Obnova vykurovacej sústavy po zateplení

Zmena tepelnotechnických vlastností obalových konštrukcií vplýva aj na funkčnosť existujúcej vykurovacej sústavy v bytovom dome. S tým súvisia aj požiadavky na takú obnovu vykurovacej sústavy, ktorá zabezpečí jej hydraulickú stabilitu a užívateľský komfort vo vykurovanej miestnosti. Príspevok nadväzuje na článok Vplyv obnovy obalových konštrukcií na tepelné straty.

Obnovou obalových konštrukcií bytového domu klesajú jeho tepelné straty. Pri dodržaní tepelnotechnických vlastností obnovených obalových konštrukcií požadovaných normou je tento pokles v závislosti od obdobia výstavby objektu 30 až 50 %. Pôvodná vykurovacia sústava je však navrhnutá s fyzikálnymi parametrami, ktoré zodpovedajú prenosu tepla pri pôvodných tepelných stratách objektu, takže na dosiahnutie poža­dovaného výsledného efektu z obnovy obalových konštrukcií treba prispôsobiť vykurovaciu sústavu zníženej potrebe tepla.

Fyzikálne parametre sústavy po obnove obalových konštrukcií

Zmenu prenášaného tepelného toku vykurovacou sústavou možno vykonať zmenou jeho fyzikálnych parametrov, a to teplotného spádu alebo hmotnostného prietoku teplonosnej látky.
Ak je vykurovacia sústava napojená na sústavu centralizovaného zásobovania teplom, nemožno tepelný tok prenášaný vykurovacou sústavou znížiť prostredníctvom zníženia teplotného spádu teplonosnej látky. Takého opatrenie by si vyžiadalo vysoké investície na zriadenie trojcestného zmiešavacieho ventilu a dodatočného zdroja tlaku (obehového čerpadla) a ďalšie zvýšenie investícií na prevádzku čerpadla. Prispôsobenie prenášaného tepelného toku zníženej tepelnej strate budovy možno dosiahnuť zmenou hmotnostného prietoku teplonosnej látky. V panelových bytových domoch postavených v 70. rokoch minulého storočia možno pri komplexnej obnove obalových konštrukcií (U hodnoty konštrukcií musia zodpovedať v súčasnosti platnej STN) počítať s poklesom hmotnostného prietoku na 50 % pôvodnej hodnoty.

Prispôsobenie tepelných strát bytového domu zmenám teploty vonkajšieho vzduchu počas dňa sa zabezpečuje podľa ekvitermickej krivky v zdroji tepla. Zmena teploty teplonosnej látky pri regulácii podľa ekvitermickej krivky ovplyvňuje veľkosť účinného vztlaku, ktorý vzniká vo vykurovacej sústave.

Na tlakové pomery vo vykurovacej sústave a následne na jej hydraulicko-teplotnú stabilitu vplýva:
•    teplota teplonosnej látky – prostredníctvom zmien účinného vztlaku,
•    hmotnostný prietok teplonosnej látky – prostredníctvom tlakových strát potrubnej siete a armatúr.

Vykurovacia sústava musí byť navrhnutá tak, aby zmena týchto fyzikálnych veličín čo najmenej ovplyvnila hydraulicko-teplotnú stabilitu. Keďže potrubný systém zostáva pôvodný a účinný vztlak vo vykurovacej sústave je daný konštrukčnou výškou objektu, jedinými prvkami zabezpečenia hydraulicko-teplotnej stability vykurovacej sústavy sú regulačné armatúry.

Tlakové pomery vo vykurovacej sústave

Ako model na sledovanie tlakových pomerov vo vykurovacej sústave poslúžila vykurovacia sústava v osempodlažnom bodovom bytovom dome. Vykurovacia sústava je teplovodná dvojrúrová so spodným súprudým rozvodom (Tichelmannovým) a je priamo napojená na sústavu centralizovaného zásobovania teplom. Armatúry sú pred vykurovacími telesami, na pätách stúpacích potrubí a na päte vykurovacej sústavy. Vykurovacia sústava je schematicky znázornená na obr. 1.

Obr. 1 Model teplovodnej vykurovacej sústavy s vyznačeným typom stúpacích potrubí a s označeným miestom osadenia regulačných armatúr
1 – stúpacie potrubie s obojstranným pripojením vykurovacích telies, 2 – stúpacie potrubie s jednostranným pripojením vykurovacích telies

Vplyvom ekvitermickej regulácie teploty vykurovacej vody a výškou vykurovacej sústavy v nej vzniká účinný vztlak. Jeho hodnoty (tab. 1) sú určené podľa ekvitermickej krivky pri teplotnom spáde teplonosnej látky 90/70 °C a teplote vnútorného vzduchu 20 °C. Pri výpočte účinného vztlaku sa uvažuje o podiele účinného vztlaku u = 0,5 (odporúčaná hodnota podľa literatúry) a u = 1,0 (skutočný účinný vztlak vo vykurovacej sústave).

Stanovenie tlakových pomerov a následne hydraulicko-teplotnej stability vykurovacej sústavy vychádza z fyzikálnych princípov pre tlakové straty v potrubí. Výpočet tlakových pomerov sa vykonal pre vykurovacie teleso na najvyššom, 8. nadzemnom podlaží (označenie 803) podľa vzťahov uvedených v odbornej literatúre.

Tlakové pomery vo vykurovacej sústave sú vypočítané v štyroch rôznych prípadoch s takouto aplikáciou armatúr:
a) nízkoodporové ventily na vykurovacie telesá, uzatváracie ventily na vstupe zvislých potrubí a na vstupe vykurovacej sústavy – premenlivý dispozičný tlakový spád na päte objektu,
b) vysokoodporové ventily pred vykurovacími telesami, konštantný dispozičný tlakový spád na päte objektu,
c) statické, vysokoodporové ventily s predvoľbou na vykurovacie telesá na hydra­ulické vyváženie vykurovacej sústavy, vyvažovacie ventily s predvoľbou na vstupe zvislých potrubí, regulátor tlakovej diferencie na päte vykurovacej sústavy – konštantný dispozičný tlakový spád na päte objektu,
d) dynamické, vysokoodporové ventily s predvoľbou na vykurovacie telesá na hydraulické vyváženie vykurovacej sústavy, vyvažovacie ventily a  regulátory tlakového rozdielu na vstupe zvislých potrubí a na vstupe vykurovacej sústavy – posudzoval sa zvislý rozvod.
 
Vykurovacia sústava s nízkoodporovými armatúrami pred vykurovacími telesami
Vstupy na analýzu:
•    nízkoodporový ventil s predvoľbou  na prívodnom potrubí pred vykurovacím telesom,
•    šikmé uzatváracie ventily na päte stúpacieho potrubia,
•    zasúvadlo na päte vykurovacej sústavy,
•    premenlivý dispozičný tlakový spád na päte vykurovacej sústavy – posúdenie sa vykonalo pri 4 kPa a 12 kPa,
•    tlaková strata potrubnej siete Δpp = 4 332 Pa pri 100-percentnom prietoku, Δpp = 1 163 Pa pri 50-percentnom prietoku.

Vykurovacia sústava s vysokoodporovými armatúrami pred vykurovacími telesami
Vstupy na analýzu:
•    vysokoodporový ventil s predvoľbou pred vykurovacím telesom na prívodnom potrubí,
•    šikmé uzatváracie ventily na päte stúpacieho potrubia,
•    regulátor tlakovej diferencie na päte vykurovacej sústavy – konštantný dispozičný tlakový spád na päte vykurovacej sústavy 10 kPa,
•    tlaková strata potrubnej siete Δpp = 4 332 Pa pri 100-percentnom prietoku, Δpp = 1 163 Pa pri 50-percentnom prietoku.

Vykurovacia sústava s armatúrami statického charakteru
Vstupy na analýzu:
•    vysokoodporový ventil s predvoľbou pred vykurovacím telesom na prívodnom potrubí,
•    vyvažovacie ventily – armatúry statického charakteru na päte stúpacieho potrubia,
•    regulátor tlakovej diferencie na päte vykurovacej sústavy – konštantný dispozičný tlakový spád na päte vykurovacej sústavy 13 kPa,
•    tlaková strata potrubnej siete Δpp = 7 332 Pa pri 100-percentnom prietoku, Δpp = 1 763 Pa pri 50-percentnom prietoku,
•    tlaková strata vyvažovacieho ventilu Δpp = 3 000 Pa pri 100-percentnom prietoku, Δpp = 600 Pa pri 50-percentnom prietoku.

Vykurovacia sústava s armatúrami dynamického charakteru
Vstupy na analýzu:
•    výpočet tlakových pomerov vztiahnutý na pätu stúpacieho potrubia (v predchádzajúcich prípadoch sa výpočet vzťahoval na pätu vykurovacej sústavy),
•    vysokoodporový ventil s predvoľbou pred vykurovacím telesom na prívodnom potrubí,
•    vyvažovací ventil v kombinácii s regulátorom tlakovej diferencie na päte stúpacieho potrubia – konštantný dispozičný tlakový spád na päte stúpacieho potrubia je 7 kPa,
•    tlaková strata potrubnej siete Δpp = 1 656 Pa pri 100-percentnom prietoku, Δpp = 459 Pa pri 50-percentnom prietoku.

Vyhodnotenie
Vyhodnotenie tlakových pomerov na ventiloch pred vykurovacími telesami v uvedených štyroch prípadoch s aplikáciou armatúr je na obr. 2 a 3.

Obr. 2 Tlakové pomery na vykurovacom telese 803 vo vykurovacej sústave s nízkoodporovými armatúrami pred vykurovacím telesom pri teplote vonkajšieho vzduchu –11 °C

Z grafu na obr. 2 vidieť, že pred obnovou bytového domu pri 100-percentnom prietoku teplonosnej látky sú tlaková strata ventilu a dispozičný tlak pred ventilom pri výpočtovom stave vyrovnané (stĺpce 1 a 2). Vplyvom vysokého účinného vztlaku na tlakovú stratu ventilu je v skutočnosti dispozičný tlak pred ventilom omnoho vyšší (stĺpec 3). Dôsledkom nestabilného dispozičného tlakového spádu na päte vykurovacej sústavy stúpa dispozičný tlak pred ventilom na hodnotu (stĺpec 4), ktorú ventil nedokáže spracovať a dochádza k rozladeniu vykurovacej sústavy. Situácia sa ešte zhoršuje znížením hmotnostného prietoku vplyvom obnovy obalových konštrukcií, keď rozdiely medzi tlakovou stratou ventilu (stĺpec 5) a dispozičným tlakom pred ventilom (stĺpce 6 a 7) enormne rastú. Z tohto dôvodu nízkoodporové ventily po obnove budovy nie sú vhodné na aplikáciu v súčasných vykurovacích sústavách. Zároveň treba na päte vykurovacej sústavy zabezpečiť konštantný dispozičný tlak.

Obr. 3 Tlakové pomery na vykurovacom telese 803 vo vykurovacej sústave s vysokoodporovými armatúrami pri teplote vonkajšieho vzduchu  –11 °C

Z grafu na obr. 3 vidieť, že pri použití vysoko­odporových ventilov (stĺpec 1) je vplyv účinného vztlaku na tlakové pomery pred ventilom zanedbateľný (stĺpce 2 a 3). Pri znížení hmotnostného prietoku klesá tlaková strata nielen potrubnej siete (stĺpce 7 a 8), ale aj ventilu pred vykurovacím telesom (stĺpec 4), a sústava sa z hľadiska tlakových pomerov stáva nevyváženou (stĺpec 5). Preto pri znížení hmotnostného prietoku vykurovacou sústavou treba pôvodný ventil pred vykurovacím telesom prestaviť alebo navrhnúť nový s vyššou tlakovou stratou (stĺpec 6), aby sa dosiahla rovnováha medzi dispozičným tlakom pred ventilom (stĺpec 5) a tlakovou stratou nového ventilu (stĺpec 6). Rozdiel medzi tlakovou stratou ventilu a dispozičným tlakom pred ventilom sa pri poklese hmotnostného prietoku ešte zvyšuje pri sústavách s vyvažovacím ventilom (statickou armatúrou – z hľadiska tlakových pomerov pracujú podobne ako potrubná sieť) na pätách stúpacích potrubí (stĺpec 4 a 5 riešenia 2). Je to spôsobené tým, že vyvažovací ventil je armatúra statického charakteru. To znamená, že znížením hmotnostného prietoku klesá aj jeho tlaková strata a tým klesá viac aj tlaková strata potrubnej siete (stĺpce 7 a 8 riešenia 2). Preto vo vykurovacích sústavách spôsobuje aplikácia armatúr statického charakteru bez zaradenia armatúr dynamického charakteru rozladenie systému a zhoršenie jeho hydraulickej stability. Ak sú tlakové pomery pred ventilom také vysoké, že ich ventil nie je schopný spracovať, treba vykurovaciu sústavu hydraulicky rozdeliť na dva celky (riešenie 3) a na pätu stúpacích potrubí osadiť vyvažovací ventil v kombinácii s regulátorom tlakovej diferencie (armatúra dynamického charakteru) so zastabilizovaním dispozičného tlaku na päte stúpacieho potrubia. Toto riešenie si vyžaduje aj prestavenie ventilu pred vykurovacím telesom (stĺpce 5 a 6), ale tlakové straty potrubnej siete sa zmenšujú a znížením hmotnostného prietoku klesajú v omnoho menšom pomere než pri predchádzajúcich sústavách (stĺpce 7 a 8). Tým sa vykurovacia sústava stáva stabilnejšou.

Záver
Po obnove obalových konštrukcií bytového domu sa menia požiadavky na tepelný tok dodaný do vykurovacej sústavy obnoveného bytového domu napojeného na sústavu centralizovaného zásobovania teplom.

Z analýzy tlakových pomerov vo vykurovacej sústave vyplývajú tieto nároky na zabezpečenie hydraulicko-teplotnej stability existujúcich vykurovacích sústav:
•    Teplota prívodnej teplonosnej látky dodaná do obnovenej vykurovacej sústavy napojenej na sústavu centralizovaného zásobovania teplom zostáva pôvodná.
•    Vykurovacie telesá zostávajú pôvodné, ich tepelný výkon ovplyvňuje hmotnostný prietok teplonosnej látky, ktorý je regulovaný termostatickou hlavicou ventilu pred vykurovacím telesom.  
•    Pred vykurovacími telesami musia byť osadené vysokoodporové armatúry s termostatickými hlavicami s nastaviteľnou plynulou predvoľbou alebo pri pevnej predvoľbe s malým rozsahom medzi jednotlivými predvoľbami. Tlaková strata ventilu vo vykurovacej sústave musí byť dominantná vzhľadom na účinný vztlak a tlakové straty v potrubnej sieti. Na elimináciu ovplyvnenia tlakových pomerov vo vykurovacej sústave účinným vztlakom by mala byť minimálna tlaková strata ventilu dvojnásobkom hodnoty maximálneho účinného vztlaku. Maximálna tlaková strata je daná hladinou hlučnosti určenou výrobcom.
•    Po obnove vykurovacej sústavy je vždy nevyhnutné pristúpiť k hydraulickému prepočtu – vyváženiu vykurovacej sústavy. V hydraulickom prepočte vykurovacej sústavy netreba pri dodržaní  podmienky uvedenej vyššie započítať účinný vztlak.
•    Vyvažovacie ventily možno aplikovať na pätu stúpacích potrubí len v kombinácii s regulátormi tlakovej diferencie. Tlaková strata vyvažovacieho ventilu má byť nízka, je ovplyvnená tlakovými stratami okruhu. Minimálnu predvoľbu vyvažovacieho ventilu udáva výrobca.
•    Na zabezpečenie konštantného dispozičného tlaku treba na pätu vykurovacej sústavy osadiť regulátor tlakovej diferencie.
Treba si uvedomiť, že zateplenie obalových konštrukcií a výmena otvorových konštrukcií samé osebe úsporu tepla nezabezpečia. Potrebný tepelný tok do objektu zabezpečuje vykurovacia sústava. Preto je po obnove obalových konštrukcií nevyhnutné vykonať aj obnovu vykurovacej sústavy spočívajúcu v návrhu a nastavení regulačných armatúr a v následnom vyvážení vykurovacej sústavy.

Článok vznikol v rámci projektu VEGA 1/1052/11.

Ing. Mária Kurčová
Autorka pôsobí na Katedre TZB Stavebnej fakulty STU v Bratislave.
Recenzoval: doc. Ing. Ján Takács, PhD.
Obrázky: autorka

Ilustračné foto: Ing. Bilančík

Literatúra
1. ANDREAS, U. – WINTER, A. – WOLFF, D.: Regelung Heiztechnischer Anlagen. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1985.
2. BAŠTA, J.: Hydraulika a řízení otopných soustav. Praha: ČVUT, 2003.  
3. BURKHARDT, W. – KRAUS, R.: Projektierung von Warmwasserheizungen. 7. Auflage. Mníchov: Oldenburg Indistrieverlag, 2006.
4. PEKAROVIČ, J. K. – PETRÁŠ, D. – LULKOVIČOVÁ, O. – TAKÁCS, J.: Vykurovanie. II. diel. Bratislava: SVŠT, 1994.
5. PETITJEAN, R.: Total Hydronic Balancing. 2nd Edition. Responstryck, Boras, 1997.
6. ROOS, H.: Hydraulik der Wasserheizung. 5. Auflage. München: Oldenbourg Verlag, 2002.
7. PETITJEAN, R.: Stabilizace diferenčního tlaku ve vytápěcích soustavách a klimatizačních zařízeních. Manuál č. 4 pro navrhování a vyvažování vytápěcích soustav a klimatizačních zařízení. Praha: TA Hydronics, 1998.
8. ŠULCOVÁ, D.: Otopové křivky. Príloha časopisu Topin. Praha: Technické vydavateľstvo, 1999.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.