Realizačný projekt vykurovacej sústavy pre časť budovy B bloku SvF STU

Témou diplomovej práce ocenenej Cenou SSTP za rok 2008 bol návrh vykurovacej sústavy pre časť budovy Stavebnej fakulty (SvF) STU v Bratislave. Budova dnešnej SvF sa začala stavať v roku 1964 na Starohorskej a Radlinského ulici, kompletne bola dokončená a daná do užívania v roku 1974. Odvtedy došlo k značnému rozdielu v požiadavkách na tepelnotechnické vlastnosti konštrukcií, ako aj v požiadavkách na návrh prevádzky vykurovacích sústav, ktoré vyplývajú z rastu cien a nákladov na energie.

V súčasnosti sa spracúva projekt na rekonštrukciu budovy SvF, pričom sa uvažuje o zateplení obvodových stien, zateplení a rekonštrukcii striech, o výmene otvorových konštrukcií (okien, dverí) a ľahkého obvodového plášťa výškovej budovy a podobne. Pri rekonštrukcii budovy sa zlepšia aj jej tepelnotechnické vlastnosti.

Na efektívne využitie a dosiahnutie úspor na náklady vyplývajúce zo spotreby energie je však nevyhnutné nielen zlepšiť tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcii budovy, ale navrhnúť aj novú hydraulicky vyregulovanú vykurovaciu sústavu. Hydraulické vyregulovanie vykurovacích sústav bytových domov v zmysle bývalých aj súčasne platných predpisov (zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov) prinieslo pri realizovaných stavebných súboroch na Slovensku značné úspory energie.

V súčasnosti, keď energetika prechádza transformáciou energetických zariadení a cena tepla začína obsahovať skutočne vynaložené náklady, treba uvažovať o znižovaní nákladov na výrobu a distribúciu tepla. Samostatné energetické zariadenia – vykurovacie telesá – sú v mnohých prípadoch predimenzované, nesprávne navrhnuté alebo nedostatočne využívané. Z týchto dôvodov sa treba zamyslieť nad skutočným stavom energetických zariadení a vykonať nevyhnutné opatrenia. Práve pri zásobovaní teplom je totiž situácia v plytvaní energiou veľmi vážna.

Súčasný stav budovy SvF
Vykurovacia sústava v riešenej časti budovy v súčasnosti nevyhovuje platným normám a vyhláškam, je technologicky aj morálne zastaraná. Zdrojom tepla je odovzdávacia stanica tepla (OST), ktorá sa nachádza v 2. suteréne v sekcii B3 budovy. Z rozdeľovača vedie niekoľko vetiev pre jednotlivé sekcie budovy. Pre riešenú časť budov vedie jedna vetva, na ktorú sú napojené zvislé stúpacie potrubia. Súčasná vykurovacia sústava je dvojrúrková s núteným obehom. Čerpadlo sa nachádza hneď na začiatku vetvy, t. j. v miestnosti OST v úseku po napojení na rozdeľovač. Vykurovacia sústava je navrhnutá podľa vtedajších noriem, teda aj menovité svetlosti rozvodov vykurovacej vody sú väčšie, než budú DN potrubí novej vykurovacej sústavy.

Ležaté potrubie, aj stúpacie a pripojovacie potrubia, sú oceľové závitové. Ležaté potrubie vedie pod stropom OST a ďalej stúpa do rozvodného kanála. Z kanála potom stúpa pod strop 1. PP, kde sa rozdeľuje na dve vetvy – zvlášť pre severovýchodnú a juhozápadnú časť budovy. Ležaté potrubie je izolované a pod stropom vedie zavesené na závesoch. Zvislé stúpacie potrubia napojené na ležaté potrubia vedú medzi oknami. Tepelné spotrebiče (vykurovacie telesá) sú liatinové článkové – typu Slávia.

V sústave nie sú inštalované žiadne vyvažovacie prvky a prietoky do jednotlivých častí rozvodnej sústavy nemožno regulovať. Vykurovanie budovy je nerovnomerné, medzi rozličnými časťami sú rozdiely. V prípadoch prekurovania a pôsobenia tepla z prostredia (slnečné žiarenie, elektrospotrebiče, počítače, produkcia tepla osobami) nemožno obmedziť dodávku tepla, nadmerná teplota v miestnostiach sa znižuje vetraním. Na druhej strane však nemožno ani zvýšiť teplotu v miestnostiach, ktoré sú z rozličných dôvodov nedokurované.

Vykurovacie telesá boli pôvodne na prívode vybavené dvojregulačnými kohútmi, na vratnom potrubí radiátorovým skrutkovaním. Väčšina uzatváracích armatúr je však nefunkčná a neumožňuje zatvorenie. Pôvodné uzatváracie armatúry sú nízkoodporové a neumožňujú ochranu pred nechceným natláčaním tepla.

Znamená to, že ak sa v niektorých miestnostiach armatúry uzavrú alebo privrú (napr. v snahe znížiť nadmernú teplotu v miestnosti), vzrastie prietok susednými vykurovacími telesami, a tým zároveň stúpne teplota v príslušných miestnostiach. K úspore tepla budovy teda nedôjde. Vzhľadom na to, že pri zatváraní nízkoodporových armatúr sa diferenčný tlak mení len nepatrne, použitie zariadenia na reguláciu diferenčného tlaku, resp. frekvenčne riadeného čerpadla, by bolo v takejto sústave neúčinné. Nežiaduce natláčanie nechceného tepla zapríčiňuje aj to, že počas vykurovacieho obdobia sa menia hydraulické pomery vo vykurovacej sústave v závislosti od zmien vonkajšej teploty. S rozdielom teploty prívodnej a vratnej vody sa mení aj účinný vztlak. Vykurovacie sústavy s nízkoodporovými armatúrami na vykurovacích telesách sú z hľadiska účinku vztlaku labilné a dochádza k narušeniu hydraulickej stability. Tento nedostatok býva kompenzovaný neúmerným zvyšovaním prietoku v sústave, čím sa zvyšuje nežiaduce prekurovanie niektorých miestností.

Na základe zistených skutočností o reálnom stave budovy, stavebných konštrukcií budovy a vykurovacej sústavy sa ukázalo, že je nevyhnutná rekonštrukcia stavebných prvkov budovy, ako aj vykurovacej sústavy. Hlavným cieľom bolo navrhnúť takú vykurovaciu sústavu, ktorá zabezpečí ľuďom komfort – zabezpečí teda požadovanú tepelnú pohodu aj pri prechodových stavoch vo všetkých častiach vykurovacej sústavy a zabezpečí rovnomerné vykurovanie v objekte s dostatočným využitím tepelného zdroja bez nadmernej spotreby čerpacej práce a bez hluku vo vykurovacom systéme.

Navrhované riešenie vykurovacej sústavy
Zdrojom tepla naďalej zostane výmenník tepla umiestnený v suteréne sekcie B3 v miestnosti OST. Vykurovacia teplonosná látka (voda) sa z výmenníka vedie do rozdeľovača, odkiaľ sa ďalej prerozdeľuje do jednotlivých sekcií budovy. Pre riešenú časť budovy sa budú z rozdeľovača viesť dve samostatné vetvy: vetva A, ktorou sa budú zásobovať vykurovacie telesá zabezpečujúce vykurovanie juhozápadne orientovaných miestností (chodieb a schodísk, vykurovaných na 15 °C) a vetva B, ktorou sa budú zásobovať vykurovacie telesá zabezpečujúce vykurovanie miestností orientovaných na severovýchod (tieto miestnosti sa prevažne vykurujú na teplotu 20 °C). Riešenie rozdelenia vykurovacej sústavy na dve samostatné vetvy sa teda navrhuje z dôvodu orientácie priestorov (ktorým budú dodávať teplo) na svetové strany, ako aj vzhľadom na charakter prevádzky týchto priestorov.

Rozvodné ležaté potrubia sa navrhujú ako oceľové závitové rúry. OST je situovaná v 2. suteréne sekcie budovy, rozvodné potrubia vedú od rozdeľovača nahor pod strop, ďalej pod stropom miestnosti OST až k rozvodnému kanálu. Potrubie z kanála stúpa a prechádza podlahou 1. PP, kde pokračuje pod stropom 1. PP k jednotlivým zvislým stúpacím potrubiam. Ležaté rozvodné potrubia sú zavesené na závesoch, vedené asi 250 mm pod stropom. Vratné potrubie je vyhotovené obdobne ako prívodné, na vetve končí úsekom, ktorý vstupuje do rozdeľovača umiestneného rovnako ako rozdeľovač v miestnosti OST. Ležaté vratné aj prívodné potrubia v suteréne sú spádované k OST so sklonom 3 ‰ a sú riadne zaizolované.

Stúpacie zvislé potrubia prechádzajú cez stropnú konštrukciu do 1. až 3. NP a sú navrhnuté takisto z oceľových potrubí. Sú zaizolované a vedené pred železobetónovými stĺpmi, zakryté sadrokartónovým obkladom. Rozstup zvislého prívodného a vratného potrubia je 150 mm. Pripájacie potrubie k vykurovacím telesám v 1. PP až 3. NP vedie nad podlahou pred stenou. Prívodné pripájacie potrubia sú spádované smerom k vykurovacím telesám (okrem prívodných pripájacích potrubí na najvyššom mieste stúpacieho potrubia, ktoré sú spádované smerom k stúpaciemu potrubiu) a vratné pripojovacie potrubia smerom k stúpaciemu potrubiu.

Teplonosná látka (voda) sa dopravuje k spotrebičom – vykurovacím telesám – pomocou obehových čerpadiel s frekvenčným meničom otáčok. Tieto čerpadlá majú integrovaný systém regulácie od diferenčného tlaku, umožňujúci prispôsobovanie výkonu čerpadla aktuálnym prevádzkovým požiadavkám sústavy.

Regulácia od diferenčného tlaku prebieha tak, že čerpadlo prispôsobuje svoj výkon aktuálnemu prietoku (regulácia na proporcionálny alebo konštantný tlak). Na rozdiel od neregulovaného čerpadla, obehové čerpadlo regulované na proporcionálny tlak znižuje pri klesajúcej potrebe tepla diferenčný tlak. V prípade klesajúcej potreby tepla (napr. vďaka slnečnému svitu) sa termostatické ventily na vykurovacích telesách zavrú a pri neregulovanom čerpadle dôjde v dôsledku zmeny charakteristiky potrubnej siete k posunu pracovného bodu a zvýšeniu tlaku. Naopak, v sústave s regulovaným čerpadlom sa v rovnakej situácii tlak v porovnaní s neregulovaným čerpadlom zníži.

Pri použití neregulovaného čerpadla spôsobí nárast tlaku zvyčajne hluk v termostatických ventiloch, ktorý vytvára prúdenie vody. Pri použití čerpadla s reguláciou otáčok bude prevádzková hlučnosť sústavy podstatne nižšia. Pred čerpadlom sa osadí trojcestný zmiešavací ventil, ktorý zabezpečuje ekvitermickú reguláciu sústavy podľa teploty vonkajšieho vzduchu. Voľba teplotného spádu má priamy vplyv na prietok v potrubnej sieti, ovplyvňuje regulovateľnosť sústavy, aj jej hospodárnosť. V projektovanom objekte sa navrhuje vykurovacia sústava s teplotným spádom ∆θ = 80/60 °C (80 °C na prívodnom potrubí a 60 °C na vratnom potrubí).

Na každom podlaží sa vo vykurovaných miestnostiach – podľa tepelných strát jednotlivých miestností – navrhujú panelové oceľové vykurovacie telesá. Umiestňujú sa zväčša pod okenným parapetom, kde to nie je možné, umiestňujú sa vedľa okna či dverí. Druh vykurovacieho telesa v danej miestnosti je určený podrobným výpočtom. Všetky vykurovacie telesá sú pripojené klasickým jednostranným bočným pripojením na dvojrúrkovú vykurovaciu sústavu s núteným obehom teplonosnej látky pomocou regulačného radiátorového ventilu na prívodnom potrubí a pomocou skrutkovania osadenom na vratnom potrubí.

Nielen na pripojenie, ale prioritne na individuálnu reguláciu vykurovacieho telesa, slúži vysokodporový regulačný radiátorový priamy ventil s termostatickou regulačnou hlavicou, s vyhotovením pre verejné priestory (zabezpečené proti odcudzeniu). Na vratnom pripojovacom potrubí vykurovacieho telesa bude priame skrutkovanie, ktoré umožňuje reguláciu, uzatváranie, vypúšťanie a napúšťanie vykurovacích telies. Na pätách stúpacích potrubí – samostatne pre každé stúpacie potrubie – bude na prívodnom potrubí nainštalovaný vyvažovací ventil s vypúšťaním, na vratnom potrubí bude uzatváracia armatúra – guľový kohút a vypúšťací kohút na najnižšom mieste časti rozvodu. Vykurovacie telesá, ktoré sa nachádzajú na najvyšších podlažiach, sa vybavia odvzdušňovacími ventilmi.

Tab. 1: Hodnoty súčiniteľa prechodu tepla stavebnej konštrukcie U a ich porovnanie s normovým súčiniteľom prechodu tepla vonkajšej steny UN a posúdenie podľa STN 73 0540

Projektovaný tepelný príkon
Základom pre návrh vykurovacej sústavy, ako aj vyhodnotenie energetickej bilancie objektu, je výpočet projektovaného tepelného výkonu v zmysle normy STN EN 12831. Podľa výpočtu je projektovaný tepelný príkon pre riešenú časť budovy Φ_HL = 68 421 W. Celkový tepelný príkon pre budovu v novom stave po návrhu vykurovacích telies bude Φ_VT = 70 830 W. Pri výpočte sa uvažovali navrhované tepelnotechnické vlastnosti konštrukcií. Rovnakým postupom prebiehal aj výpočet projektovaného tepelného príkonu pre budovu v pôvodnom stave Φ`<sub>HL</sub> . Pri výpočte tepelných strát prechodom sa brali do úvahy súčasné tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcii. Porovnanie vlastností konštrukcii riešenej časti budovy je v tab. 2. Projektovaný tepelný príkon pre budovu v starom stave bude Φ`_HL = 145 998 W. Porovnanie tepelných príkonov pre budovu v novom a starom stave je v tab. 2 a na grafe na obr. 1.

Tab. 2: Hodnoty tepelných strát budovy a ich porovnanie v pôvodnom a novom stave

Na základe vypočítaných údajov a porovnaní z grafu na obr. 1 je zrejmé, že vplyvom rekonštrukcie budovy a zlepšením jej tepelnotechnických vlastností, sa zníži tepelná strata prechodom tepla. Na základe týchto opatrení bude potreba tepla budovy v novom stave predstavovať 47 % z hodnoty potreby tepla budovy v jej pôvodnom stave.

Obr. 1: Porovnanie tepelných strát budovy v novom stave a v pôvodnom stave

Energetická bilancia
Medzi najväčšie prevádzkové náklady na zariadenie ústredného vykurovania patria náklady na teplo. Stanovujú sa na základe poznania ceny za mernú jednotku tepla (€/GJ), resp. (SKK/GJ) a poznaní skutočnej spotreby tepla. Teoretická potreba energie na vykurovanie pre neprerušované vykurovanie sa vypočítala dennostupňovou metódou podľa normy STN 38 3350. Podľa výpočtu je teoretická ročná potreba energie na vykurovanie pre projektovaný objekt E = 459,9 GJ/rok (127 746 kWh/rok). Rovnako sa postupovalo aj pri výpočte teoretickej potreby energie na vykurovanie budovy v starom stave (t. j. bez rekonštrukcie obvodových stien, strechy, okien a dverí). Vypočítaná hodnota je E`= 947,94 GJ/rok (263 316 kWh/rok). Porovnanie ročnej potreby energie na vykurovanie budovy je znázornené v grafe na obr. 2.

Podobne ako pri porovnaní potreby tepla sa aj pri výpočte potreby energie preukázalo, že vplyvom rekonštrukcie budovy klesne potreba energie na vykurovanie o 53 %, čo predstavuje pri súčasnej cene tepla nemalé úspory nákladov na vykurovanie.

Obr. 2: Porovnanie ročnej potreby energie na vykurovanie budovy v novom stave a v pôvodnom stave

Záver
Hlavným cieľom bolo navrhnúť vykurovaciu sústavu, ktorá zabezpečí komfort ľuďom, rovnomerné vykurovanie v objekte s dostatočným využitím tepelného zdroja bez nadmernej spotreby čerpacej práce a bez hluku vo vykurovacom systéme – sústavu, ktorá by vyhovovala z ekonomického, energetického a environmentálneho hľadiska.

Na splnenie tohto cieľa sa navrhuje dvojrúrková teplovodná vykurovacia sústava s núteným obehom teplonosnej látky, s panelovými vykurovacími telesami. V rámci diplomovej práce sa riešilo aj hydraulické vyregulovanie sústavy. Jej súčasťou bol výpočet a návrh regulačných ventilov v rámci projekčnej prípravy a naznačenie vyváženia vykurovacej sústavy budovy, t. j. prednastavenie armatúr na vykurovacích telesách, vyvažovacích ventilov na pätách stúpacích potrubí a návrh optimálnych čerpadiel.

Foto: archív autora

Literatúra
1. LABOUTKA, K. – SUCHÁNEK, T.: Výpočtové tabulky pro vytápění: Vztahy a pomůcky. 9. Praha: Společnosť pro techniku prostředí, 2001. 208 s.
2. PEKAROVIČ, J. K. a kol.: Vykurovanie I. a II. Bratislava: ES STU 1991.
3. PETRÁŠ, D. – BAŠTA, J. – TAKÁCS, J. – KABELE, K. – LULKOVIČOVÁ, O.: Vykurovanie rodinných a bytových domov. Bratislava: JAGA, 2005. 245 s.
4. PETRÁŠ, D. – BAŠTA, J. – LULKOVIČOVÁ, O. – KABÁT, V. – JELÍNEK, V.: Zdroje tepla a domové kotolne. Bratislava: JAGA, 2004. 223 s.
5. PETRÁŠ, D. – DAHLSVEEN, T.: Energetický audit budov. 2. vydanie. Bratislava: JAGA, 2005. 335 s.
6. RECKNAGEL, S. : Vykurovanie. Vetranie. Klimatizácia: Prispôsobený preklad 52. nemeckého vydania.
1. vydanie. Bratislava: SVTL, 1966. 1 131 s.
7. HURYCH, M. – DOUBRAVA, J.: Vyvažování potrubních sítí. Sborník přednášek. Praha: IMI International, s. r. o., 2000. 87 s.
8. Regulační armatury. Sborník přednášek. (Kol. autorů) Česká Třebová: LDM, spol. s r. o., 2006.
9. PETITJEAN, R.: Total Hydronics Balancing, Tour & Anderson Hydronics AB.
10. STN 73 0540-1. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 1: Terminológia.
11. STN 73 0540-2. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 2: Funkčné požiadavky.
12. STN 73 0540-3. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 3: Vlastnosti prostredia a stavebných výrobkov.
13. STN 73 0540-4. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 4: Výpočtové metódy.
14. STN EN 1283: 2002. Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu projektovaného tepelného príkonu.
15. STN 38 3350. Zásobovanie teplom – všeobecné zásady.
16. Zákon č. 657/2004 Z. z. o tepelnej energetike.
17. Zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov.
18. Vyhláška 152/2005 Z. z. MH SR o určenom čase a o určenej kvalite dodávky tepla pre konečného spotrebiteľa.

Firemné podklady
19.  U. S. Steel Košice, s. r. o.
20. KORAD, IMI International, s. r. o.
21. LDM Bratislava, s. r. o.
22. Grundfos, s. r. o.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.