Spôsobilosť termostatickej hlavice pri individuálnej regulácii

Pohľad na termostatickú hlavicu s jednotlivými vyznačenými číslicami nastavenia na ventile pred vykurovacím telesom dáva užívateľovi pocit, že disponuje nekonečnými možnosťami a má od neho isté očakávania. V tejto myšlienke užívateľa často podporujú aj informácie v prospektoch výrobcov. Aká je realita?

V rámci možnosti regulácie výkonu vykurovacej sústavy je termostatická hlavica tou časťou vykurovacej sústavy, s ktorou užívateľ miestnosti prichádza najčastejšie do priameho kontaktu. Je osadená tesne pred vykurovacím telesom a slúži na reguláciu jeho výkonu v závislosti od zmeny teploty vzduchu v miestnosti.

Niekedy s ním manipulujeme až príliš často a očakávame, že v krátkom čase uspokojí naše požiadavky na tepelný stav, na teplotu vzduchu v miestnosti. Naše vysoké nároky a očakávania od termostatickej hlavice mnohokrát podporujú aj informácie uvedené na internete alebo v technických listoch hlavice, a potom sme sklamaní, ak termostatická hlavica nesplní naše očakávania.

Termostatická hlavica

Termostatická hlavica je meracím a zároveň ovládacím prvkom, ktorý svojou konštrukciou dokáže snímať teplotu vzduchu v miestnosti a reagovať na tepelné zmeny v priestore vplyvom možnosti reakcie na zmeny teploty v priestore.

Meracím prvkom termostatickej hlavice je látka s teplotnou rozťažnosťou umiestnená v hlavici, ktorá sa vplyvom zvýšenia teploty rozpína a vplyvom zníženia teploty zmrašťuje. Ovládacím prvkom termostatickej hlavice je tiahlo, na ktoré táto látka pôsobí. Z konštrukčného hľadiska je hlavica vyhotovená tak, že zväčšením objemu rozpínajúcej sa látky je tiahlo tlačené smerom von z hlavice a zmrašťovaním látky sa tiahlo vťahuje do hlavice (obr. 2).

Na termostatickej hlavici sa nachádza stupnica a práve ona zvádza užívateľov priestoru k častému zaobchádzaniu s termostatickou hlavicou a k príliš vysokým očakávaniam od termostatickej hlavice.

Mnohokrát nás v týchto očakávaniach podporujú aj materiály, ktoré deklarujú, že pootočením termostatickej hlavice môžeme očakávať oveľa vyššiu teplotu v miestnosti, v niektorých dokumentoch dokonca až +28 °C (obr. 1). Ak sa tak nestane, zostávame sklamaní a z nesplnenia svojej požiadavky viníme celú vykurovaciu sústavu.

Termostatická hlavica ako súčasť regulačného ventilu

O termostatickej hlavici nemôžeme hovoriť ako o samostatne pracujúcom prvku vykurovacej sústavy, musí byť spojená s regulačnou armatúrou. Osadením na regulačný ventil sa stáva zariadením vykonávajúcim individuálnu reguláciu tepelného výkonu vykurovacieho telesa a to na základe zmeny teploty vzduchu v miestnosti.

Na základe vyhotovenia samotnej konštrukcie, je výsledným efektom osadenia termostatickej hlavice na ventil udržiavanie teploty vnútorného vzduchu v miestnosti na požadovanej hodnote. Hlavným poslaním termostatickej hlavice je však v prvom rade šetrenie tepelnej energie, a to vhodnou reakciou na tepelné zisky vznikajúce v miestnosti.

Tepelné zisky v miestnosti pritom môžu nastať vplyvom zmeny vonkajších klimatických pomerov alebo zmeny vnútorných podmienok. Ak sa zvýšením teploty v miestnosti látka v termostatickej hlavici rozťahuje a tlačí na tiahlo, regulačný ventil sa uzatvára a znižuje prietok vykurovacej vody do vykurovacieho telesa, v opačnom prípade sa ventil otvára a zvyšuje prietok vykurovacej vody do vykurovacieho telesa (obr. 2).

Dôležitou hodnotou pri termostatickej hlavici je pásmo proporcionality X_p, ktoré udáva, v akých teplotných medziach dokáže hlavica udržať teplotu vzduchu v miestnosti. Je to zmena teploty, ku ktorej dôjde medzi stavom úplného otvorenia a úplného uzatvorenia ventilu, na ktorom je termostatická hlavica (obr.3). Pásmo proporcionality býva pre termostatické hlavice v rozpätí 1 až 3 K, pričom na Slovensku sa používajú hlavice s pásmom proporcionality 2 K.

To, akú teplotu v miestnosti bude termostatická hlavica strážiť, vymedzujú možnosti prvku odovzdávania tepla – vykurovacie telesá, na ktorých je ventil s termostatickou hlavicou osadený.

Vykurovacie teleso s ventilom s termostatickou hlavicou

Umiestnením ventilu s termostatickou hlavicou na vykurovacie teleso musíme počítať s obmedzením jej funkcie a prispôsobením sa práce termostatickej hlavice tak danostiam vykurovacej sústavy, ako aj možnostiam vykurovacieho telesa.

Výkon vykurovacieho telesa závisí jednak od strednej teploty vykurovacieho telesa, jednak od požadovanej teploty v miestnosti. Požadovaný výkon vykurovacieho telesa a jeho rozmery určuje projektant na základe výsledkov výpočtu tepelných strát miestnosti pri danej vonkajšej výpočtovej teplote – vo výpočte uvažovanej teplote vonkajšieho vzduchu.

Vplyvom zmeny teploty vonkajšieho vzduchu sa tepelné straty miestnosti menia – znižujú sa, čomu sa vykurovacia sústava prispôsobuje ekvitermickou reguláciou teploty vykurovacej vody (obr. 4).

Pôsobením ekvitermickej regulácie na začiatku vykurovacej sústavy, klesá teplotný spád vykurovacej vody, predovšetkým však klesá teplota prívodnej vykurovacej vody do vykurovacieho telesa, čo má za následok aj pokles strednej teploty vykurovacieho telesa, a teda aj jeho tepelného výkonu.

V tabuľke 1 je príklad, ako sa mení teplota vykurovacej vody pri ekvitermickej regulácii pre výpočtový teplotný spád vykurovacej sústavy 70/60 °C pri výpočtovej teplote vonkajšieho vzduchu -11 °C. Na zmenu teplotného spádu vykurovacej vody nadväzuje pokles výkonu vykurovacieho telesa, v tabuľke bolo uvažované s navrhnutým výkonom vykurovacieho telesa 1 000 W pri požadovanej teplote vnútorného vzduchu +20 °C.

Teplota vonkajšieho vzduchu (°C)	Teplota prívodnej vykurovacej vody (°C)	Teplota vratnej vykurovacej vody (°C)	Stredná teplota vykurovacej vody (°C)	Výkon vykurovacieho telesa (W)
-11	70	60	65	1 000
-5	62,2	54,1	58,15	803
1	53,9	47,8	50,85	605
4	49,6	44,5	47,05	508
10	40,5	37,2	38,85	314

Tab.1 Vlastnosti vykurovacieho telesa pri ekvitermickej regulácii teploty vykurovacej vody

Rozdiel medzi teplotou vnútorného vzduchu +20 °C a vonkajšou výpočtovou teplotou -11 °C, s ktorou uvažuje projektant, je 31 K. Z toho vyplýva, že vykurovacie teleso s tepelným výkonom 1 000 W vykazuje pri daných teplotách vonkajšieho a vnútorného vzduchu tepelný gradient 32,26 W/K, zaokrúhlene 33 W/K.

To znamená, že každých plus 33 W výkonu vykurovacieho telesa dokáže zmeniť tento teplotný rozdiel o 1 K, resp. o 1 °C. Ak teda výrobca termostatickej hlavice podľa obr. 1 deklaruje, že pootočením hlavice o jeden stupeň (z čísla 3 na číslo 4) zvýši teplotu v interiéri o 2 °C, z +22 na +24 °C, znamenalo by to potrebný prídavok výkonu uvažovaného vykurovacieho telesa o 66 W.

Niekedy to je možné, niekedy nie. Vysvetlenie spočíva tak v okrajových obmedzeniach pri návrhu vykurovacieho telesa, ako aj v dynamike vykurovacej sústavy pri jej prevádzke.

Rozoberme si najprv dynamiku vykurovacej sústavy. Otváraním a zatváraním ventilov na vykurovacích telesách dochádza k zmenám hmotnostného prietoku v jednotlivých častiach vykurovacej sústavy. Každý regulačný prvok vo vykurovacej sústave pracuje s určitou toleranciou presnosti a s určitým oneskorením. Preto je bežné, že sa prietoky pred vykurovacím telesom neustále menia. V určitej časti vykurovacej sústavy sa môžu prietoky vykurovacej vody dokonca skokovo zvýšiť, vtedy hovoríme, že vzniká tzv. nadprietok.

Na obr. 5 sú znázornené krivky závislosti zmeny tepelného výkonu vykurovacieho telesa od zmeny hmotnostného prietoku vykurovacej vody pri rôznych teplotných parametroch vykurovacieho telesa. Pre nami uvažovanú vykurovaciu sústavu vychádza pre vykurovacie teleso krivka s označením b = 0,3.

Z grafu vidieť, že pri akomkoľvek veľkom nadprietoku vykurovacej vody do vykurovacej sústavy sa zvýši výkon vykurovacieho telesa maximálne o 10 %. Ani pri iných bežných teplotných podmienkach nedochádza k nárastu výkonu vykurovacieho telesa o viac ako 20 %.

Teplota vonkajšieho vzduchu (°C)	Výkon vykurovacieho telesa (W)	Nárast výkonu vykurovacieho telesa(W)
-11	1 000	1 100
-5	803	883
1	605	666
4	508	559
10	314	346

Tab. 2 Zmena výkonu vykurovacieho telesa vplyvom nadprietoku

V tab. 2 je prepočet nárastu výkonu vykurovacieho telesa vplyvom nadprietoku vykurovacej vody vztiahnutý k zmene výkonu vykurovacieho telesa prostredníctvom ekvitermickej regulácie. Pôsobením nadprietoku sa zvýši výkon vykurovacieho telesa pri výpočtovom stave z 1 000 W na maximálne 1 100 W, čo pri tepelnom gradiente uvažovaného vykurovacieho telesa 33 W/K môže zvýšiť teplotu vnútorného vzduchu maximálne o 3 °C.

Ak stúpa teplota vonkajšieho vzduchu, vplyvom ekvitermickej regulácie klesá aj teplota prívodnej vykurovacej vody, a tým aj výkon vykurovacieho telesa tak pri výpočtovom prietoku, ako aj pri nadprietoku. Ak by sme chceli zvýšiť teplotu v miestnosti o 8 °C, museli by sme dosiahnuť zvýšenie výkonu vykurovacieho telesa o 264 W.

Také zvýšenie výkonu vykurovacieho telesa by mohlo nastať pri zvýšení hmotnostného prietoku vykurovacej vody do vykurovacieho telesa o 100 % s teplotnými podmienkami zodpovedajúcimi krivke s označením b = 0,6 alebo pri 50 % zvýšení hmotnostného prietoku s teplotnými podmienkami zodpovedajúcimi krivke s označením b = 0,8.

Čo teda zapríčiňuje, že zvýšením stupňa otočenia na termostatickej hlavici je možné dosiahnuť v priestore aj vyššiu teplotu?

Jedno z možných vysvetlení spočíva v nastavení ekvitermickej krivky (obr. 4). Ak nastavenie ekvitermickej krivky (sklon ekvitermickej krivky) nekopíruje akumulačnú schopnosť budovy, tak jej výslednou hodnotou sú pri poklese teploty vonkajšieho vzduchu vyššie teploty prívodnej vykurovacej vody.

Následkom toho je vyšší tepelný výkon vykurovacieho telesa, a teda vzniká rezerva na dosiahnutie možnej vyššej teploty vnútorného vzduchu pri pootočení termostatickou hlavicou. Druhé z možných vysvetlení spočíva v spôsobe návrhu vykurovacieho telesa.

Vykurovacie telesá sa vyrábajú v určitých odstupňovaných rozmeroch. Aj ich následný tepelný výkon je stanovený v určitých odstupňovaných hodnotách. Bežne sa teda stáva, že vykurovacie teleso je navrhnuté takzvaným „tepelným nadvýkonom“ niekedy aj o 100 až 150 W. A to už je dostatočná rezerva na to, aby sme mohli dosiahnuť zvýšenie teploty v miestnosti v našom prípade aj o 3 až 4 °C.

Záver

Otáčaním termostatickej hlavice a zmenou číselného nastavenia termostatickej hlavice je možné ovplyvniť žiadanú hodnotu teploty vzduchu v miestnosti, nastaviteľný rozsah žiadanej teploty je však obmedzený.

Termostatická hlavica nie je zdrojom tepla, ale spolu s regulačným ventilom je v prvom rade nástrojom určeným na šetrenie tepelnej energie reagujúcej na nadmerné vonkajšie alebo vnútorné tepelné zisky pri udržaní projektom danej požadovanej teploty v miestnosti v danom pásme proporcionality.

V určitých rozpätiach je možné termostatickou hlavicou meniť žiadanú teplotu v miestnosti, toto je však v dôsledku konštrukcie ventilu a termostatickej hlavice vnímané skôr ako požiadavka na zníženie teploty v miestnosti. Požiadavku na zvýšenie teploty v miestnosti dokáže termostatická hlavica splniť len v závislosti od možnosti odovzdávacieho prvku – vykurovacieho telesa a od možností parametrov vykurovacej sústavy.

Táto práca bola podporovaná Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0118/23.

TEXT: Ing. Mária Füri, PhD., Katedra technických zariadení budov, Stavebná fakulta STU v Bratislave
OBRÁZKY: archív autorky
ÚVODNÁ FOTO: Shutterstock

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov 4/2025.