VŠB TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra obecné elektrotechniky REGULACE A MĚŘENÍ 1. VŠEOBECNĚ 2. REGULACE SPOTŘEBY 3. REGULACE TEPELNÝCH VÝKONŮ 4. MĚŘENÍ SPOTŘEBY TEPLA 5. PODMÍNKY REGULACE, VÝHODY, NEVÝHODY Ostrava, únor 2004 Ing. Ctirad Koudelka
1. VŠEOBECNĚ Přesto že výroba tepla a teplé vody patří nákladově k nejdražším nejsou správná regulace a měření spotřeby příliš rozšířeny. Teplo se často platí na základě výměry podlahové plochy bytu, teplá voda podle počtu osob v domácnosti. Zejména v případě dodávky obyvatelům sídlišť či nájemních domů je situace velmi špatná. V panelových domech bez měření a regulace dodávaného tepla jsou průměrné teploty asi o 4 C vyšší než průměrné teploty v rodinných domech se samostatným vytápěním. Každý stupeň navíc přitom znamená 6% nárůst spotřeby tepla. Výsledný rozdíl spotřeby tedy činí 24%. Současně velká část bytového fondu České republiky má závažné konstrukční i funkční vady na topných systémech. V zájmu každého odběratele by mělo být přesné a spravedlivé účtování plateb na základě množství tepla, které bylo skutečně odebráno. Nezbytným řešením je instalace spolehlivých a přesných měřičů tepla a teplé vody, a to nejen na zdrojích, na výměníkových stanicích ve vytápěných objektech, ale i v jednotlivých bytech. Regulace topných soustav spolu s měřením tepla a teplé vody přináší uživatelům výrazné úspory energie a s tím související rychlou návratnost finančních prostředků, vynaložených do těchto úsporných opatření. 2. REGULACE SPOTŘEBY Regulace slouží k řízení výkonu zdroje tepla, k řízení teploty topné nebo užitkové vody. Podmínkou hospodárného provozu topného systému je kvalifikované zhodnocení konkrétního stavu a následně důsledná realizace regulačních opatření od zdroje, rozvodů, stoupaček, jednotlivých větví topné soustavy až po radiátorová tělesa. 2.1 Druhy regulace Pro regulaci výkonu zdroje tepla se užívají různé druhy regulace. Nejznámější jsou následující: - Ekvitermní regulace Používá se v případech kdy zdrojem tepla je domovní kotelna nebo v domě je objektová předávací stanice, pak příslušná regulace topné vody se zajišťuje v závislosti na venkovní teplotě či v závislosti na vnitřní teplotě ve vybrané vytápěné (tzv. referenční) místnosti. Nejvhodnějším způsobem regulace je automatické mísení ohřáté vody vystupující z kotle (např. o teplotě 90 C) s potřebným množstvím ochlazené vratné vody pomocí mísící armatury. Mísící armatura je řízena buď venkovním teplotním čidlem nebo pokojovým termostatem umístěným ve zvolené referenční vytápěné místnosti. Tento typ regulace neumí reagovat na okamžitou potřebu teplotních změn nebo trvale rozdílných teplot v jednotlivých místnostech. Proto dochází k nežádoucímu přetápění nebo naopak k nedotápění některých prostor. - Zónová regulace V případech, kdy vytápěný objekt je postaven tak, že různé jeho části jsou vystaveny výrazně odlišným klimatickým vlivům, provádí se samostatná regulace topné vody pro jednotlivé stoupačky topné vody, které zásobují radiátory na příslušné straně domu. Stejný princip se 2
využívá v polyfunkčních objektech, kde v jednotlivé části mají různou potřebu množství tepla nebo odlišný časový průběh odběru. 2.2 Druhy ventilů K regulaci se používají ventily. Z nejpoužívanějších jsou to ventily dvouregulační a termostatické. - Dvouregulační ventily Dosud nejrozšířenější radiátorové uzavírací armatury (ventily, kohouty). Mají dvojí funkci: nastavení průtoku pomocí vnitřní regulace, která není obyvateli bytu běžně přístupná, kterou nastavuje podle projektu topenář při montáži, uzavření průtoku, což zajišťuje vnější regulace, kterou ovládá přímo uživatel bytu. Pomocí běžných radiátorových armatur tedy uživatel bytu ovládá úroveň vytápění jen v době své přítomnosti v bytě. - Termostatické ventily Udržují teplotu vzduchu v místnosti na zvolené hodnotě, která je nastavena na hlavici ventilů. Toto nastavení může prováděno uživatelem bytu automaticky, bez ohledu na jeho přítomnost v bytě. Fungují na principu tepelné dilatace kapaliny, plynu či pevné látky. Ta se roztahuje vlivem zvyšující se teploty prostředí okolo ventilu, Tento pohyb se převádí na kuželku ventilu, která dosedá do sedla. Zdvih kuželky se mění proporcionálně v rozsahu několika C. Některé termoventily pracují s odděleným čidlem, spojeným s ventilem pomocí kapiláry. Komfortním řešením regulace jednotlivých prostorů tj. všech těles v místnosti současně, je situace, kdy radiátor a čidlo v tomto prostoru buď dvoupolohově řídí termické pohony radiátorových ventilů, nebo řídí proporcionálně jejich elektrické mikropohony. Termostatický ventil reaguje nejen na změnu venkovních podmínek, ale i na případné tepelné zisky ve vytápěné místnosti (např. sluneční záření, teplo produkované dalšími spotřebiči, atd.). Podle potřeby přivírá nebo otevírá přívod tepla do radiátoru. Příslušné řídící čidlo je v termostatické hlavici, proto nesmí být tato hlavice zastíněna nebo osluněna a musí být umožněno volné proudění vzduchu. Přesněji pracují termostatické ventily, které mají čidlo mimo hlavici, které je umístěno na optimálním místě vytápěné místnosti. Existují i termostatické ventily s programovatelným režimem. Druhy termostatických ventilů jsou na následujícím obrázku. Nevýhody využití termostatických ventilů: Termostatické ventily většinou zabraňují přirozenému úniku vody z otopných těles přes přívodní přípojku do stoupačky. Vzduch je přítomen v otopné soustavě těsně před napouštěním stoupačky. Z otopných těles s velkým obsahem (např. u článkových těles) uniká 3
vzduch velmi pomalu, zejména v nižších podlažích, kde nejsou odvzdušňovací ventily. Systém se musí několik hodin odvzdušňovat bez oběhu topné vody. Při průtoku topné vody by se vzduch z otopných těles už nedostal. Topná voda v otopné soustavě s tlakovými expandéry a s kompresory bývá bohatá na vázaný rozpuštěný vzduch. Přetlak vody při stoupání stupačkou klesá. Klesá i rozpustnost vzduchu ve vodě a dochází k jeho uvolňování v podobě malých bublinek. Hladina uvolňování vzduchu může být i několik podlaží pod podlažím nejvyšším. Touto směsí vody a vzduchu budou zasažena všechna otopná tělesa nad uvedenou hladinou. Směs se přes termostatické ventily do otopných těles dostane, ale vzduch zpět již ne, neboť se bublinky v otopném tělese spojí do větších objemů, které proti přívodu neprojdou. Vzduch tak může zaplnit celé otopné těleso a odstavit ho z provozu. Řešení uvedeného stavu je možné pomocí odvzdušňovacích ventilů osazených do otopného tělesa nad hladinou uvolňování vzduchu. Dokonalejší způsob je nahradit tlakové expandéry s kompresorem např. beztlakovou nádobou a doplňkovým čerpadlem. - Programovatelné termostaty Tato zařízení slouží k automatické regulaci otopných nebo chladících systémů. Existují různé typy zařízení od celé řady výrobců. Jednotlivé typy se liší možnostmi nastavení, rozsahem a krokem nastavení teploty, přesností udržování určité teploty, možnostmi nastavení individuální teploty ve vytápěném objektu, která odpovídá určité teplotní změně, množstvím podávaných informací, způsobem provozu a ovládání, různým množstvím nastavitelných programů, atd.. Termostaty se nesmí umístit v blízkosti zdrojů tepla, v blízkosti spotřebičů (např. osvětlovacích těles, televize, lednice, atd.), nesmí být vystaveny přímému slunečnímu světlu či průvanu v blízkosti dveří, oken. Doporučuje se instalace v místě s dobrou cirkulací vzduhu, s průměrnou teplotou v místnosti, na vnitřní stěně ve výši cca 1,5 m nad podlahou. 3. REGULACE TEPELNÝCH VÝKONŮ Řízení výkonu kotelen: Úkolem této regulace je zajištění výroby tepla v takovém množství, jaké je právě potřeba. Kotelna z hlediska celkového výkonu musí být správně dimenzována a tento výkon musí být vhodně rozložen optimální počet výrobních jednotek. Kotelna nikdy nesmí být poddimenzována, neboť jakákoliv regulace působí jen snižování instalovaného výkonu, nemůže tento výkon zvyšovat. Regulace výkonu kotlů je založena na změně přísunu paliva. Nesmí přitom poklesnout účinnost kotle, protože je konstrukčně omezen určitým poměrem max. a min. výkonu. U plynových kotlů to výrobci většinou řeší dvoustupňovými hořáky. Regulace celkového výkonu je možná volbou počtu provozovaných kotlů. Měřítkem vyrovnané výroby a spotřeby je dodržení žádané teploty teplonosného média na společném potrubí výstupu kotlů, případně na společném vratném potrubí. U kotelen menšího výkonu, sloužícího pouze k vytápění 4
jednoho typu topné soustavy se můžeme setkat s regulací evitermního charakteru, tj. teplota kotlové vody je ovlivňována venkovní teplotou (viz regulace ekvitermní). Elektrokotelny: Elektrický proud, jako palivo má ideální vlastnosti pro potřeby regulace. Stykače spínají jednotlivá odporová tělesa. Cenové důvody a povolovací podmínky vedly ke vzniku kotelen přímotopných a akumulačních (existují i hybridní typy). Akumulační kotelny nepřizpůsobují výrobu tepla okamžité spotřebě, ale předpokládané spotřebě. Tento časový posun mezi nabíjením a vybíjením představuje určitá rizika, která spočívající v tom, že když nabíjíme, nevíme zda nabití stačí pokrýt potřeby budoucího vybíjení. Snaha o kompenzaci těchto rizik často vede k předimenzování nádrží i k jejich přebíjení. První nabíjení se provádí na maximální provozní teplotu, všemi topnými tělesy, pokud není ve všech nádržích dosaženo této úrovně nejdéle však po dobu, pevně stanovenou dodavatelem elektřiny. Všechna nabíjení další, však vycházejí jen z přiděleného času, ale i ze zbytkového tepla, které nebylo odčerpáno. K nabíjení tak při stejném nabíjecím výkonu stačí kratší čas. Začíná se většinou nabíjet s úměrným zpožděním, aby potřebného nabití bylo dosaženo co nejblíže době, kdy opět začne vybíjení. Omezí se tak ztráty akumulací. Vyregulování otopné soustavy se provádí ve stupních: dosažení projektovaného průtočného množství a teploty otopné vody seřízením čerpadla nebo jeho výměnou, úpravou charakteristiky potrubí či seřizovací armatury, dosažení správné distribuce otopné vody mezi budovami, samostatně regulovanými částmi otopné soustavy, větvemi rozvodu a stoupačkami instalací a nastavením regulačních seřizovacích armatur, dosažení správného rozdělení otopné vody do každého otopného tělesa instalací a nastavením regulačních armatur a nebo termostatických ventilů. 4. MĚŘENÍ SPOTŘEBY TEPLA Velmi silným stimulem, který vede k pozitivním změnám v chování odběratelů tepla a tím i k úsporám energie, je i poměrové měření odběru tepla a spravedlivé účtování výdajů za skutečně odebranou energii. Byty jsou zpravidla zásobovány topným médiem z několika stoupaček. Použití absolutních měřičů tepla, kterých by muselo být namontováno několik v každém bytě by bylo cenově příliš náročné. Proto používá poměrné rozdělení celkové spotřeby tepla na jednotlivé odběratele prostřednictvím indikátorů pro rozdělování nákladů na vytápění místností otopnými tělesy. Měření spotřeby se provádí několika způsoby, mezi které patří: - Elektronický rozdělovač topných nákladů Jeden ze snímačů měří povrchovou teplotu radiátoru. Tepelný můstek z hliníkové slitiny zaručuje přesně definovanou teplotní vazbu na radiátor. Současně další snímač měří i okamžitou teplotu okolního prostoru. Naměřené hodnoty jsou předávány ke zpracování integrovanému mikroprocesoru. V mikroprocesoru jsou zadány všechny parametry topného tělesa, pomocí zakódovaných charakteristik jsou údaje automaticky přepočítávány a vyhodnocovány. Všechny sledované hodnoty jsou zobrazovány na polyfunkčním displeji. Optický výstup se používá pro automatizovaný odečet naměřených hodnot a zaznamenaných 5
provozních stavů přímo do přenosného počítače. Tento systém měření je velmi přesný a je možné ho použít i u nízkoteplotních vytápěcích soustav. - Kapalinové měřiče tepla Jsou založeny na principu odpařování speciálně obarvené kapaliny, zdravotně nezávadné. Rychlost odpařování je závislá na teplotě radiátoru. Přesně definovanou teplotní vazbu na radiátor zprostředkuje opět tepelný můstek, vyrobený z hliníkové slitiny. Čím více tepla přivedeme k měřící kapalině, tím více se jí odpaří. Přiložená stupnice umožňuje odečítání množství odpařené kapaliny. Po provedení odečtu je trubička s kapalinou nahrazena novou ampulí s roztokem jiné barvy a ponechána v přístroji po dobu dalšího roku pro pozdější kontrolu správnosti odečtu. 5. PODMÍNKY REGULACE, VÝHODY, NEVÝHODY Základní podmínky úspěšné regulace a měření hydraulické vyrovnání otopné soustavy je potřebné pro sladění průtoků v jednotlivých, resp. V hlavních úsecích s projektovanými hodnotami. Sladění je nutným předpokladem pro zdárnou funkci otopné soustavy, izolace potrubí v nevytápěných prostorách, při instalaci termostatických radiátorových ventilů se vlastně přechází na systém s proměnným průtokem topné vody, tím podstatně mění hydraulické poměry v otopné soustavě. Je tedy nutné provést regulaci tlakové diference otopné soustavy, regulace je nejúčinnější, provede-li se v souvislostech celé otopné soustavy. Částečná řešení se neosvědčují a přinášejí potíže v podobě nerovnoměrného vytápění, hlučnosti a dalších nežádoucích provozních závad, termostatické ventily a otopné soustavy vyžadují vodu se sníženým obsahem vzduchu a bez mechanických nečistot. Proto musí být voda dobře odvzdušňována a filtrována, instalace přesného a spolehlivého systému rozúčtování topných nákladů je možná jen v dokonale vyvážených a plynule regulovaných topných systémech, přesnost měření spotřeby tepla je závislá na správné skladbě měřícího okruhu, na pečlivém dodržení montážních postupů a na důsledném respektování pravidel pro uvedení. Výhody využití měření a regulace využití měření a regulace je motivujícím stimulem, který pozitivně ovlivňuje osobní spotřebu tepla a TUV, funkční regulace uspoří cca 15 25% tepla, možné úspory, kterých lze dosáhnout spravedlivým rozúčtováním topných nákladů na základě přesného poměrového měření odebraného tepla a důsledně provedené regulace dosahují 20 30%, 6
volba správné regulace umožňuje i využití ostatních tepelných zisků a tím i snížení potřeby vyráběného tepla, možnost nastavení požadované teploty, časového i prostorového režimu vytápění objektu. Nevýhody využití měření a regulace cena zařízení je ovlivňována množstvím řízených míst tedy kotlů, výměníků, větví spotřeby, mezi které se instalovaný výkon rozděluje, případně velikostí prostoru, který určuje délku kabelových spojů, provozní potíže jsou většinou způsobeny nekvalifikovanou montáží. 7