Noční útlum v provozu existujících vytápěcích soustav

Noční útlum je zaveden kvůli snižování nákladů na provoz vytápěcí soustavy, avšak vlivem nedůslednosti nebo neinformovanosti uživatelů objektu dochází často naopak k jejich zvýšení. Každá vytápěcí soustava pracuje s určitými definovanými fyzikálními parametry vytápěcí vody, které se během provozu mění na základě změny vnějších klimatických faktorů, ale i na základě změny požadované vnitřní teploty v interiéru.

Během nočního provozu vytápěcí soustavy je povolen pokles vnitřní teploty, který se do provozu vytápěcí soustavy promítá jako pojem „noční útlum“. Uživatelé objektu však často nevědí, v čem přesně spočívá podstata nočního útlumu, spojují si ho jen s možností ušetření nákladů na provoz vytápěcí soustavy.

Podstata nočního útlumu vychází z poznatku, že v nočních hodinách je možné snížit teplotu ve vytápěných místnostech až o 5 K. Noční útlum trvá zpravidla od dvaadvaceti hodin večer do šesti hodin ráno. Snížení žádané teploty uvnitř prostoru podstatně snižuje tepelné ztráty, což by mělo vést k úsporám energie. Samozřejmě těmto změnám se musí přizpůsobit i vytápěcí soustava, a to fyzikálními parametry vytápěcí vody. Noční útlum tak spočívá ve snížení teplotního spádu vytápěcí vody – hlavně teploty přívodní vytápěcí vody. Tím by se mělo dosáhnout značných úspor ve výrobě tepla, což se následně projeví i ve vyúčtování spotřeby tepla v objektech napojených na síť centralizovaného zásobování teplem (CZT) provozovanou s nočním teplotním útlumem.

Obr. 2  Měření teplot a hmotnostního průtoku na vstupu vytápěcí soustavy

Fyzikální parametry vytápěcí soustavy

Pro porovnání provozu vytápěcí soustavy s nočním útlumem byla vykonána měření na vytápěcí soustavě dvou objektů, z nichž jeden byl v původním stavu a druhý po obnově obalových konstrukcí.

Oba objekty jsou z typologického hlediska stejné, jde o osmipodlažní bodový bytový dům. Vytápěcí soustava je dvoutrubková se spodním rozvodem s větvovým systémem a je hydraulicky regulována. Vytápěcí soustava je přímo napojena na soustavu CZT. Na vytápěcí soustavě byla vykonána měření těchto fyzikálních parametrů: na vstupu vytápěcí soustavy byly měřeny teploty přívodní a vratné vytápěcí vody a hmotnostní průtok, dále v nejvyšším (osmém) podlaží byly měřeny teploty přívodní a vratné vytápěcí vody před vytápěcím tělesem (VT) a teplota vzduchu v interiéru. Taktéž byla měřena teplota venkovního vzduchu. Průběh naměřených teplot a hmotnostních průtoků je na obr. 3 a 4.

Obr. 3  Průběh teplot a hmotnostního průtoku ve vytápěcí soustavě původního objektu

Do obou objektů, které jsou připojeny na soustavu CZT provozovanou s nočním útlumem, proudí v době nočního útlumu vytápěcí voda s nižší teplotou a nižším teplotním spádem. Na průbězích hmotnostních průtoků na obr. 3 a 4 vidíme paradox, že v době nočního útlumu je hmotnostní průtok v obou vytápěcích soustavách vyšší než při běžném denním provozu. To jasně naznačuje, že v době nočního útlumu stoupnou náklady na čerpací práci, což sníží celkové úspory na nočním útlumu. Dále na grafech vidíme, že průběh teplot před vytápěcími tělesy nekopíruje průběh teplot na vstupu do vytápěcí soustavy. Teplota přívodní vody před vytápěcím tělesem je jednoznačně nižší než na vstupu do vytápěcí soustavy.

Obr. 4  Průběh teplot a hmotnostního průtoku ve vytápěcí soustavě obnoveného objektu

Vytápěcí voda od vstupu do objektu po přívod do vytápěcího tělesa překoná vodorovnou vzdálenost asi 50 m s přibližně třicetiletou izolací v nevytápěném suterénu a svislou vzdálenost 18 m bez izolace v jednotlivých bytech. Fyzikální zákony dokazují, že tam, kde je teplota okolí nižší než teplota vytápěcí vody, musí jednoznačně dojít k prostupu tepla – k ochlazení vytápěcí vody. Čím je teplota vytápěcí vody vyšší, tím je větší i její ochlazení. Na pokles teploty vytápěcí vody v potrubí má vliv i rychlost proudění vytápěcí vody. V obnoveném objektu tepelné ztráty proti původnímu objektu poklesly, přičemž tomuto poklesu se vytápěcí soustava přizpůsobila i poklesem hmotnostního průtoku. Protože potrubní rozvod zůstává původní, v potrubích klesá měrný tlakový spád, a tím i rychlost proudění vytápěcí vody. Z tohoto důvodu je pokles teploty vytápěcí vody před vytápěcím tělesem proti teplotě na vstupu do vytápěcí soustavy v obnoveném objektu výraznější, což jasně vidíme také na grafech. Vliv teplotního útlumu projevující se na začátku soustavy před vytápěcím tělesem už potom zaniká.

Výkon vytápěcího tělesa

Ve správně provozovaném systému vytápění, při dodržení žádané hodnoty teploty vnitřního vzduchu, pokrývá tepelný výkon vytápěcího tělesa tepelné ztráty této vytápěné místnosti. Na změnu tepelné ztráty místnosti má hlavní vliv kolísání teploty venkovního vzduchu, ale i změna žádané hodnoty teploty v interiéru. Hlavním zásahovým členem, který tyto výkyvy teplot zpracovává, je ventil s termostatickou hlavicí. Jeho působení je založeno na změně hmotnostního průtoku ve vytápěcím tělese. Funkčnost ventilu s termostatickou hlavicí se projeví změnou teplot vytápěcí vody před tělesem při změnách teploty venkovního vzduchu (obr. 3 a 4). Průběh změny tepelných ztrát během jednoho dne s teplotním útlumem a bez teplotního útlumu a průběh žádaného výkonu vytápěcího tělesa při těchto změnách je na obr. 5 (původní objekt) a na obr. 6 (obnovený objekt).

Obr. 5  Průběh změny tepelných ztrát a výkonu vytápěcího tělesa pro původní objekt

Předpokládaný výkon vytápěcího tělesa je určen z teplotního spádu vytápěcí soustavy na vstupu do vytápěcí soustavy. Skutečný výkon vytápěcího tělesa je určen z teplot vytápěcí vody naměřených před vytápěcím tělesem. Rozdíly v průběhu křivek výkonu vytápěcího tělesa jsou vyvolány rozdílností naměřené teploty na vstupu vytápěcí soustavy a před vytápěcím tělesem. Výkon vytápěcího tělesa s útlumem byl určen s přihlédnutím ke snížení teploty v místnosti v době nočního útlumu o 5 K. Je-li vytápěcí těleso dobře navrženo, jeho výkon by měl pokrýt tepelné ztráty místnosti. V době nočního útlumu poklesnou tepelné ztráty jen v tom případě, sníží-li se teplota v interiéru. Jinak tepelné ztráty v důsledku nižších venkovních teplot narůstají, což vede spíše ke zvyšování než ke snižování nákladů na provoz soustavy. V případě původního objektu výkon vytápěcího tělesa nepokrývá tepelné ztráty místnosti v nočních hodinách bez nočního útlumu, avšak v případě obnoveného objektu výkon vytápěcího tělesa pokrývá tepelné ztráty místnosti v důsledku předimenzování vytápěcího tělesa po zateplení objektu.

Obr. 6  Průběh změny tepelných ztrát a výkonu vytápěcího tělesa pro obnovený objekt

Ve výpočtech pro tepelný výkon vytápěcího tělesa se nepočítá s tepelnými ztrátami v potrubí. Jako vstupní údaj pro určení výkonu vytápěcího tělesa se berou hodnoty teplot na vstupu vytápěcí soustavy, což přináší zkreslené hodnoty výkonu vytápěcího tělesa. Před vytápěcím tělesem je osazen ventil s termostatickou hlavicí pro regulaci výkonu vytápěcího tělesa. Na termostatické hlavici je stupnice, v jejímž rámci každé číslo odpovídá určité žádané hodnotě teploty v interiéru. Pokud tedy požadujeme snížení teploty v interiéru během nočního útlumu, je třeba pootočit hlavicí ventilu, v opačném případě, při snížené teplotě vytápěcí vody a nezměněné žádané teplotě v interiéru, se ventil působením termostatické hlavice otevře a k dosažení požadovaného výkonu vytápěcího tělesa zvyšuje průtok vody do tělesa. To se projevilo při měřeních hmotnostního průtoku na vstupu vytápěcí soustavy v obou objektech (obr. 3 a 4).

Spotřeba tepla v době nočního útlumu

Když si uvědomíme, že noční útlum je zaveden právě pro snižování nákladů na provoz vytápěcí soustavy, zjistíme, že vlivem nedůslednosti nebo neinformovanosti uživatelů objektu dochází naopak k jejich zvýšení. V přímém dosahu na zvýšení spotřeby energie k tomu přispívá i zvýšení hmotnostního průtoku, v nepřímém dosahu je to zvýšení nákladů elektrické energie na práci elektromotoru čerpadla. Přibližná hodnota přímé spotřeby tepla a možné úspory během jedné noci se dají vyčíslit z porovnání provozu čerpadla při nezměněném hmotnostním průtoku během noci a při skutečném, zvýšeném hmotnostním průtoku během nočního útlumu.

Pokud by byl zachován noční útlum v budově s provozem čerpadla s nezměněným průtokem, během jedné noci by se mohlo u původního objektu ušetřit 116,73 kWh a u obnoveného objektu 43,84 kWh. Úspora během jedné noci představuje 40 % energie v případě původního objektu a 20 % v případě obnoveného objektu. V zájmu zabezpečení nočního útlumu je tedy nutné soustředit pozornost na ventily na vytápěcích tělesech. Vliv nočního útlumu je o to výraznější, čím jsou tepelnětechnické vlastnosti obalových konstrukcí horší. Prezentovaný příklad výpočtu úspory tepla vychází ze skutečně naměřených údajů během jednoho dne. Hodnoty úspor tepla se v jiných dnech mohou od prezentovaných hodnot lišit. Na skutečnou spotřebu tepla bude mít vliv i průběh teploty venkovního vzduchu.

Závěr

Všechny prezentované průběhy fyzikálních veličin jsou skutečně naměřené hodnoty v provozovaných objektech. V zásadě však lze konstatovat, že noční teplotní útlum vytápěcí soustavy při zdroji tepla nemusí vždy ovlivnit i koncový prvek vytápěcí soustavy – vytápěcí těleso. Pro dosažení příznivého efektu nočního útlumu, a tím i avizovaných úspor, se vyžaduje i zásah uživatelů prostřednictvím koncového regulačního prvku (ventil na vytápěcím tělese) nebo prostřednictvím automatizační techniky (programovatelné servopohony).

Literatura:

1. Petráš, D. a kol: Vykurovanie rodinných a bytových domov. Bratislava: JAGA, 2005.
2. Erben, J.; Jakeš, J.; Kraus, V.: Tabulky pro instalatéry a topenáře. Praha: SNTL, 1990.
3. Laboutka, K.; Suchánek, T.: Výpočtové tabulky pro vytápění. Sešit projektanta, STP Praha, 2001.

Ing. Mária Kurčová, Ph.D.
Autorka působí na Katedře TZB Stavební fakulty STU v Bratislavě.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.