Kurz vytápění Teplovodní otopné soustavy konvekční (konstrukční provedení) Otopná soustava zajišťuje přenos tepla ze zdroje tepla do jednotlivých vytápěných místností. Otopná soustava se skládá z: Zdroje tepla kotle na pevná, plynná nebo kapalná paliva, tepelné čerpadla (země vzduch, vzduch vzduch, voda voda a jiné), výměníky tepla (parní nebo vodní) Potrubní sítě rozdělené podle způsobu propojení otopných těles, pracovní teploty, konstrukce expanzní nádoby, oběhu vody či materiálu rozvodu Spotřebičů tepla otopná tělesa článková, desková, trubková a konvektory (s nuceným či samovolným vybíjením tepla) Návrh otopné soustavy je v podstatě volba jednotlivých parametrů z hlediska minimálních provozních a investičních nákladů s přihlédnutím ke specifickým podmínkám daného objektu (požadavky investora, účel a provoz objektu, konstrukce objektu a jiné) Teplovodní otopnou soustavu můžeme rozdělit podle geometrických, teplotních, tlakových nebo materiálových parametrů (obr. 1) Obr. 1 Návrhové parametry teplovodních otopných soustav - 1 -
Prostorové uspořádání otopné soustavy Návrh otopné soustavy by měl vyhovovat nejen technickým a bezpečnostním požadavkům, ale zároveň by také otopná soustava neměla svým uspořádáním narušovat interiér ani konstrukci stavby. Z hlediska provozu by měla otopná soustava vždy umožňovat úplné odvodnění (osazení vypouštěcích armatur v nejnižších místech otopné soustavy) a zároveň dokonalé odvzdušnění (osazení odvzdušňovacích ventilů na otopná tělesa a nejvyšší místa soustavy) a to v celém rozsahu sítě. Obr. 2 Základní části otopné soustavy 1 hlavní ležaté rozvody 2 stoupačky 3 podlažní ležaté rozvody 4 připojovací potrubí 5 pojistné potrubí 6 armatury Materiál rozvodu Materiál, ze kterého se potrubní síť provádí je nutno zvážit vzhledem k odlišným mechanickým vlastnostem těchto materiálů. V současné době se otopné soustavy převážně navrhují z: Oceli Mědi Plastu - 2 -
Každý materiál má své výhody i nevýhody. Materiál použitý pro potrubní síť otopné soustavy by měl splňovat několik kritérií, a sice: 1) Vysokou odolnost proti korozi 2) Jednoduchou a rychlou montáž 3) Měl by být vůči vodě neagresivní 4) Zamezit vnikání kyslíku do vody (pro plastová potrubí) Otopná soustava by měla být chráněna proti korozi zevnitř i zvenku. Největším problémem v otopných soustavách je přítomnost kyslíku ve vodě. 1 g kyslíku zoxiduje 2,6 g železa za vzniku 1,4 l vodíku, který se musí ze soustavy odvést. K tomu abychom zamezili vnikání kyslíku do otopné soustavy, je doporučeno: Ve všech místech otopné soustavy zajistit přetlak proti atmosféře U otevřené expanzní nádoby volit tvar, který zajistí minimální plochu hladiny Odvzdušňovací potrubí nenapojovat přímo na expanzní nádobu, ale na přepadové potrubí ve výšce maximální vodní hladiny v nádobě v teplém stavu Potrubí z oceli: Ocelové potrubí je tradičním materiálem, který se používá pro potrubní sítě teplovodního vytápění. Na rozvody do DN 50 se používá běžných závitových trubek, ale pro větší průměry je vhodné použít trubky hladké bezešvé. Nevýhodou ocelového potrubí je jeho nízká odolnost proti kyslíkové korozi. Spojování ocelového potrubí se zpravidla provádí svařováním a to buď elektrickým obloukem, nebo plamenem, spojování lze také provádět rozebíratelným způsobem a to přes šroubení. Ocelové potrubí by mělo být poté opatřeno ochranným nátěrem proti korozi po celé délce. Potrubí z mědi: Měděné potrubí má velmi širokou oblast využití. Mezi jeho největší přednosti patří velmi vysoká odolnost proti korozi, velká pevnost a s tím související možnost použití malých tloušťek stěn potrubí, malá hmotnost na 1 m potrubí, jednoduchá a rychlá montáž. Další důležitou vlastností měděných trubek je jejich menší tlaková ztráta na 1 m potrubí oproti trubkám ocelovým. Nelze však tvrdit, že měď nepodléhá korozi, avšak intenzita atmosférické koroze je u měděných trubek o řád menší než u ocelového potrubí. Nevýhodou měděného potrubí je však jeho vyšší pořizovací cena a také skutečnost, že je třeba pamatovat na větší teplotní roztažnost než u oceli (asi o 40 % větší) a proto je nutné u těchto rozvodů kompenzovat tepelnou dilataci. Např. při průchodu měděné trubky stěnou je doporučeno průchod řešit ochrannou trubkou většího průměru. Měděné potrubí se většinou spojuje kapilárním pájením a závitovými spoji pro napojení armatur a dalších prvků, je možné ho spojovat i za pomocí lisovacích fitinků. - 3 -
Vznik koroze v potrubí: Ve vodě přítomný kyslík působí na vnitřní strany potrubí a vytváří tak tenký stejnoměrný povlak, který se skládá za zásadité uhličitanové sloučeniny = povrchová koroze. Povrchová koroze není škodlivý jev, protože vytváří jakýsi povlak, který chrání vnitřní povrch potrubí, oproti korozi bodové. Bodová koroze může vzniknout buď vinou výrobní technologie (např. ulpění maziva obsahující uhlík) anebo vznikem inkrustací na vnitřní straně trubky vlivem špatného chemického složení vody (čím více Fe voda obsahuje, tím více se zvyšuje riziko bodové koroze) a ph. U ocelových trubek se doporučuje ph = 10 U měděných vyšší hodnota ph nevadí, ale nedoporučuje se (dodržení ph > 6) Další zásadou pro zabránění vzniku koroze, je dodržení předepsaných rychlostí proudění otopné vody, při vyšších rychlostech proudění je proudění turbulentní. Turbulentní proudění má nahodilý (neuspořádaný) charakter a narušuje tak ochranný povlak na vnitřním povrchu potrubí. Potrubí z plastu: V současné době se začínají uplatňovat také plastová potrubí. Plastová potrubí nabízejí podobné vlastnosti jako potrubí měděná (menší hydraulickou ztrátu, pevnost a lehkost, jednoduchost montáže, odolnost vůči korozi a nejsou agresivní vůči otopné vodě). Problémem všech plastových potrubí je ovšem jejich stárnutí. Životnost plastových potrubí je dána maximální teplotou otopné soustavy, provozním přetlakem a rozměrem potrubí (průměr x délka). Značnou nevýhodou plastových potrubí je jejich teplotní délková roztažnost, která je až 10x větší než u kovových materiálů, nevýhodou je také maximální teplotní hranice, při které jsou ještě zachovány mechanické vlastnosti a menší tlaková odolnost. Dalším problémem plastových otrubí byla difúze molekul kyslíku stěnami potrubí. V současnosti je však tato otázka vyřešena a na trh je dodávána celá řada speciálně upravených plastových rozvodů. Mezi nejrozšířenější patří: Sítovaný polyetylén (PEX, VPE) Výhody: dobrá tlaková odolnost i při vyšších teplotách (do 100 C), dobré mechanické vlastnosti Nevýhody: nedá se svařovat pouze lepit Polybuten (polybutylen PB) Výhody: je dobře ohebný a má velkou pevnost, vyrábí se proto i tenčí než normální plastová potrubí, využití hlavně pro podlahové vytápění, může se svařovat, lepit nebo spojovat mechanickými spojkami Nevýhody: křehne při -18 C Statický polypropylen (PP-R, PP-RC) Výhody: dobrá ohebnost (obsahuje 20 až 30 % etylénové složky), dá se svařovat i lepit Nevýhody: max. provozní teplota 90 C Chlorované PVC Výhody: možnost výroby různých variant dle požadavku na konkrétní využití, až do 120 C - 4 -
Nevýhody: musí se spojovat pouze s tvarovkami dodané stejným výrobcem (tj. se stejnými vlastnostmi jako potrubí) Polyvinylidenfluorid PVDF Výhody: odolnost až do 140 C, dobře zpracovatelný, odolný vůči UV a Gama záření = nestárne tak rychle, dobré mechanické vlastnosti Nevýhody: je poměrně drahý Vrstvená potrubí s kovovou vložkou (PPR-Al, PEX Al,..) Výhody: vrstva hliníku uprostřed chrání otopnou soustavu proti difúzi kyslíku, nemají tak vysokou teplotní délkovou roztažnost jako normální plasty a přitom si zachovávají poměrně dobrou ohebnost a mechanickou odolnost Nevýhodou: vyšší cena Vzájemné propojení otopných těles Dvoutrubkové soustavy V dvoutrubkové soustavě jsou všechna tělesa napojena paralelně, tj. každé těleso pracuje se stejnými teplotními parametry otopné vody. Rozlišujeme přívodní a vratné potrubí, podle vzájemného vedení potrubí rozlišujeme protiproudé a souproudé zapojení. Protiproudé zapojení - vratné potrubí je vedeno ve stejné trase jako potrubí přívodní s opačným směrem proudění, nevýhodou tohoto zapojení je, že ve vzdálenějších místech soustavy od zdroje tepla je tlaková ztráta vedením v potrubí větší než u těles blíže ke kotli, což komplikuje zaregulování celé soustavy Souproudé zapojení (Tichelmannovo) eliminuje problematiku s tlakovými ztrátami v potrubí, neboť každé otopné těleso má stejnou tlakovou ztrátu, to zajišťuje vysokou hydraulickou stabilitu okruhu. S výhodou se toto zapojení používá právě tam, kde je třeba zajistit rovnoměrné zásobování více odběrných míst, nevýhodou je poněkud vyšší náklad na materiál potrubí (delší rozvody) - 5 -
Umístění ležatého rozvodu Spodní rozvod Má hlavní vedení umístěno v nejnižším podlaží pod stropem či v kanálu. Na něj jsou napojeny stoupačky, tento způsob zapojení je nejčastěji používán u podsklepených budov. Horní rozvod Má své využití u nepodsklepených budov, tj. rozvody jsou umístěny v nejvyšším podlaží (třeba i na střeše). Toto zapojení lze využít jen u soustav s nuceným rozvodem vody. Vertikální rozvod Otopná tělesa jsou napojena přímo na stoupačky a to v co nejkratší vzdálenosti od vertikálního potrubí. Horizontální rozvod Tento rozvod má minimální počet stoupaček a na ně jsou napojeny jednotlivé okruhy v každém podlaží, zvláštním případem je etážová soustava. Etážová soustava s přirozeným a nuceným oběhem vody Etážových soustav se využívá např. pro vytápění jednoho podlaží (nebo třeba jednoho bytu). Jednotrubkové otopné soustavy (JOS) V jednotrubkové otopné soustavě jsou otopná tělesa napojena sériově za sebou. Znamená to, že teplota otopné vody za každým tělesem klesá, v důsledku toho je nutný přepočet velikosti otopné plochy jednotlivých těles (nebo možnost zvýšení průtoku otopné vody, avšak pouze do 5 % Q N ). Soustavy horizontální a vertikální Vertikální jednotrubkové otopné soustavy viz výše Horizontální jednotrubkové otopné soustavy dnes převažují a jsou hojně rozšířené - 6 -
Bytové či zónové okruhy mají svou výhodu v jednoduchosti napojení a přesnosti měření spotřeby tepla. Každý byt je napojen samostatně a rozdělovač i sběrač jsou spolu v jedné skříni lze tak provádět přesné kalorimetrické měření spotřeby tepla. Okruh rozvinutý je naopak takový okruh kdy rozdělovač a sběrač je umístěn každý v jiném místě bytu (na patře). Nejjednodušším a nejlevnějším provedením napojení otopných těles pro JOS je zapojení těles průtočně za sebou. Otopná voda postupně protéká jednotlivými otopnými tělesy. Takto navržená otopná soustava však potřebuje vyšší dopravní tlak čerpadla. Další nevýhodou je také nemožnost místní regulace na otopném tělese. Teplotní spád u těchto soustav je volen do 10 K, aby se výrazně neprojevila různá střední teplota otopných těles. Zlepšení přineslo použití obtoku. To umožňuje místní regulaci přímo na otopném tělese. Ovšem do takové soustavy je potřeba montovat nízkoodporové armatury. K tomu, aby bylo dosaženo stejné tlakové ztráty v úseku přes otopné těleso v úseku kmenové trubky, se používá tzv. jezdecké napojení otopný těles. U tohoto způsobu napojení otopných těles se první pokusy prováděli přes škrtící ventil (kterým ale mohl někdo nepovolaný manipulovat a tím znemožnit přesné nastavení soustavy), dále pomocí clonky (což mělo za nevýhodu postupné opotřebení či zanesení po určité době provozu), zúžení kmenové trubky (obdobné problémy jako u clonek), zapouštěním přípojek do kmenové trubky (ale to většinou při provádění nebylo dodrženo), v Německu je rozšířen tzv. sací fitink, který potřebné množství přiváděné vody do otopného tělesa reguluje sacím účinkem a potřebný výkon se odečítá z tabulek příslušné řady fitinku. Proto je nejlepší používat jezdecké napojení s nízkoodporovými armaturami, které tak umožňují použití termopohonů nebo termostatických hlavic s napojením buď oboustranným shora-dolů nebo zdola-dolů. Pro uzel prvního otopného tělesa musí platit rovnice: t w11 m o = t W11 m T + t w11 m k t w2 m o = t W21 m T + t w11 m k - 7 -
Další možností je použití tzv. čtyřcestných armatur (dvoubodové nebo jednobodové napojení). Tento způsob návrhu je však poměrně pracný a přenosová schopnost těchto armatur je menší než u jezdeckého napojení otopných těles. Výhody jednotrubkové otopné soustavy: Minimální počet svislých rozvodů, zmenšení délky hlavní rozvodné sítě = úspora materiálu Snadné měření spotřeby tepla jednotlivých okruhů Jednoduchá montáž Usnadněná zónová regulace a uzavírání po patrech Možnost zvýšení povrchové teplot stěny pokud je horizontální rozvod veden podél obvodových stěn Nevýhodami jsou: Pokles střední teploty otopných těles ve směru proudění otopné vody Při vyřazení jednoho z těles jsou ostatní otopná tělesa ovlivněna Nutnost odvzdušňovat každé těleso Vertikální JOS můžeme použít jen pro vysoké domy, neboť se zde nejméně projeví uzavření některého tělesa Největším problémem jednotrubky je obtížnost napojení soustavy na CZT (nutné mít určité ochlazení otopné vody). Tomu lze pomoci tzv. reverzním provozem, kdy se pravidelně každých 20 až 30 minut mění směr proudění vody v JOS se zachováním stejné střední teploty vody. Počet těles je v horizontální soustavě prakticky omezen pouze dopravním tlakem čerpadla a teplotním spádem. Soustavy s nuceným a přirozeným oběhem vody U přirozeného oběhu je hybnou silou proudění otopné vody přirozený vztlak. Přirozený vztlak je tím větší, čím větší je rozdíl teplot (hustot) přívodní a vratné vody a čím větší je výškový rozdíl = kotel otopné těleso. Proto se přirozený oběh vody hodí pro soustavy, které mají velké výškové rozdíly a nejsou půdorysně příliš rozlehlé. Hlavní výhodou přirozeného oběhu je jeho nezávislost na dodávce elektrické energie pro pohon čerpadla, ale zároveň nevýhodou je nutnost umístění otopného tělesa co nejvýše nad kotel nebo zdroj tepla. Další nevýhodou je nutnost projektování větších průměrů potrubí (rychlost proudění je 0,1 až 0,2 m/s, tomu odpovídá výrazně nižší tlaková ztráta potrubních úseků) a s tím i spojená cena materiálu a celková tepelná setrvačnost celé soustavy, což neumožňuje použití vhodné regulace. Vertikální dvoutrubková otopná soustava s přirozeným oběhem vody a spodním rozvodem Voda je ohřívána v kotli a vedena horizontálním přívodním potrubím k svislým stoupačkám. Na stoupačky jsou pak v jednotlivých patrech připojena otopná tělesa. Pojistné potrubí spojuje kotel a expanzní nádobu umístěnou na nejvyšším místě otopné soustavy (typické pro rodinné domky). Protože se jedná o otevřenou expanzní nádobu, jde o otevřenou - 8 -
soustavu. Expanzní nádoba pojme zvětšení vody vlivem rozdílu teplot. Cirkulační obtok CO je zde umístěn proto, aby se zamezilo zamrznutí nádoby. U těchto soustav je nutné pro úplné odvzdušnění vést horizontální potrubí s mírným sklonem cca 3 až 5 % o a celou soustavu lze tak odvzdušnit přes těleso v nejvyšším podlaží přes odvzdušňovací potrubí napojené na pojišťovací potrubí nádoby nebo na vzduchovou část expanzní nádoby. Vertikální dvoutrubková otopná soustava s přirozeným oběhem vody a horním rozvodem Horizontální potrubí je vedeno půdním prostorem či pod stropem nejvyššího podlaží. Tento typ soustavy se používá tam, kde není budova podsklepena, protože se u této soustavy dá dosáhnout vyššího přirozeného vztlaku, proto i náběh je u této soustavy rychlejší. Nevýhodou je naopak možnost zamrznutí potrubí v půdním prostoru, proto musí být dostatečně izolováno. Ohřátá voda stoupá vertikálním potrubím do nejvyššího místa soustavy a poté se horizontálně rozvádí do jednotlivých stoupaček. Zapojení těles je v tomto případě souproudé, což je výhodné vzhledem k tlakovým ztrátám. Odvzdušnění je možné v nejvyšším bodě otopné soustavy, proto musí být horizontální potrubí vedeno s mírným sklonem, pokud je použita otevřená expanzní nádoba slouží zároveň i jako odvzdušnění. Etážová otopná soustava s přirozeným oběhem vody Tento typ soustavy slouží k vytápění většinou jednoho podlaží či jednoho bytu. Účinný vztlak je vyvolán na základě umístění horizontálního potrubí pod stropem místností, protože osy otopných těles jsou ve stejné výši jako osa kotle. Využívá se proto ochlazení vody v přívodním potrubí. Aby byl přirozený vztlak co největší, nesmí se přívodní potrubí izolovat (pozor na vyhlášku č. 193/2007 Sb.). Zároveň otopná tělesa by neměla být příliš vzdálena od kotle. Pro odvzdušnění soustavy jsou horizontální přípojky opět vedeny se sklonem. Jednotrubková vertikální otopná soustava s přirozeným oběhem vody U takto provedené otopné soustavy je potřeba si uvědomit, že nejvyšší teplotu pracovní látky má nejvýše položené těleso. Svislé přívodní potrubí by mělo být izolováno a horizontální potrubí by mělo být vedeno se sklonem pro odvzdušnění celé soustavy. U nuceného oběhu vody odpadá problém s možností umístění kotle a otopného tělesa, oběh teplonosné látky zajišťuje čerpadlo, které díky svému dopravnímu tlaku zásobuje jednotlivé odbočky. Kotel tak nemusí být umístěn v nejnižším místě soustavy, použité potrubí má menší průměry protože optimální rychlost proudění je zde kolem 0,5 až 0,6 m/s. Doba nabíhání celé soustavy je tak mnohem kratší než u přirozeného oběhu, ale celý systém je závislý na dodávce elektrické energie pro čerpadlo. Tento systém se používá pro větší soustavy a to jak rozměrově tak i výkonově. Jednotlivá schémata jsou si hodně podobná s přirozeným oběhem vody. Další nevýhodou je způsob zařazení čerpadla do kotlového okruhu pokud ho totiž zařadím před kotel je v jednoduchém případě zapojení většina soustavy v podtlaku, což může vést k přisávání kyslíku do soustavy, naopak při umístění kotle na výstupu z kotle je celá soustava v přetlaku a problém nenastává. V soustavách s nuceným rozvodem otopné vody je používána tlaková expanzní nádoba. - 9 -
Dvoutrubková otopná soustava s nuceným rozvodem vody, spodní či horní rozvod vody Provedení je v podstatě shodné jako u přirozeného oběhu vody. Soustava je opatřena tlakovou expanzní nádobou, která vyrovnává jak pokles hladiny vody v soustavě tak zároveň zajišťuje požadovaný přetlak. Proti překročení povoleného provozního přetlaku v soustavě je navržen pojišťovací ventil. Celá soustava je odvzdušněna přes nejvýše položené otopná tělesa. K vyvážení těchto soustav se používají termostatické radiátorové ventily, proto je nutné správně a přesně spočítat jednotlivé tlakové poměry v otopné soustavě pro přesné vyvážení, a zároveň je vhodné osadit každé otopné těleso odvzdušňovacím ventilem, protože termostatické ventily mají malí průtočný průřez a tak neumožní kyslíku cirkulaci v otopné soustavě, ale vzduch se hromadí v každém tělese. Dvoutrubková otopná soustava horizontální, etážová, s nuceným oběhem vody Tento systém se hodí pro bytové vytápění a zejména pro vytápění plynovými nebo zdroji pracujícími s elektrickou energií, s přesnou regulací. Automatická regulace totiž zajišťuje hospodárnost provozu celé soustavy. Celkový objem vody v soustavě je menší než u klasických napojení, proto i doba odezvy na zásah regulace je podstatně kratší. Expanzní nádoba, pojišťovací ventil a čerpadlo již bývají většinou součástí kotle (nástěnné kotle) a proto se zde jen kontroluje dopravní tlak čerpadla. Nejčastěji se zde používá měděné a plastové potrubí. Vertikální dvoutrubková otopná soustava U vertikálních soustav jsou otopná tělesa přímo napojena na jednotlivé stoupačky v každém podlaží. Hvězdicová soustava V souvislosti s rozvojem plastů se začala používat tzv. hvězdicová soustava, kdy jsou tělesa napojovány z jedné stoupačky poměrně dlouhými v podlaze vedenými potrubími. To je sice spojeno s poměrně jednoduchým estetickým řešení prostoru, kdy potrubí je ukryto v podlaze a zároveň tak i chráněno před mechanickým poškozením, nicméně oprava potrubí při případných poruchách je velmi náročná, nehledě na problematiku přesné lokalizace poruchy. Při použití plastového potrubí je ideální umístit potrubí v ochranné ohebné trubce, čímž jsou změny délky potrubí částečně kompenzovány a v případě poruchy se dá celá část potrubí vyměnit. Odvzdušnění se provádí přes jednotlivá otopná tělesa, které se výhodně napojují zespoda. Problémem může být vypuštění celé soustavy, které se provádí většinou stlačeným vzduchem. Literatura: [1] Bašta, J., Kabele, K.: Otopné soustavy teplovodní - Sešit projektanta č.1. Druhé přepracované vydání. STP 2001, ISBN 80-02-01426-X, 77 s. [2] ČVUT v Praze, Fakulta strojní,, http://utp.fs.cvut.cz/ - 10 -