Prevádzka vykurovacích sústav s nočným útlmom

Obr. 1 Meranie teplôt na vykurovacom telese
Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD.

Predpokladá sa, že nočný útlm vykurovacej sústavy by mal priniesť zníženie nákladov na vykurovanie. Aká je však realita?

Každá vykurovacia sústava pracuje s určitými definovanými fyzikálnymi parametrami vykurovacej vody. Tieto fyzikálne parametre sa počas prevádzky menia na základe zmeny vonkajších klimatických faktorov, ale aj na základe zmeny požadovanej vnútornej teploty interiéru.

Počas nočnej prevádzky vykurovacej sústavy je povolený pokles vnútornej teploty premietnutý do prevádzky vykurovacej sústavy ako pojem nočný útlm. Mnohokrát užívatelia budovy nevedia, v čom presne spočíva podstata nočného útlmu, majú ho spojený s možnosťou úspory nákladov na prevádzku vykurovacej sústavy. Podstata nočného útlmu vychádza z poznatku, že v nočných hodinách možno znížiť teplotu vykurovaných miestností až o 5 K.

Nočný útlm väčšinou trvá od 22.00 do 6.00 hod. Zníženie žiadanej teploty vnútorného priestoru podstatne znižuje tepelné straty daného priestoru, čo by malo viesť k úsporám energie. Samozrejme, týmto zmenám sa musí prispôsobiť aj vykurovacia sústava, a to fyzikálnymi parametrami vykurovacej vody.

Nočný útlm teda spočíva v znížení teplotného spádu vykurovacej vody – predovšetkým teploty prívodnej vykurovacej vody. Tým by sa mali dosiahnuť značné úspory vo výrobe tepla, čo sa následne prejaví aj vo vyúčtovaní spotreby tepla v budovách napojených na sieť centrálneho zásobovania teplom (CZT) prevádzkovanú s nočným teplotným útlmom.

Fyzikálne parametre vykurovacej sústavy

Na porovnanie prevádzky vykurovacej sústavy s nočným útlmom sa vykonali merania na vykurovacej sústave dvoch budov, jednej v pôvodnom stave a v druhej po obnove obalových konštrukcií. Obidve budovy sú z typologického hľadiska rovnaké. Ide o 8-podlažný bodový bytový dom.

Vykurovacia sústava je dvojrúrová so spodným rozvodom s vetvovým systémom a je hydraulicky vyregulovaná. Je priamo napojená na sústavu CZT. Na vykurovacej sústave sa vykonali merania fyzikálnych parametrov. Na vstupe vykurovacej sústavy sa merali teploty prívodnej a vratnej vykurovacej vody a hmotnostný prietok, ďalej, na najvyššom, 8. podlaží sa merali teploty prívodnej a vratnej vykurovacej vody pred vykurovacím telesom (VT) a teplota vzduchu v interiéri.

Takisto sa merala teplota vonkajšieho vzduchu. Priebeh nameraných teplôt a hmotnostných prietokov je zobrazený na obr. 3 a 4. Do obidvoch bytových domov, ktoré sú pripojené k sústave CZT prevádzkovanej s nočným útlmom, prúdi v čase nočného útlmu vykurovacia voda s nižšou teplotou a s nižším teplotným spádom.

Tab. 1 Spotreba tepla v neobnovenom a obnovenom bytovom dome v čase nočného útlmu (8 hodín) počas jednej noci.
Tab. 1 Spotreba tepla v neobnovenom a obnovenom bytovom dome v čase nočného útlmu (8 hodín) počas jednej noci. | Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD.

Z priebehu hmotnostných prietokov na obr. 3 a 4 vidieť paradox, že v čase nočného útlmu je hmotnostný prietok v obidvoch vykurovacích sústavách vyšší ako za bežnej dennej prevádzky. Toto jasne naznačuje, že v čase nočného útlmu stúpnu náklady na čerpaciu prácu, čo zníži celkové úspory prinášané nočným útlmom.

Ďalej možno na grafoch pozorovať, že priebeh teplôt pred vykurovacími telesami nekopíruje priebeh teplôt na vstupe vykurovacej sústavy. Teplota prívodnej vody pred vykurovacím telesom je jednoznačne nižšia ako na vstupe do vykurovacej sústavy. Vykurovacia voda od vstupu do bytového domu po prívod do vykurovacieho telesa prekoná vodorovnú vzdialenosť asi 50 m s približne 30-ročnou izoláciou v nevykurovanom suteréne a zvislú vzdialenosť 18 m bez izolácie v jednotlivých bytoch.

Fyzikálne zákony dokazujú, že tam, kde je teplota okolia nižšia ako teplota vykurovacej vody, jednoznačne musí dôjsť k prechodu tepla – k ochladeniu vykurovacej vody. Čím je teplota vykurovacej vody vyššia, tým je väčšie jej ochladenie. Na pokles teploty vykurovacej vody v potrubí má vplyv aj rýchlosť jej prúdenia. V obnovenom bytovom dome dochádza k poklesu tepelných strát v porovnaní s bytovým domom pred obnovou.

Obr. 3 Priebeh teplôt a hmotnostného prietoku vo vykurovacej sústave bytového domu pred obnovou.
Obr. 3 Priebeh teplôt a hmotnostného prietoku vo vykurovacej sústave bytového domu pred obnovou. | Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD.

Poklesu tepelných strát budovy sa vykurovacia sústava prispôsobila poklesom hmotnostného prietoku vo vykurovacej sústave. Keďže potrubný rozvod zostáva pôvodný, v potrubiach klesá merný tlakový spád, a tým aj rýchlosť prúdenia vykurovacej vody.

Z tohoto dôvodu je pokles teploty vykurovacej vody pred vykurovacím telesom v porovnaní s teplotou na vstupe do vykurovacej sústavy v obnovenom bytovom dome značnejší, čo jasne vyplýva aj z grafov. Potom vplyv teplotného útlmu prejavujúci sa na začiatku sústavy pred vykurovacím telesom už zaniká.

Výkon vykurovacieho telesa

V správne prevádzkovanom systéme vykurovania a pri dodržaní žiadanej hodnoty teploty vnútorného vzduchu pokrýva tepelný výkon vykurovacieho telesa tepelné straty tejto vykurovanej miestnosti. Na zmenu tepelnej straty miestnosti majú hlavný vplyv kolísanie teploty vonkajšieho vzduchu, ale aj zmena žiadanej hodnoty teploty interiéru.

Hlavným zásahovým členom, ktorý tieto výkyvy teplôt spracováva, je ventil s termostatickou hlavicou. Jej pôsobenie je založené na zmene hmotnostného prietoku do vykurovacieho telesa. Funkčnosť ventilu s termostatickou hlavicou sa prejaví zmenou teplôt vykurovacej vody pred telesom pri zmenách teploty vonkajšieho vzduchu (obr. 3 a 4).

Priebeh zmeny tepelných strát počas jedného dňa s teplotným útlmom a bez teplotného útlmu a priebeh žiadaného výkonu vykurovacieho telesa pre tieto zmeny sú pre bytový dom v pôvodnom stave na obr. 5 a pre obnovený bytový dom na obr. 6.

Predpokladaný výkon vykurovacieho telesa je určený z teplotného spádu vykurovacej sústavy na vstupe vykurovacej sústavy. Skutočný výkon vykurovacieho telesa je určený z teplôt vykurovacej vody nameraných pred vykurovacím telesom.

Obr. 4 Priebeh teplôt a hmotnostného prietoku vo vykurovacej sústave v obnovenom bytovom dome.
Obr. 4 Priebeh teplôt a hmotnostného prietoku vo vykurovacej sústave v obnovenom bytovom dome. | Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD.

Rozdiely v priebehu kriviek výkonu vykurovacieho telesa sú vyvolané rozdielnosťou nameranej teploty na vstupe vykurovacej sústavy a pred vykurovacím telesom. Výkon vykurovacieho telesa s útlmom sa určil s prihliadnutím na zníženie teploty miestnosti v čase nočného útlmu o 5 K. Výkon správne navrhnutého vykurovacieho telesa by mal pokryť tepelné straty miestnosti.

V čase nočného útlmu poklesnú tepelné straty, len ak sa zníži teplota interiéru. Inak tepelné straty v dôsledku nižších vonkajších teplôt narastajú a dochádza skôr k zvyšovaniu než znižovaniu nákladov na prevádzku sústavy.

V bytovom dome pred obnovou výkon vykurovacieho telesa nepokrýva te elné straty miestnosti v nočných hodinách bez nočného útlmu. V obnovenom bytovom dome dôjde k pokrytiu tepelných strát miestnosti výkonom vykurovacieho telesa v dôsledku predimenzovania vykurovacieho telesa po zateplení bytového domu.

Vo výpočtoch pre tepelný výkon vykurovacieho telesa sa neuvažuje s tepelnými stratami v potrubí. Ako vstupný údaj na určenie výkonu vykurovacieho telesa sa berú hodnoty teplôt na vstupe vykurovacej sústavy, čo prináša skreslené hodnoty výkonu vykurovacieho telesa. Pred vykurovacím telesom je osadený ventil s termostatickou hlavicou na reguláciu výkonu vykurovacieho telesa.

Na termostatickej hlavici je stupnica, kde každé číslo zodpovedá určitej žiadanej hodnote teploty interiéru. Ak teda požadujeme zníženie teploty v interiéri počas Špeciál nočného útlmu, je potrebné pootočiť hlavicou ventilu, v opačnom prípade sa pri zníženej teplote vykurovacej vody a nezmenenej žiadanej teplote interiéru ventil pôsobením termostatickej hlavice otvorí a pre dosiahnutie požadovaného výkonu vykurovacieho telesa zvyšuje prietok do telesa. Toto sa prejavilo na meraniach hmotnostného prietoku na vstupe vykurovacej sústavy v obidvoch bytových domoch (obr. 3 a 4).

Obr. 5 Priebeh zmeny tepelných strát a výkonu vykurovacieho telesa v bytovom dome pred obnovou.
Obr. 5 Priebeh zmeny tepelných strát a výkonu vykurovacieho telesa v bytovom dome pred obnovou. | Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD.

Spotreba tepla v čase nočného útlmu

Ak si uvedomíme, že nočný útlm je zavedený práve na znižovanie nákladov na prevádzku vykurovacej sústavy, tak zistíme, že vplyvom nedôslednosti alebo neinformovanosti užívateľov bytového domu prichádza naopak k ich zvýšeniu. K tomuto prispieva v priamom dosahu na zvýšenie spotreby energie zvýšenie hmotnostného prietoku a v nepriamom dosahu zvýšenie nákladov elektrickej energie potrebnej na prácu elektromotora čerpadla.

Približná hodnota priamej spotreby tepla a možnej úspory počas jednej noci sa dá vyčísliť z porovnania prevádzky čerpadla pri nezmenenom hmotnostnom prietoku počas noci a pri skutočnom – zvýšenom hmotnostnom prietoku počas nočného útlmu.

Obr. 6 Priebeh zmeny tepelných strát a výkonu vykurovacieho telesa v obnovenom bytovom dome.
Obr. 6 Priebeh zmeny tepelných strát a výkonu vykurovacieho telesa v obnovenom bytovom dome. | Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD.

Ak by sa zachoval nočný útlm v budove s prevádzkou čerpadla s nezmeneným prietokom, počas jednej noci by sa mohlo ušetriť v bytovom dome pred obnovou 116,73 kWh a v obnovenom bytovom dome 43,84 kWh. Úspora počas jednej noci činí 40 % energie v bytovom dome pred obnovou a 20 % v obnovenom bytovom dome.

Je teda v záujme užívateľov bytového domu, aby prihliadali na zabezpečenie nočného útlmu cez ventily na vykurovacích telesách. Vplyv nočného útlmu je o to značnejší, o čo sú tepelnotechnické vlastnosti obalových konštrukcií horšie. Prezentovaný príklad výpočtu úspory tepla vychádza zo skutočne nameraných údajov počas jedného dňa. Hodnoty úspor tepla sa v iných dňoch môžu od prezentovaných hodnôt odlišovať. Na skutočnú spotrebu tepla bude mať vplyv aj priebeh teploty vonkajšieho vzduchu.

Na záver

Všetky prezentované priebehy fyzikálnych veličín sú hodnoty skutočne namerané v prevádzkovaných bytových domoch. V zásade je však možné konštatovať, že zabezpečenie nočného teplotného útlmu vykurovacej sústavy pri zdroji tepla ešte nezabezpečí jeho pôsobenie aj na koncový prvok vykurovacej sústavy – vykurovacie teleso.

Na dosiahnutie priaznivého efektu nočného útlmu, a tým aj avizovaných úspor, je potrebný aj vplyv človeka pomocou koncového regulačného prvku (ventil na vykurovacom telese), prípadne pomocou automatizačnej techniky (programovateľné servopohony). Prácu podporilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu SR z grantu VEGA 1/0303/21.

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

Ing. Mária Kurčová, PhD., Katedra TZB Stavebnej fakulty STU v Bratislava

Článok bol publikovaný v časopise Správa budov 04/2021.