125ESB Energetické systémy budov Část 2.

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební 125ESB Energetické systémy budov Část 2. doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Praha 2014 Evropský sociální fond Praha a EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1 Obsah materiálu 1) Dimenzování teplovodních otopných soustav 2) Návrh zabezpečovacího zařízení otopných soustav 2 1

Dimenzování teplovodních otopných soustav 3 Základní fyzikální vztahy Množství tepla Q (W) Q M ct Hmotnostní průtok (kg/s) Teplotní rozdíl (K) Měrná tepelná kapacita (J/kg.K) Jedná se o množství energie za určité časové období. Při stacionárním posouzení kdy M je v (kg) množství tepla je v (J). Platí 1kWh=3,6x10 6 J Odvozený hmotnostní průtok M (kg/h;kg/s) M Q c t Voda c=4186j/kg.k=1,163wh/kg.k M Q 1,163 t Q 0,86 t (kg/h) Neplatí pro nemrznoucí směsi. 4 2

Hydrostatický tlak Hydrostatický tlak p (Pa) Výška sloupce vody (m) p H g Tíhové zrychlení (m/s 2 ) Hustota vody (kg/m 3 ) H ρ1 ρ2 Vztlak p p (Pa) p H g ( ) p 2 1 5 Dynamický tlak Dynamický tlak p D (Pa) -představuje energii proudící tekutiny pd 1 w 2 2 Rychlost proudění vody (m/s) Hustota vody (kg/m 3 ) p h g d d h d v 6 3

Tlaková ztráta Tlaková ztráta třením p zt (Pa) Součinitel tření λ =f(re,k/d) Rychlost proudění (m/s) Průměr potrubí (m) 8 M R d 1 d 2 2 pzt l w Rl 2 2 5 Hustota vody (kg/m 3 ) Dynamický tlak (Pa) Délka potrubí (m) Tlakový spád (Pa/m) Tlakový spád R(Pa/m) Reynoldsovo číslo-vyjadřuje způsob proudění tekutiny v potrubí. Ten je ovlivněn rychlostí proudění w a viskozitou tekutiny ν (m 2 /s). Re wd 7 Viskozita udává poměr mezi tečným napětím a změnou rychlosti v závislosti na vzdálenosti mezi sousedními vrstvami při proudění skutečné kapaliny viskozita je veličina charakterizující vnitřní tření kapaliny s větší přitažlivou silou mají větší viskozitu Látka (18 C) Kinematická viskozita (m2/s) x 10-6 voda 1,06 benzín 0,765 glycerín 1314 motorový olej 94 rtuť 11,6 petrolej 2,06 = 1,79. 10 6 1 + 0,0337. T + 0,000221. T 2 8 4

Součinitel tření Laminární proudění Re<2320 64 Re Turbulentní proudění Re>4000 www.allstar.fiu.edu k 1 2,51 2log d 3,71 Re Přechodová oblast 2320<Re<4000 4000 2320 4000 2320 2320 Re 2320 Ekvivalentní drsnost stěny potrubí (m) 9 10 5

Moodyho diagram 11 Tlaková ztráta Tlaková ztráta třením p zt (Pa) Součinitel tření λ =f(re,k/d) Rychlost proudění (m/s) Průměr potrubí (m) 8 M R d 1 d 2 2 pzt l w Rl 2 2 5 Hustota vody (kg/m 3 ) Dynamický tlak (Pa) Délka potrubí (m) Tlakový spád (Pa/m) Tlakový spád R(Pa/m) Reynoldsovo číslo-vyjadřuje způsob proudění tekutiny v potrubí. Ten je ovlivněn rychlostí proudění w a viskozitou tekutiny ν. Re wd 12 6

Tlaková ztráta Tlaková ztráta úseku délky L 2 1 h2 p2 p1 h1 h=h 2 -h 1 d L p zt - závisí zejména na rychlosti proudění. 13 Tlaková ztráta Tlaková ztráta místními odpory p zm (Pa) Rychlost proudění (m/s) Součinitel místního odporu Místní ztráta Z (Pa) 8 Z n 1 n 2 pzm w Z i1 2 M i1 2 5 d 2 Místní ztráta (Pa) Hustota vody (kg/m 3 ) Zjištěn experimentálně (např. Cihelka). Závisí na rozměrech daného prvku. Pro armatury nyní uváděna kv hodnota. 14 7

Tlaková ztráta Tlaková ztráta místními odpory p zm (Pa) 1 n 2 pzm w Z i1 2 Jmenovitý průtok armaturou k v (m 3 /h) m p 0,1 kv 2 (kg/h) k www.simscale.de V 10V p z (m3/h) (kpa) www.mentor.com 15 Tlaková ztráta Celková tlaková ztráta p cz (Pa) pcz pzt pm Rl Z Tlaková ztráta třením (Pa) Tlaková ztráta místními odpory (Pa) 16 8

Dvoutrubková OS s přirozeným oběhem Pohyb vody v otopné soustavě (OS) zajišťuje přirozený vztlak vody způsobenými rozdílnými hustotami topného média. p H g ( ) p 2 1 p Účinný tlak (Pa) p p o Tlaková ztráta okruhu (Pa) ρ 1 ρ 2 H Běžně zanedbáváme ochlazení vody v potrubí. Jediným ochlazovacím místem je otopné těleso. Výpočet začínáme nejnepříznivějším okruhem. Stanovíme předběžný tlakový spád soustavy. 17 Dvoutrubková OS s přirozeným oběhem Pohyb vody v otopné soustavě (OS) zajišťuje přirozený vztlak vody způsobenými rozdílnými hustotami topného média. Teplota t [ C] Hustota ρ [kg/m³] www.tzbinfo.cz 0 999,941 4 999,973 10 999,701 15 999,099 20 998,205 30 995,651 40 992,220 50 988,040 60 983,200 70 977,760 80 971,790 90 965,300 100 958,350 18 9

Dvoutrubková OS s nuceným oběhem Pohyb vody v otopné soustavě (OS) zajišťuje oběhové čerpadlo a přirozený vztlak vody. Tlak čerpadla (Pa) pp pč pcz Účinný tlak (Pa) Tlaková ztráta soustavy (Pa) H Pokud p p <<p č, potom p p lze zanedbat (např. nízké rozlehlé soustavy) Vysoké objekty -T( C) a m(kg/h) nestálé uvažujeme 50-70% účinného tlaku. 0,5 0,7 pp pč pcz 19 Výpočet OS Předběžný tlakový spád R p Dispoziční tlak (Pa) Délka okruhu, systému (m) R p p 1 a l Podíl místních odporů na celkové ztrátě (Pa/m) a Z ( R l Z) Druh soustavy a Venkovní rozvody 0,1-0,2 OS v rozsáhlých budovách 0,2-0,3 Běžné OS v obytných budovách 0,3-0,4 OS po rekonstrukcích starých budov 0,4-0,55 Teplonosná látka w (m/s) Průměrná w (m/s) OS s přirozeným oběhem 0,05-0,3 0,2 OS s nuceným oběhem 0,2-1 0,6 20 10

Metody výpočtu OS Metoda optimálních rychlostí Volba ekonomické rychlosti průměry základního úsekutlaková ztráta návrh čerpadla Výpočet dalších úseků dle čerpadla (w=0,3-0,9 m/s) Metoda ekvivalentních délek Zejména pro dálkové horkovodní sítě (poměr d/λ při vyšších teplotách konstantní) Ekvivalentní délka (m) p R( l l ) cz ekv l ekv d. 21 Metody výpočtu OS Metoda ekonomického tlakového spádu Omezíme maximální rychlost Výpočet provedeme dle zvoleného R (Pa/m) Potrubní síť w (m/s) R EK (Pa/m) obytné budovy - přípojky k tělesům, stoupací potrubí obytné budovy - horizontální rozvody v technických prostorech obytné budovy - venkovní rozvody CZT 0,3-0,7 60-110 0,8-1,5 110-200 2,0-3,0 200-400 průmyslové objekty - přípojky k tělesům, stoupací potrubí průmyslové objekty - venkovní rozvody CZT 0,8-2,0 110-250 2,0-3,0 200-400 22 11

Rámec výpočtu otopné soustavy Vyhláška č. 193/2007 Sb. kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu Teplota teplé vody 90 C (případně 115 C) Teplota zpátečky 70 C Vstupní teplota vody do tělesa: Nucený oběh 75 C Přirozený oběh 90 C Podlahové vytápění: max. délka okruhu 180 m, max. tlaková ztráta 2 kpa 23 Rámec výpočtu otopné soustavy Přirozený oběh metoda daného tlaku účinný tlak + přídavný vztlak etážová soustava? Nucený oběh metoda ekonomického tlakového spádu 60 až 200 Pa.m-1 metoda optimálních rychlostí 0,05 až 1,0 m.s-1 (!!! Hluk) metoda daného tlaku čerpadlo + přídavný vztlak, 10-70 kpa 24 12

Etážová OS s přirozeným oběhem Otopná tělesa leží přibližně v rovině kotle. Účinný tlak vyvozen ochlazováním vody v potrubí. Neizolované potrubí pp H g ( ) 2 1 ρ 1 ρ 2 ρ 3 H 0 na OT Návrh dle předběžných rozměrů. Kontrola tlaků nejdelšího a nejkratšího okruhu. 25 1 ρ 1 ρ 2 ρ 3 4 Etážová OS s přirozeným oběhem 2 5500W 20 C 3 4000W 18 C 1. Ochlazení na otop. tělesech 2. Určení ochlazovacích míst 3. Hmotnostní průtok v úsecích (tab.) 4. Předběžné dimenze (tab.) 5. Výpočet teplot v úsecích 6. Výpočet účinných tlaků 7. Kontrola tlakových ztrát č.ú. m L d w R R.L Σξ Z Σ(R.L+Z) kg/h m mm m/s Pa/m Pa Pa Pa 1 418.0 5 50 0.06 1 5 1.5 3 8 2 191 10 32 0.06 1.8 18 6 11 29 3 191 8 32 0.07 1.8 14 3 7 22 4 418 5 50 0.06 1 5 2 4 9 67 26 13

2300W 1800W 1 2 2300W 3 3 2 2 1400W 3 4 Výpočet dvoutrubkové OS OS 85/65 C Výpočet okruhu tělesa 1. 1 1 č.ú. m L d w R R.L Σξ Z Σ(R.L+Z) kg/h m mm m/s Pa/m Pa Pa Pa 1 335.0 1.4 20 0.26 55 77 1 34 111 1/ 335.0 0.7 20 0.26 55 39 1 34 72 2 176 3 15 0.26 75 225 3 101 326 2/ 176 3 15 0.26 76 228 1 34 262 3 99 5.5 10 0.24 95 523 3 86 609 3/ 99 5.5 10 0.24 95 523 5.5 158 681 2061 27 Výpočet jednotrubkové otopné soustavy Výpočet Teplotní určuje teploty v jednotlivých otopných tělesech při výpočtových podmínkách Hydraulický určuje nastavení armatur, dimenze potrubí a parametry čerpadla 28 14

Výpočet jednotrubkové otopné soustavy Vstupní údaje Rozdělení na okruhy, způsob oběhu, zapojení (směšovací, jezdecké) Tepelný výkon okruhu Q o [W] Teplotní spád okruhu t o [K] (10-15 K) Součinitel zatékání do tělesa [-] (0,3-0,5) 29 Výpočet jednotrubkové otopné soustavy Výpočet okruhu Hmotnostní průtok tělesem (kg/s) Součinitel zatékání M T M o Hmotnostní průtok okruhem (kg/s) t i Δt t m t 1 t 2 Teplotní rozdíl na tělese ( C) QT c M tt T Q M o o c t o Výkon tělesa - přepočet ze standardních podmínek (kw) Střední teplota libovolného tělesa ( C) t mt Q to Qi QT t1 0,5 Q c M o t T QN tn T m 30 15

Výpočet jednotrubkové otopné soustavy 1. Hmotnostní průtok okruhem Mo 2. Návrh profilu potrubí (podle R nebo v) 3. Ztráty místními odpory vyjádříme pomocí ekvivalentní délky l ekv 4. Výpočtová délka okruhu L 5. Tlaková ztráta okruhu p c, n - počet těles, p u, -tlaková ztráta uzlu tělesa M l ekv o p Qo c t o p u o d L l l ekv L R n 31 Výpočet jednotrubkové otopné soustavy OS 85/65 C, Q 0 =5000W t t (1 ) t 1T T 1 T 2 1200W/ 20 C 1800W/ 20 C 2000W/ 18 C 79 71.2 63 85 73 80.2 62.2 73 85 80.2 73 53 65 Q T t i α T M T Δt T t 1T t mt W C --- kg/h C C C 1 1200 20 0.4 86 12 85 79 2 1800 20 0.4 86 18 80.2 71.2 3 2000 18 0.4 86 20 73 63 32 16

Návrh čerpadla Hmotnostní průtok + dopravní tlak Návrh čerpadla dle výkonu g V H p V P Dopravní tlak (Pa) Dopravní množství (m 3 /s) Jmenovitý výkon čerpadla (W) Účinnost čerpadla (W) Skutečný výkon čerpadla zvolit o 10-20% větší než vypočtený. 1m v.s.=10kpa Pozor na tlakové ztráty termostatických ventilů a jejich hlučnost (do 20kPa). 33 Návrh čerpadla Návrh čerpadla 34 17

Nastavení regulačních armatur pro ustálený stav Výpočet tlakové ztráty pro navržené dimenze potrubí třením místními odpory Tlakové ztráty okruhu porovnáme s dispozičním tlakem (přirozený oběh x nucený oběh) Přebytek tlaku regulujeme nastavením regulačních armatur Nedostatek tlaku buď zvýšením tlaku nebo snížením tlakových ztrát 35 Nastavení regulačních armatur pro ustálený stav Regulační ventily u těles ve většině případů Regulační ventily v okruhu při rozsáhlých soustavách, kde je nutné vyvážit více objektů nebo částí Clonky v potrubí nedoporučuje se (zarůstání, koroze) 36 18

Nastavení regulačních armatur pro ustálený stav k V 10V p z k v, k vs hodnota průtok V v m 3.h -1 regulační armaturou při jednotkovém rozdílu tlaku pz=100kpa slouží k volbě přednastavení regulační armatury z daného průtoku V a požadované tlakové ztráty p určím potřebnou k v hodnotu armatury 37 Nastavení regulačních armatur pro ustálený stav Příklad: Hledáme nastavení ventilu u tělesa s výkonem 1580W a přetlakem 0,1 bar = 10 kpa Q 3600 15803600 3 V 0,070 m h c t 4196 20970 k v V p 0,070 3 0,22 m h 0,10 1 1 38 19

Hydraulická stabilita Proč? Ve výpočtu uvažujeme ustálený stav x proměnná realita způsobená především: proměnlivými hodnotami přídavného vztlaku vlivem měnící se teploty otopné vody proměnlivými tlakovými poměry v OS vlivem funkce termostatických ventilů Řešení: pasivní vyregulování přesným výpočtem aplikace automatických regulačních prvků 39 Hydraulická stabilita Pasivní regulace výpočtem pravidla pro navrhování jednotlivých částí OS např. u soustav s přirozeným oběhem: nejvíce tlaku spotřebovat na tělesech tlaková ztráta ve stoupačce = účinnému tlaku vzniklému ve stoupačce tlaková ztráta v ležatých rozvodech = účinnému tlaku vzniklému v ležatých rozvodech náročné početně, problém realizace 40 20

Hydraulická stabilita Aplikace automatických regulačních prvků přepouštěcí ventily otvírá se podle odchylky diferenčního tlaku, umisťuje se do obtoku čerpadla nebo mezi přívodní a vratné potrubí OS regulátory diferenčního tlaku škrtící (!) ventil v potrubí řízený diferenčním tlakem čerpadla s řízenými otáčkami konstantní tlak čerpadla při proměnném průtoku 41 Výpočetní programy Komerční - zpravidla kvalitní profesionální řešení, stabilní verze programu, podpora v případě chyby programu, odborná školení, otevřená databáze výrobků. Firemní databáze výrobků omezeny, velké rozdíly v kvalitě a podpoře uživatelů, obtížné řešení chyb. Kvalita závislá na verzi. Ostatní zcela individuálně hodnotitelné. Studentské programy, pomůcky projektantů. Pouze textový výstup X Textový i grafický výstup Kvalita programu předběžně posouditelná dle úrovně manuálu a uvedení příkladů řešení, verze programu, informacích o školení. 42 21

Výpočetní programy Protech [ www.protech.cz] výpočtová linka se souborem programů pro výpočty v oblasti TZB. Tepelný výkon, dimenzování soustavy, větrání kotelny. Komerční program. IMI international [www.imi-international.net] Soubor programů IMItop. Databáze výrobků firmy. Zdarma. (Dále program pro náhrady armatur a přepočty kv hodnot) Uponor [www.uponor.cz] Programy pro výpočet vytápění včetně podlahového. Zdarma s firemní databází, komerčně plná verze. TechCon [www.techcon.cz] Projekční a výpočtový CAD systém s firemními databázemi. 43 Výpočetní programy Rychlost editace Výpis materiálu Detailní vlastnosti výrobků Grafické rozhraní 44 22

Výpočetní programy Ukázka výpočetního výstupu 45 Výpočet jednotrubkové otopné soustavy Ukázka grafického výstupu 46 23

Návrh zabezpečovacího zařízení otopných soustav 47 Pojistné zařízení Tepelné soustavy musí být zabezpečeny proti: Nejvyššímu přetlaku Nejvyšší teplotě Změnám objemu vody v soustavě Výpočet těchto parametrů je součástí návrhu zabezpečovacího zařízení otopné soustavy. Všechny části soustavy musí konstrukčně vyhovovat těmto nejvyšším požadavkům. Zabezpečovací zařízení se rozdělují dle normy na zařízení pro nízkotlaké parní kotle (do 50kPa), teplovodní otopné soustavy s nejvyšší pracovní teplotou 110 C a ohřívače teplé vody. Terminologie: Systém a Soustava 48 24

Tlak Přetlak - tlak nad atmosférickým tlakem vzduchu (obvykle 100 kpa). Srovnávací rovinou je tak tlak vzduchu. Absolutní tlak - tlak měřený k absolutní tlakové nule, tedy včetně tlaku atmosférického. Normální tlak - přibližně průměrná hodnota tlaku vzduchu při mořské hladině na 45 s.š. při teplotě 15 C a tíhovém zrychlení gn = 9,80665 m.s -2. 49 Tlak tekutiny Manometr (tlakoměr) -měřidlo tlaku tekutiny - deformační membrány, vlnovce -porovnávací (u plynu) Barometr - rtuťový - aneroid www.tlakoměry-teplomery.cz en.wikipedia.org 50 25

Tlak Odvozenou jednotkou SI jsou pro tlak jednotky Pascal (Pa). V technické praxi se však ve většině zahraničních zemí používá jednotka bar a její užívání je dočasně povolené. Je nutné dodržovat pravidlo, kdy u jednoho projektu jsou použity pro tlak pouze jedny shodné jednotky. Blaise Pascal (1623 Clermont 1662 Paříž) byl francouzský matematik, fyzik, spisovatel, teolog a náboženský filosof. cs.wikipedia.org/wiki/blaise_pascal Platí 100 kpa = 1 bar Bar je vedlejší jednotkou tlaku v soustavě SI. Bar je stále užíván pro svou názornost, neboť přibližně odpovídá starší jednotce tlaku jedné atmosféry anebo hydrostatickému tlaku 10 m vodního sloupce. 1 mbar = 0,001 bar = 100 Pa = 1 hpa 51 Vzhledem k velké stlačitelnosti plynů není barometrický tlak lineární funkcí výšky Barometrická rovnice Tlak vzduchu Boyleův-Mariottův zákon en.wikipedia.org Stavová rovnice - určuje vztah mezi jednotlivými stavovými veličinami charakterizujícími daný termodynamický systém Ideální plyn: n - látkové množství plynu R - molární plynová konstanta T - absolutní teplota plynu 52 26

Hydrostatický tlak Hydrostatický tlak je tlak, který vzniká v kapalině její tíhou. Tlak v kapalině p = h. ρ. g Působí-li na hladině kapaliny ještě nenulový aerostatický (atmosférický, barometrický) tlak b, je nutno ho přičíst: p = h. ρ. g+b (Pa) www.tlakoměry-teplomery.cz www.zs-fyzika.webnode.cz 53 Pojistné zařízení Každý zdroj tepla musí být vybaven neuzavíratelně připojeným pojistným zařízením. Pojistné zařízení se připojuje k otopné soustavě v pojistném místě. Pojistné místo je horní část zdroje tepla a část výstupního potrubí ze zdroje tepla končící ve vzdálenosti nejvýše 20 DN výstupního potrubí od hrdla. V pojistném místě musí být umístěn také teploměr, tlakoměr a případné snímače teploty, tlaku nebo nedostatku vody v soustavě. www.reflexcz.cz 54 27

Pojistné zařízení Pojistný úsek je část otopné soustavy, ve které je zdroj tepla; je vymezen uzavíracími armaturami na vstupu a na výstupu ze zdroje tepla. Pojistné potrubí je potrubí propojující pojistné zařízení s pojistným místem. Pojistné a expanzní potrubí musí být umístěno tak, aby se samočinně odvzdušňovalo. Pokud to není možné, je nutné instalovat automatické odvzdušňovací zařízení. 55 Pojistné zařízení Skladba pojistného zařízení: Zdroj tepla Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku Ochrana proti překročení nejvyšší dovolené teploty Kotel ano (+ podtlak) ano Výměník ano ano Ohřívák TV ano ano Redukční zařízení ano - tlaku Směšovací zařízení - ano 56 28

Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku Ochrana - musí být navržena tak, aby byla schopna odvést příslušné množství teplonosné látky určené výkonem zdroje tepla, které může vzniknout provozem zdroje tepla bez odběru tepla nebo při dopouštění vody do otopné soustavy. Ochrana může být řešena hydrostaticky pomocí sloupce vody v pojistném potrubí a expanzní nádobě nebo pojistným ventilem. Oba systémy mohou být kombinovány. Zdroje tepla se rozdělují do skupin podle skupenství vody, která by procházela pojistným zařízením v případě, kdy by nebyl odběr tepla ze zdroje. Dimenzování pojistného zařízení se následně provádí podle příslušné skupiny zařízení. 57 Skupiny zdrojů tepla Skupina A výměníky tepla, nepřímo vytápěné ohřívače TV, redukční a směšovací zařízení. U zdroje tepla skupiny A1 může být pojistné zařízení umístěno na zpětné části pojistného úseku. Skupina B kotle a přímo vytápěné ohřívače TV. Θ 1 teplota vstupu ohřívací látky ( C), Θ 2x teplota ohřívané vody na mezi odparu při nejvyšším dovoleném přetlaku ( C) Zdroj tepla Varianta Teplotní rozsah ( C) Vstup do pojistného zařízení Výstup z pojistného zařízení A 1 Θ 1 < 100 C voda voda 2 100 C < Θ 1 < Θ 2x voda směs 3 100 C < Θ 2x < Θ 1 pára pára B - - pára pára 58 29

Pojistný ventil ČSN 134309-2 Průmyslové armatury. Pojistné ventily. Část 2: Technické požadavky. 1994. ČSN 134309-3 Průmyslové armatury. Pojistné ventily. Část 3: Výpočet výtoků. 1994. nejběžnější pojistné zařízení nainstalován přímo na zdroji tepla nebo v soustavě co nejblíže zdroji tepla nejlépe NEUZAVIRATELNĚ při použití více pojistných ventilů musí mít nejmenší z nich kapacitu minimálně 40 % celkového pojistného výkonu minimální rozměr ventilu je DN 15 při umístění nesmí být na přívodním potrubí tlaková ztráta vyšší než 3 % nastaveného přetlaku ventilu, na výfuku pak 10 % pojistné potrubí za pojistným ventilem nesmí mít menší průměr než pojistný ventil umístění pojistného ventilu je nutné řešit s ohledem na jeho přístupnost. odvod teplonosné látky je nejvhodnější provést viditelným odvodem do kanalizace 59 Pojistný ventil V případě výkonu zdroje vyššího než 300kW je nutné, pokud nemá zdroj instalován dodatečný omezovač teploty a přetlaku, na výfukové potrubí instalovat odlučovač vody a páry. Výfukové potrubí páry je vhodné odvádět do ovzduší. Při překročení mezního přetlaku v soustavě nebo při přerušení dodávky pomocné, nejčastěji elektrické energie, musí omezovač přetlaku uzavřít dodávku paliva nebo tepla. Tlakový omezovač musí být nastaven tak, aby byl uveden v činnost dříve než pojistný ventil. Omezovače přetlaku nejsou nutné, pokud zdrojem tepla soustavy je výměník tepla. www.spirax.cz 60 30

Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku www.herz.cz www.spiraxsarco.com 61 Výpočet pojistného zařízení Pojistné zařízení musí zajistit odvod pojistného výkonu Φp (kw) ze zdroje tepla. Pro zařízení skupiny A1, A3 a B platí, že Φp=Φn, kde Φn je jmenovitý výkon zdroje tepla (kw). Pojistný průtok pro vodu (m 3.h -1 ) je V p = Φ p 1000 Pojistný průtok pro páru (kg.h -1 ) je M p = Φ p, kde r je výparné teplo při otevíracím přetlaku pojistného ventilu. r 62 31

Návrh velikosti pojistného ventilu Průřez sedla pojistného ventilu A 0 (mm)se stanoví podle vztahu: Pro vodu A 0 = 2.Φ p α v. p PV Pro páru A 0 = Φ p α v.k Jmenovitá světlost 1/2" DN15 3/4" DN20 1 DN25 5/4 DN32 Nejmenší průtočný průřez A 0 (mm 2 ) 201 314 452 754 Výtokový součinitel α v () 0,64 0,61 0,60 0,62 Vnitřní průměr pojistných potrubí (mm) se stanoví ze vztahu: Pokud nemůže dojít k vývinu páry d v = 10 + 0,6. Φ p Pokud může dojít k vývinu páry d p = 15 + 1,4. Φ p P PV (kpa) 50 100 140 200 250 300 350 400 450 500 600 700 800 900 K (kw.mm -2 ) 0,5 0,67 0,79 0,97 1,12 1,26 1,41 1,55 1,69 1,83 2,1 2,37 2,64 2,91 r (kw.mm -2 ) 0,618 0,611 0,607 0,601 0,596 0,593 0,589 0,585 0,582 0,579 0,574 0,569 0,564 0,560 63 Příklad výpočtu pojistného ventilu Otopná soustava má zdroj kotel o výkonu 40 kw. Průřez sedla pojistného ventilu A 0 (mm)se stanoví podle vztahu: Pro páru A 0 = Φ p = 40 = 49,6 = 50 mm2 α v.k 0,64.1,26 Vhodný průměr pojistného ventilu DN15. Minimální vnitřní průměr pojistných potrubí se stanoví, pokud může dojít k vývinu páry jako: d p = 15 + 1,4. Φ p = 15 + 1,4. 40 = 23,8 = 24 mm Jmenovitá světlost 1/2" DN15 3/4" DN20 1 DN25 5/4 DN32 Nejmenší průtočný průřez A 0 201 314 452 754 (mm 2 ) Výtokový součinitel α v () 0,64 0,61 0,60 0,62 64 32

Zabezpečení Kotle na tuhá paliva teplovodních soustav s ruční obsluhou a oběhovými čerpadly musí být vybaveny zařízením, které uzavře přívod spalovacího vzduchu. V případě výpadku oběhového čerpadla musí být kotle na tuhá paliva s ruční obsluhou a ostatní určené zdroje vybaveny zařízením schopným chladit kotel po určenou dobu například odparem vody (např. u kotlů na tuhá paliva min. 30 min). www.kamna.astranet.cz 65 Zabezpečení V případě že dojde k využití funkce zabezpečení proti nejvyšší dovolené teplotě nebo nejvyššímu dovolenému přetlaku, je možné obnovení provozu až po zásahu obsluhy. www.viadrus.cz 66 33

Ochrana proti překročení nejvyšší dovolené teploty Navržena tak, aby při překročení teploty byla automaticky odstavena dodávka energie do zdroje tepla. Pro zdroje skupiny A platí tento požadavek i při přerušení dodávky elektrické energie. Nastavení teploty musí být viditelné a chráněné proti snadnému přestavení. V případě výměníků tepelných soustav a u redukčních nebo směšovacích stanic musí být instalováno automatické omezovací zařízení, které uzavře přívod tepla v případě překročení nejvyšší pracovní teploty. Zařízení uzavře přívod tepla také při výpadku dodávky elektrické energie. www.elny.cz www.thermis.cz 67 Ochrana proti překročení nejvyšší dovolené teploty V případě kotlů na kapalná a plynná paliva a elektrokotlů musí automatické omezovací zařízení vypnout přívod paliva a elektrické energie při dosažení nejvyšší pracovní teploty. Pokud zdroj tepla není vybaven bezpečnostním omezovačem teploty, instaluje se tento omezovač do výstupního potrubí co nejblíže zdroji tepla. Zvýšení teploty má tak být maximálně 10 C. www.metra-su.cz www.metra-su.cz 68 34

Ochrana proti nedostatku vody Zdroje tepla zejména umístěné nad otopnou soustavou musí být vybaveny pojistným zařízením proti nedostatku vody v otopné soustavě. Toto pojistné zařízení signalizuje nedostatek vody do místa obsluhy a odstaví zdroj tepla z provozu. 69 Automatické doplňování vody do soustavy automatické zařízení na doplňování vody do soustavy při poklesu tlaku v topné soustavě kontrolovaně doplní, zpravidla ze soustavy pitné vody místo instalace musí být zabezpečené proti zaplavení a mrazu a dobře větratelné max. tlak 10 bar www.reflexcz.cz 70 35

Doplňovací automat Automat pro topné, chladící a solární soustavy Změkčovací filtry-úpravna vody www.anticalc.cz www.hydrodem.cz www.reflexcz.cz 71 Expanzní zařízení Expanzní zařízení je součástí zabezpečovacího zařízení vodních soustav vytápění umožňující vyrovnání změn roztažnosti vody v otopné soustavě bez její ztráty, udržení přetlaku v otopné soustavě v předepsaných mezích a případně automatické doplňování vody do otopné soustavy při jejích drobných netěsnostech. Expanzní zařízení je do soustavy připojeno v neutrálním bodě pomocí expanzního potrubí. Zdrojem přetlaku expanzního zařízení může být: hydrostatický tlak (svislé potrubí s otevřenou expanzní nádobou) expanzní čerpadlo s expanzní armaturou přetlak plynového nebo parního polštáře působící přímo na vodní hladinu soustavy nebo přes membránu. Nejběžnějším způsobem je zvláště v oblasti malých výkonů využití uzavřené expanzní nádoby s membránou. 72 36

Příklad expanzní nádoby www.reflexcz.cz 73 Příklad expanzní nádoby www.tzb-info.cz www.thermona.cz 74 37

Zapojení EN do soustavy Expanzní nádobu (tlakovou) je nutné napojit vždy poblíž sání čerpadla www.tzb-info.cz/219-kam-umistit-expanzni-nadobu-a-cerpadlo-v-systemu-ustredniho-vytapeni 75 Doporučené zapojení EN Použit kulový kohout se zajištěním v otevřené poloze na odděleni expanzní nádoby od soustavy - minimálně jednou za rok kontrola EN. Membránu (vak) expanzní nádoby nevystavovat teplotám nad 70 C. 76 38

Stanovení objemu vody Expanzní zařízení je součástí zabezpečovacího zařízení vodních soustav vytápění umožňující vyrovnání změn roztažnosti vody v otopné soustavě bez její ztráty, udržení přetlaku v otopné soustavě v předepsaných mezích a případně automatické doplňování vody do otopné soustavy při jejích drobných Vytápěcí soustava Objem vody na kw výkonu soustavy (l/kw) Nucený oběh, plynový kotel, konvektory 4 Nucený oběh, plynový kotel, trubková tělesa 6 Nucený oběh, plynový kotel, desková tělesa 10 Nucený oběh, kotel na tuhá paliva, článková tělesa 12 Přirozený oběh, kotel na tuhá paliva, článková tělesa 16 Podlahové topení 20 77 Výpočet membránových expanzních nádob ČSN EN 12828 Tepelné soustavy v budovách - Navrhování teplovodních tepelných soustav. 2005. jednotky bar ČSN 060830 Tepelné soustavy v budovách - Zabezpečovací zařízení. 2010. jednotky Pa MR-manometrická rovina, běžně hmr=1,5 m nad podlahou, PV pojistný ventil, P tlakoměr, OT otopné těleso, EN expanzní nádoba, NB neutrální bod otopné soustavy, Č čerpadlo, K kotel, hst hydrostatická výška (m). 78 39

Výpočet membránových expanzních nádob Expanzní objem Ve se stanoví na základě zvětšení objemu vody v soustavě při jeho ohřátí z 10 C na střední návrhovou teplotu vody v otopné soustavě θm ( C). Expanzní objem V e (l) dle ČSN EN 12828 V e = e. V System 100 Koeficient objemu vody e (%) přímo vyjadřuje zvětšení vody při dané teplotě. Expanzní objem V e (l) dle ČSN 060830 V e = V. υ Koeficient Δν (l.kg -1 ) je součinitel zvětšení objemu vody, který závisí na hustotě vody při dané teplotě. Nejvyšší návrhová expanzní teplota ( C) Změna objemu vody e (%) 60 1,71 70 2,22 80 2,81 90 3,47 79 Výpočet membránových expanzních nádob Celkový objem expanzní nádoby V exp,min (l) V exp,min = V e + V WR. p e + 100 p e p 0 Tlaková expanzní nádoba má mít rezervu pro případ vyrovnání malých ztrát vody v soustavě. V WR (l) je rezerva vodního objemu. Pro expanzní nádoby menší než 15 l má být rezerva minimálně 20 % tohoto objemu, pro nádoby s objemem vyšším než 15 l minimálně 0,5 % z celkového vodního objemu tepelné soustavy, minimálně ale 3 l. (podle ČSN 060830 činí 30 % expanzního objemu, tedy V WR = 0,3. V e ) Vypočtený objem expanzní nádoby V exp,min je objem nejmenší. V případě použití příliš malé expanzní nádoby je ještě před dosažením nejvyšší provozní teploty vody dosažen přetlak ppv a dochází k otevření pojistného ventilu v soustavě. Nutné je tak časté dopouštění vody do soustavy. (běžná řada 8, 12, 18, 25, 35, 50, 80, 140, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000 litrů) maximální dovolený pracovní přetlak (běžná řada 300, 600, 1000, 1600, 2500 kpa). 80 40

Výpočet membránových expanzních nádob p konstr = p k + h i. ρ. g 1000 Ppv a Pe Tlakový rozdíl u pojistných ventilů přímočinných a pojistných ventilů s přídavným zařízením je 10 %, 15 kpa pak platí u otevíracích přetlaků nižších a rovných 150 kpa nejvyšší dovolený tlak, při kterém membránová expanzní nádoba pojme objem vody (Ve+VWR) p 0 p ST + p D p 0 = p ST + p D + p č + p R p ST = h ST. ρ. g p0 je výchozí návrhový přetlak v soustavě (kpa). Minimální hodnota je 70 kpa, doporučeno 100 kpa. 81 Výpočet membránových expanzních nádob www.tzb-info.cz www.reflexcz.cz 82 41

Příklad výpočtu velikosti expanzní nádoby Otopná soustava s objemem 1000 litrů vody, výška soustavy mezi neutrálním bodem a nejvyšším bodem soustavy je 12 m, nejvyšší teplota v soustavě je uvažována 90 C. Pojistný ventil má nastaven otevírací přetlak 300 kpa. Expanzní přetlak v soustavě proto volíme 280 kpa Změna objemu vody e je dle tabulky 3,47 %. Statický tlak v soustavě p ST = h ST. ρ. g = 12.1000.9,81 = 118 kpa Minimální provozní přetlak p 0 proto volíme 150 kpa Expanzní objem vody V e = e. V System = 3,47. 1000 = 34,7 l 100 100 Objem vodní rezervy V WR = r. V system = 0,005.1000 = 5l 83 Celkový objem expanzní nádoby V exp,min = V e + V WR. p e+100 = p e p 0 34,7 + 5. 280+100 = 116 (objem nejblíže vyšší expanzní nádoby je dle 280 150 výrobní řady výrobce 140 l) Plnící přetlak soustavy p a,min V exp,min. p 0 +100 140. 150+100 100 = V exp,min V WR 140 5 p a,max Příklad výpočtu velikosti expanzní nádoby p e +100 Ve. pe+100 1+ V exp,min. p0+100 100 = 280+100 34,7. 280+100 1+ 140. 150+100 100 = 159 kpa 100 = 176 kpa Počáteční přetlak soustavy tak volíme 170 kpa. Min. vnitřní průměr expanzního potrubí (nemůže dojít k vývinu páry) d v = 10 + 0,6. Φ p = 10 + 0,6. 40 = 13,8 mm, nejblíže vyšší DN potrubí je DN15 84 42

Solární soustava Zabezpečení soustavy V solárním okruhu použít výhradně expanzní nádobu s maximálním provozním tlakem 10 barů a membranou odolavajici koncentracim nemrznoucich latek do 50 %. Schéma solární soustavy - firemní materiál 85 Expanzní automat pro udržování tlaku, automatické doplňování a odplyňování udržuje tlak v soustavě pomocí přepouštěcího ventilu a čerpadla při chladnutí v soustavě klesá tlak, čerpadlo zapne a přečerpá potřebné množství vody z nádoby do soustavy. Při zvýšení teploty se v soustavě tlak zvýší, otevře se přepouštěcí ventil a voda se přepouští do nádoby. Uskladněná voda v beztlaké nádobě je od vzduchu oddělena kvalitní butylovou membránou. www.reflexcz.cz www.audry.cz 86 43

Expanzní automat Řízená desorpční metoda - princip lahve sodovky, při jejímž otevření dochází k úniku plynů. Použitím expanzního automatu není nezbytné provádět odvzdušnění nejvýše položených částí otopné soustavy Ekologický přínos představuje fyzikální úprava vody, bez použití chemikálií (pouze úprava ph). Oběhová voda se zcela zbavuje kyslíku a dalších plynů, které kromě zavzdušnění způsobují koroze materiálů, eroze čerpadel a poškození kotlů či výměníků. 87 Expanzní automat www.audry.cz 88 44

Příklady umístění expanzních nádob www.buderus.cz 89 Ohřívače teplé vody Ohřívače vody musí být osazeny zařízením pro provozní i havarijní omezení teploty. Pro případ selhání těchto zařízení jsou samostatně uzavíratelné ohřívače teplé vody vybaveny pojistným ventilem. Průměr pojistného ventilu u průtokového ohřívače se provádějí běžným výpočtem, u zásobníkového ohřívače průměr pojistného ventilu závisí na objemu ohřívače vody dle tabulky. DN pojistného Objem ohřívače (l) ventilu 15 Do 250 20 Do 1000 25 Do 4000 32 Do 8000 40 Do 10000 Sestava armatur před ohřívačem teplé vody. U uzávěr, Z zkušební kohout, K zpětný ventil nebo zpětná klapka, PV pojistný ventil, M tlakoměr. 90 45

Expanzní nádoba na TV (TUV) vyrovnávají objemovou roztažnost soustav pitné a užitkové vody nebo se používají pro snížení rázů od čerpacích stanic nebo jiných zařízení většinou se používá vyměnitelná membrána. pro pitnou vodu musí mít membrána hygienický atest. části přicházející do styku s vodou jsou vyrobené z nekorozivních materiálů (nerez, mosaz, bronz) nebo jsou ošetřeny proti korozi nástřiky, povlaky. součástí expanzní nádoby by měla být i uzavírací armatura, která navíc zabezpečí výměnu vody v nádobě. (Nádoba je průtoková!) www.tzbinfo.cz 91 Vzduchový ventilek s kloboučkem Nádoba s povrchovou úpravou polyuretanem Butylová membrána (Polypropylenová vložka) Připojení na potrubí 92 46

Výpočtové programy Portál TZBinfo Online výpočtový nástroj (2003) www.tzbinfo.cz 93 Systém firmy Protech Výpočtové programy www.protech.cz 94 47

Výpočtové programy Firemní programy např. firmy Reflex www.reflexcz.cz 95 Konec 96 48