ČVUT v PRAZE, Fakulta stavební - katedra technických zařízení budov Dimenzování vodní otopné soustavy - etážová soustava s nuceným oběhem - Ing. Stanislav Frolík, Ph.D. Ing. Roman Musil, Ph.D. katedra technických zařízení budov Princip výpočtu cílem je vyvážená funkční soustava, která je charakterizována rovnováhou mezi dynamickým přetlakem a tlakovými ztrátami postup výpočtu : návrh profilu potrubí dle hmotnostního průtoku hydraulické posouzení tlakových ztrát s dynamickým tlakem nastavení regulačních prvků soustavy
Schéma soustavy - nucený x přirozený oběh tlak čepradla rozdíl hustoty T T Schéma etážové soustavy s nuceným oběhem etážová soustava je charakteristická pro lokální bytové vytápění bytových domů se samostatnými zdroji tepla a jednopodlažní RD (bungalov) není převýšení mezi zdrojem a OT - nutný nucený oběh (použití přirozeného oběhu je v případě použití závěsného plynového kotle nemožné)
Hydraulický výpočet otopné soustavy Návrh potrubí 1. zakreslení schématu pro výpočet (izometrie, rozvinutý řez ) 2. stanovení okruhu s největší tlakovou ztrátou 3. stanovení úseků pro okruh s největší tlakovou ztrátou 4. přenášený výkon jednotlivých úseků 5. výpočet hmotnostního průtoku 6. předběžný návrh světlostí Hydraulické posouzení tlakových ztrát 1. výpočet tlakové ztráty třením (přesný nebo z tabulek) 2. stanovení vřazených odporů úseků součinitel ξ (dzéta) 3. výpočet tlakové ztráty vřazenými odpory 4. stanovení celkové ztráty soustavy Návrh čerpadla 1. dle tlakové ztráty a průtoku Zaregulování soustavy 1. výpočet tlakové ztráty dalšího okruhu 2. stanovení tlaku a průtoku pro zaregulování 3. nastavení regulační armatury Výpočet otopné soustavy Návrh potrubí 1. zakreslení schématu pro výpočet (izometrie, rozvinutý řez ) 2. stanovení okruhu s největší tlakovou ztrátou 3. stanovení úseků pro okruh s největší tlakovou ztrátou
Výpočet otopné soustavy Návrh potrubí 1. zakreslení schématu pro výpočet (izometrie, rozvinutý řez ) 2. stanovení okruhu s největší tlakovou ztrátou 3. stanovení úseků pro okruh s největší tlakovou ztrátou 4. přenášený výkon jednotlivých úseků 5. výpočet hmotnostního průtoku Přenášený výkon úseku a hmotnostní průtok Q = m. c. t [W] 0,004 kj/m 3.K 4186 J/kg.K m hmotnostní průtok [kg/s] c měrná tepelná kapacita otopné vody [J/kg.K] t teplotní spád otopné soustavy [K] 4,2 kj/kg.k 1,163 Wh/kg.K stačí jen dosadit dobře jednotky kapacity 1,1.10-3 kwh/m 3.K 4186 Ws/kg.K Q Q 1 Q Q m = = = = 0,86 c ( t t ) 1,163 ( t t ) 1,163 ( t t ) ( t ) 1 2 1 2 1 2 1 t kj kws 4,186 kwh 4186 Wh Wh c = 4,186 = 4,186 = = = 1,163 kg K kg.k 3600 kg.k 3600 kg.k kg.k Q Q 1 Q Q m = = = = 0,00024 c ( t t ) 4186 ( t t ) 4186 ( t t ) ( t ) 1 2 1 2 1 2 1 t 2 2 Výpočet otopné soustavy Hydraulické posouzení tlakových ztrát 1. výpočet tlakové ztráty třením (přesný nebo z tabulek) METODA OPTIMÁLNÍ RYCHLOSTI V POTRUBÍ Teplonosná látka Rozsah w (m.s -1 ) (max) Průměrná w (m.s -1 ) Teplovodní soustava s přirozeným oběhem vody 0,05 až 0,3 (1,0) 0,2 Teplovodní soustava s nuceným oběhem vody 0,2 až 1,0 (3,0) 0,6 Dálkové horkovodní rozvody 1,0 až 4,0 1,5 METODA EKONOMICKÉ MĚRNÉ TLAKOVÉ ZTRÁTY Potrubní síť Rychlost w (m s-1) měrná tlaková ztráta R (Pa m-1) uvnitř obytných budov pro přípojky k otopným tělesům a stoupací potrubí 0,3 až 0,7 60 až 100 uvnitř obytných budov pro horizontální rozvodné potrubí ve sklepě 0,8 až 1,5 110 až 200 vně obytných budov u CZT 2,0 až 3,0 200 až 400 uvnitř průmyslových objektů pro přípojky k otopným tělesům a stoupací potrubí 0,8 až 2,0 110 až 250 vně průmyslových objektů u CZT 2,0 až 3,0 200 až 400
Výpočet otopné soustavy Hydraulické posouzení tlakových ztrát 1. výpočet tlakové ztráty třením (přesný nebo z tabulek) R [Pa/m] Výpočet otopné soustavy Hydraulické posouzení tlakových ztrát 1. výpočet tlakové ztráty třením (přesný nebo z tabulek) 2. stanovení vřazených odporů úseků součinitel ξ (dzéta) 3. výpočet tlakové ztráty vřazenými odpory 4. stanovení celkové ztráty soustavy
Výpočet otopné soustavy Hydraulické posouzení tlakových ztrát 1. výpočet tlakové ztráty třením (přesný nebo z tabulek) 2. stanovení vřazených odporů úseků součinitel ξ (dzéta) 3. výpočet tlakové ztráty vřazenými odpory 4. stanovení celkové ztráty soustavy p = R. l + Z [Pa] ztráty třením : Σ (R. l) [Pa] ztráty místními odpory : Z = Σξ. v 2. ρ / 2 [Pa] Návrh čerpadla nebo posouzení tlaku čerpadla a OS Návrh čerpadla podle vypočtené tlakové ztráty a průtoku 1. celková tlaková ztráta soustavy 2. hmotnostní průtok soustavy 3. návrh čerpadla z diagramu 4. nastavení výkonového stupně čerpadla (v případě vícestupňového ) Charakteristické křivky čerpadla a potrubní sítě
Návrh čerpadla nebo posouzení tlaku čerpadla a OS Návrh čerpadla podle vypočtené tlakové ztráty a průtoku 1. celková tlaková ztráta soustavy 2. hmotnostní průtok soustavy 3. návrh čerpadla z diagramu 4. nastavení výkonového stupně čerpadla (v případě vícestupňového ) návrh vyhoví (nastavení stupně výkonu) návrh nevyhoví (volba jiného čerpadla) Návrh čerpadla nebo posouzení tlaku čerpadla a OS Návrh inteligentního čerpadla 1. elektronickou regulací umožňuje udržovat konstantní tlak či tlakový rozdíl 2. šetří elektrickou energii při snižování průtoku (výkonu) soustavy
Výpočet otopné soustavy Zaregulování soustavy 1. výpočet tlakové ztráty dalšího okruhu 2. stanovení tlaku a průtoku pro zaregulování tlaková ztráta okruhu 1 = tlaková ztráta okruhu 2 (škrcení na okruhu 2) 3. nastavení regulační armatury okruh 1 okruh 2 Výpočet otopné soustavy Zaregulování soustavy regulační armatury a připojení otopného tělesa DETAIL NAPOJENÍ OTOPNÉHO TÌ LESA
Zaregulování soustavy regulační armatury a připojení žebříkového otopného tělesa Jednovtoková regulační armatura Připojovací regulační armatura přívodní potrubí Připojovací šroubení zpětné potrubí Výpočet otopné soustavy Zaregulování soustavy nastavení regulační armatury
Regulace výkonu zdroje tepla: Histogram venkovních teplot vytápění databáze Meteonorm: Četnost výskytu 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Lokalita: Praha Počet topných dní: 233 Průměrná teplota: 4,1ºC T e (-13 až 0ºC) 25,3% T e (1 až 5ºC) 33,4% T e (6 až 10ºC) 26,6% T e (11 až 13ºC) 14,7% 0-13 -11-9 -7-5 -3-1 1 3 5 7 9 11 13 Venkovní teplota [ºC] T e (výpočtová -12ºC a vyšší) 1% z topného období!!! Až 80% tepelné energie v objektech je spotřebováno při T e > 0 Regulace v otopných soustavách: otopná soustava je dimenzovaná na extrémní výpočtový stav (-12,-15, nebo -18 C) pro extrémní výpočtovou teplotu volíme teplotní spád otopné soustavy průměrné využití otopné soustavy je 55% obvykle i nižší obvyklá vnitřní teplota je 20±1 C pro obytné místnosti a 22 C pro administrativní budovy každé přetápění o 1 C vede ke zvýšení nákladů na vytápění o 6% pokud soustavu nebudeme regulovat ztratíme přebytečný výkon (min. 45%) ve formě tepelných ztrát objektu regulační technika vytápění objektu!!! Špatný hydraulický výpočet nenahradí žádný sebelepší regulační systém!
Kvalitativní regulace = změna teploty topného média v závislosti na venkovní teplotě nižší teplotní režim => nižší tepelné ztráty v potrubí konstantní průtok otopnou soustavou mění se pouze teplota protékající látky => hydraulická stabilita zůstane zachovaná relativně lineární závislost mezi teplotou topné vody a výkonem spotřebiče =>nižší nároky na kvalitu regulátoru nevýhodou je špatná reakce kvantitativní regulace na vnitřní i vnější zisky => přetápění místností objektu nezbytným požadavkem je volba správného zdroje tepla, případně správný hydraulický návrh akčního členu regulace Závislost teploty topné vody na venkovní výpočtové teplotě:
Ekvitermní regulace = regulace teplé vody v závislosti na venkovní teplotě: a) regulace na zdroji tepla b) regulace na potrubní síti Obr. č. schéma ekvitermněřízeno topného okruhu se směšovacím ventilem Regulace teploty topné vody dle prostorového termostatu: regulátor osazený v jedné referenční místnosti novější regulátory kombinace s ekvitermnou umístění regulátoru do místnosti, kde nejsou tepelné zisky či vývin vlhkosti stále stejný teplotní spád v potrubí => vyšší distribuční tepelné ztráty po natopení referenční místnosti na požadovanou teplotu dojde k vypnutí zdroje tepla funguje systémem on /off
Kvantitativní = regulace změnou průtočného množství regulace otopných těles: regulátory tlaku a průtoku: výhodou je poměrně rychlá reakce na tepelné zisky nevýhodná je ztráta hydraulické stability při nižších průtocích Sdružená regulace = kombinace kvalitativní a kvantitativní regulace
Půdorys bytové jednotky:
Úsek Z PROJEKTU NÁVRH Z TABULKY VÝPOČET Přenášený R Z Hmotnostní Délka w ξ R. l DN výkon průtok úseku l [m/s] [Pa/m] [-] [Pa] [Pa] Dispoziční R. l + Z tlak na konci úseku Yt [-] [W] [kg/h] [m] [Pa] [Pa] 58 D17x2,0 7 1018 1,0 0,051 4 17 4,0 22,1 26,1 3346,5 0,79 58 D17x2,0 7 1018 1,0 0,051 4 17,7 4,0 23,0 27,0 53,1 (R. l + Z) 3372,6 Dispoziční tlak vstupující do úseku (2) Zbytný tlak pro snížení na RRV 3319,5 >p min=3kpa => VYHOVÍ Nastavení RRV otopného tělesa v 1.06 3,5 Výpočet p na konci úseku č.4-4 : DTk 4-4 =CZTo-(R.l+Z) 5 -(R.l+Z) 5 -(R.l+Z) 4 -(R.l+Z) 4 Zbytný tlak na RRV = dispoziční p vstupující do úseku - (R.l+Z) přívodního+zpětného vedlejšího úseku Přednastavení regulačního ventilu těleso VK Přednastavení regulačního ventilu žebříkové těleso ventil V-exakt
Nutno zredukovat: p=25-5,5 = 19,5kPa Obr. č. 2 Schéma zapojení závěsného kotle s zásobníkem TV Nomogram pro návrh vyvažovacího ventilu Levá svislá osa: průtok ventilem Prostřední svislá osa: Kvs ventilu Pravá svislá osa: tlaková ztráta ventilu Kvs hodnota ventilu k VS = V p p o V kde: V je objemový průtok armaturou [m 3 /h] p V tlaková ztráta ventilu [kpa] p o referenční tlak 100kPa