa zložitosti SCZT,
Δp_OB je tlakový spád pre OB v kPa.

Prvá alternatíva (nezateplené bytové domy)

Pre vykurovaciu sústavu OB-6 treba zabezpečiť minimálny pracovný pretlak Δp_I,6 = 20 kPa. Pri zvolených DN potrubiach sa preukázali značné tlakové straty a odporúča sa použiť obehové čerpadlo Grundfos TP 80-240/2. Požadovaný pracovný tlak čerpadla pri objemovom prietoku M_0,I = 59,3 m³/h predstavuje Δp_č,I = 199 kPa, čomu zodpovedá dopravná výška čerpadla H_I = 20,0 m. Elektrický príkon čerpadla je P_č,I = 4,7 kW. Spotreba energie za vykurovacie obdobie pri neprerušovanej prevádzke predstavuje E_č,I = 15 891 kWh/r. Prepočty tlakových pomerov pre 1. alternatívu sú spracované v tab. 1.

Tab. 1 Tlakové straty pre 1. alternatívu pred zateplením bytových domov

Druhá alternatíva (zateplené bytové domy)

Pre vykurovaciu sústavu OB-6 treba zabezpečiť pracovný pretlak 20 kPa. Pri zvolených DN potrubí sú podstatne nižšie tlakové straty a výsledkom je, že pracovný tlak čerpadla pri objemovom prietoku M_0,II = 39,6 m³/h predstavuje Δp_č,II = 72,7 kPa, čomu zodpovedá dopravná výška čerpadla H_II = 7,3 m. Pôvodné čerpadlo sa stáva predimenzovaným a bolo by vhodné ho zameniť za obehové čerpadlo TP 80-120/2. Požadovaný elektrický príkon čerpadla je P_č,II = 1,28 kW. Spotreba energie za vykurovacie obdobie pri neprerušovanej prevádzke predstavuje E_č,II = 4 172 kWh/r. Prepočty tlakových pomerov pre 2. alternatívu sú spracované v tab. 2.

Tab. 2 Tlakové straty pre 2. alternatívu po zateplení bytových domov

Tretia alternatíva (zateplené bytové domy)

Pre vykurovaciu sústavu OB-6 treba zabezpečiť pracovný pretlak 20 kPa. Pri zvolených DN potrubí sú podstatne nižšie tlakové straty a výsledkom je, že pracovný tlak čerpadla pri objemovom prietoku M_0,III = 29,7 m³/h predstavuje Δp_č,III = 53,4 kPa, čomu zodpovedá dopravná výška čerpadla H_II = 5,3 m. V pôvodnom čerpadle z 2. alternatívy sa ponecháva obehové čerpadlo TP 80-120/2. Požadovaný elektrický príkon čerpadla je P_č,III = 0,726 kW. Spotreba energie za vykurovacie obdobie pri neprerušovanej prevádzke predstavuje E_č,III = 2 557 kWh/r. Prepočty tlakových pomerov pre 3. alternatívu sú spracované v tab. 3.

Tab. 3 Tlakové straty pre 3. alternatívu po zateplení bytových domov

Ekonomické posúdenie

Pri ekonomickom posúdení sústavy CZT sa hodnotili prevádzkové náklady obehových čerpadiel. Zdroj tepla a potrubné rozvody sú vo všetkých alternatívach rovnaké. Zníženie dodávky tepelného výkonu sa uskutoční regulačnými prvkami v zdroji tepla a na pripojovacích miestach bytových domov. Porovnanie prevádzkových nákladov obehových čerpadiel v jednotlivých alternatívach je uvedené v tab. 4.

Tab. 4 Porovnanie spotreby čerpacej práce pre jednotlivé alternatívy 

Na základe hodnôt v tab. 4 možno konštatovať, že náklady na prevádzku obehového čerpadla v 1. alternatíve sú najvyššie, predstavujú hodnotu E_s,I = 1 100,975 MWh. V 2. alternatíve je však spotreba energie na prevádzku obehového čerpadla E_s,II = 290,095 MWh, čo predstavuje úsporu 74 % oproti 1. alternatíve.

Najvyššia, podstatná úspora energie sa dosiahne v prevádzkových nákladoch pri 3. alternatíve, kde je spotreba energie na prevádzku obehového čerpadla E_s,III = 178,49 MWh, čo predstavuje úsporu 84 % oproti 1. alternatíve.

Na záver

Môžeme konštatovať, že pri plánovaní, návrhu a realizácii sústavy CZT treba zvážiť všetky okolnosti, ktoré limitujú optimálne zabezpečenie potreby tepla pre zásobovaný komplex bytových domov. Na bytových domoch nestačí len vykonať stavebné úpravy v podobe zateplenia. Vďaka týmto úpravám sa výrazne zníži spotreba tepla a tým aj potrebná čerpacia práca v zdroji tepla, zároveň však treba zvážiť aj fakty, ktoré sú na strane dodávateľa tepla, a možnosti úspor v tejto oblasti predovšetkým na čerpacej práci obehových čerpadiel.

Z porovnania jednotlivých alternatív jednoznačne vyplýva, že je potrebná analýza prevádzky sústavy CZT zabezpečujúcej dodávku tepla po stavebných úpravách a že výrazné úspory sa dajú docieliť aplikáciou modernej čerpacej techniky.

Výsledkom všetkých opatrení je zabezpečenie optimálnej, bezproblémovej a predovšetkým úspornej prevádzky celej sústavy CZT. Ako dokazuje aj tento príklad, na dosiahnutie značných úspor po stavebných úpravách bytových domov je vhodnejšie vypracovať niekoľko variantov, vzájomne ich porovnať a až potom sa rozhodnúť pre konečné riešenie. Z analýzy vyplýva, že najhospodárnejšia je 3. alternatíva (obr. 2).

Obr. 2 Porovnanie čerpacej práce v jednotlivých alternatívach

Nezanedbateľnou súčasťou každej sústavy CZT je prevádzková energetická náročnosť, ktorá zohráva dôležitú úlohu pri dlhodobej optimálnej prevádzke. Po výmene obehového čerpadla treba v bytových domoch vykonať hydraulické vyregulovanie vykurovacieho systému na nový stav.

TEXT + OBRÁZKY: doc. Ing. Ján Takács, PhD., Katedra technických zariadení budov, Stavebná fakulta STU v Bratislave, Ing. István Derzsi, Katedra technických zariadení budov, Stavebná fakulta STU v Bratislave

Ilustračné perexové foto: Dano Veselský

Literatúra

1. Pekarovič, J. K. a kol.: Vykurovanie budov I. a II. Bratislava: Edičné stredisko SVŠT, 1989.
2. Petráš, D. a kol.: Vykurovanie rodinných a bytových domov. Bratislava: JAGA, 2005.
3. Hommonay Gy.-né. a kol.: Épületgépészet 2000 -Fűtéstechnika II. Budapest, Épületgépészet kiadó Kft. 2001.
4. Hurych, M. – Doubrava, J.: Vyvažování potrubních sítí. Praha: IMI International s. r. o., 2000.
5. Skovraard, A.: Grundfos System Guide: Commercial Building Services, 2004.
6. Grundfos: Technický katalóg čerpadiel, Aplikácia WinCaps.
7. Hesterenyi, A.: Mokrobežné a suchobežné čerpadlá: Budúcnosť je vysoko efektívna! In: Ecodesign Directive Magazine of Wilo, HE News 2010/2011. 
8. Smernica č. 2002/91/ES Európskeho parlamentu a Rady zo 16. decembra 2002 o energetickej hospodárnosti budov.
9. Smernica Európskeho parlamentu a Rady 2005/32/ES zo 6. júla 2005 o vytvorení rámca na stanovenie požiadaviek na ekodizajn výrobkov využívajúcich energiu, o zmene a doplnení smernice Rady 92/42/EHS a smerníc Európskeho parlamentu a Rady 96/57/ES a 2000/55/ES.
10. Nariadenie komisie (ES) č. 641/2009 z 22. júla 2009, ktorým sa vykonáva smernica Európskeho parlamentu a Rady 2005/32/ES, pokiaľ ide o požiadavky na ekodizajn bezupchávkových samostatných obehových čerpadiel a bezupchávkových obehových čerpadiel integrovaných vo výrobkoch.
11. Bánhídi, L. – Csonkai, I.: Távfutott lakások résleges fűtés kikapcsolásának következményei, Tanulmány, 2006.
12. Garbai, L.: Távhőellátás, hőszállítás. Typotex Elektronikus kiadó kft., Budapest, 2012, st. 935, ISBN 978-693-279-739-7.
13. Bábhidi, L. – Kajtár, L.: Komfortelmélet, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2000.
14. Rácz, L.: Analýza vplyvu obehových čerpadiel na energetickú náročnosť prevádzky vykurovacích sústav v bytových domoch. Dizertačná práca, Bratislava, september 2015.

Článok  bol uverejnený v časopise Správa budov 4/2017.