2014

1

125ESB Energetické systémy budovČást 2.

Praha 2014

Evropský sociální fondPraha a EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZEFakulta stavební

1

Návrh zabezpečovacího zařízení otopných soustav

2

2014

2

• Tepelné soustavy musí být zabezpečeny proti:– Nejvyššímu přetlaku– Nejvyšší teplotě– Nedostatku vody (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.

Pojistné zařízení

Terminologie: Systém a Soustava 3

• 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.

Tlak

4

2014

3

Manometr (tlakoměr)-měřidlo tlaku tekutiny- deformační – membrány, vlnovce-porovnávací (u plynu)

Tlak tekutiny

en.wikipedia.org

Barometr- rtuťový- aneroid

www.tlakoměry-teplomery.cz

5

• 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.

Tlak

Platí 100 kPa = 1 bar

Blaise Pascal (1623 Clermont –1662 Paříž) byl francouzský matematik, fyzik, spisovatel, teolog a náboženský filosof.

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 hPacs.wikipedia.org/wiki/Blaise_Pascal

6

2014

4

• Vzhledem k velké stlačitelnosti plynů není barometrický tlak lineární funkcí výšky

• Barometrická rovnice

• Boyleův-Mariottův zákon

• Stavová rovnice - určuje vztah mezi jednotlivými stavovými veličinami charakterizujícími daný termodynamický systém

• Ideální plyn:

Tlak vzduchu

n - látkové množství plynuR - molární plynová konstanta T - absolutní teplota plynu

7

en.wikipedia.org

• Hydrostatický tlak je tlak, který vzniká v kapalině její tíhou.• Tlak v kapalině = ℎ. . • Působí-li na hladině kapaliny ještě nenulový aerostatický

(atmosférický, barometrický) tlak b, je nutno ho přičíst: = ℎ. . +b (Pa)

Hydrostatický tlak

www.zs-fyzika.webnode.cz

www.tlakoměry-teplomery.cz

8

2014

5

• 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.

Pojistné zařízení

www.reflexcz.cz9

• 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.

Pojistné zařízení

10

2014

6

Zdroj tepla Ochrana proti překročení nejvyššího

dovoleného přetlaku

Ochrana proti překročení

nejvyšší dovolené teploty

Kotel ano (+ podtlak) anoVýměník ano ano

Ohřívák TV ano anoRedukční zařízení

tlakuano -

Směšovací zařízení - ano

Pojistné zařízení

Skladba pojistného zařízení:

11

• 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.

Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku

12

2014

7

• 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.

Θ1 teplota vstupu ohřívací látky (°C), Θ2x teplota ohřívané vody na mezi odparu při nejvyšším dovoleném přetlaku (°C)

Skupiny zdrojů tepla

Zdroj tepla Varianta Teplotní rozsah (°C) Vstup do pojistného

zařízení

Výstup z pojistného

zařízení

A 1 Θ1 < 100°C voda voda2 100°C < Θ1 < Θ2x voda směs3 100°C < Θ2x < Θ1 pára pára

B - - pára pára13

• 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

Pojistný ventil

14

2014

8

Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku

www.herz.cz

www.spiraxsarco.com 15

• 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 (m3.h-1) je = • Pojistný průtok pro páru (kg.h-1) je = , kde r je

výparné teplo při otevíracím přetlaku pojistného ventilu.

Výpočet pojistného zařízení

16

2014

9

• Průřez sedla pojistného ventilu A0 (mm)se stanoví podle vztahu:

• Pro vodu = . . • Pro páru = . • Vnitřní průměr pojistných potrubí (mm) se stanoví ze vztahu:

• Pokud nemůže dojít k vývinu páry = 10 + 0,6. Φ • Pokud může dojít k vývinu páry = 15 + 1,4. Φ

Návrh velikosti pojistného ventilu

PPV (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

Jmenovitá světlost 1/2"DN15

3/4"DN20

1“DN25

5/4“DN32

Nejmenší průtočný průřez A0 (mm2) 201 314 452 754Výtokový součinitel αv () 0,64 0,61 0,60 0,62

17

• Otopná soustava má zdroj kotel o výkonu 40 kW. • Průřez sedla pojistného ventilu A0 (mm)se stanoví podle vztahu:

• Pro páru = . = , . , = 49,6 = 50 2• Vhodný průměr pojistného ventilu DN15.• Minimální vnitřní průměr pojistných potrubí se stanoví, pokud může

dojít k vývinu páry jako:

• = 15 + 1,4. Φ = 15 + 1,4. 40 = 23,8 = 24

Příklad výpočtu pojistného ventilu

Jmenovitá světlost 1/2"DN15

3/4"DN20

1“DN25

5/4“DN32

Nejmenší průtočný průřez A0

(mm2)201 314 452 754

Výtokový součinitel αv () 0,64 0,61 0,60 0,62

18

2014

10

• 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).

Zabezpečení

www.kamna.astranet.cz 19

• 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.

Ochrana proti nedostatku vody

20

2014

11

• Automat pro topné, chladící a solární soustavy

• Změkčovací filtry-úpravna vody

Doplňovací automat

www.reflexcz.czwww.anticalc.cz www.hydrodem.cz

21

• 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.

Expanzní zařízení

22

2014

12

Příklad expanzní nádoby

www.reflexcz.cz

23

• Expanzní nádobu (tlakovou) je nutné napojit vždy poblíž sání čerpadla

Zapojení EN do soustavy

www.tzb-info.cz/219-kam-umistit-expanzni-nadobu-a-cerpadlo-v-systemu-ustredniho-vytapeni 24

2014

13

• 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.

Doporučené zapojení EN

25

Vytápěcí soustava Objem vody na kW výkonu soustavy (l/kW)

Nucený oběh, plynový kotel, konvektory 4Nucený oběh, plynový kotel, trubková tělesa 6Nucený 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

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

26

2014

14

• ČSN EN 12828 Tepelné soustavy v budovách - Navrhování teplovodních tepelných soustav. 2014. – jednotky bar

• ČSN 060830 Tepelné soustavy v budovách - Zabezpečovací zařízení. 2014. – jednotky Pa

Výpočet membránových expanzních nádob

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).

27

• 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 Ve (l) dle ČSN EN 12828 = . Koeficient objemu vody e (%) přímo vyjadřuje zvětšení vody při dané teplotě.

• Expanzní objem Ve (l) dle ČSN 060830 = . ∆ Koeficient Δν (l.kg-1) je součinitel zvětšení objemu vody, který závisí na hustotě vody při dané teplotě.

• = 1 −

Výpočet membránových expanzních nádob

Nejvyšší návrhová expanzní teplota

(°C)

Změna objemu vodye (%)

60 1,7170 2,2280 2,8190 3,47

28

2014

15

• Celkový objem expanzní nádoby Vexp,min (l) , = + . + 100 − Tlaková expanzní nádoba má mít rezervu pro případ vyrovnání malých ztrát vody v soustavě. VWR (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 = 0,3. )Vypočtený objem expanzní nádoby Vexp,min je objem nejmenší.

Výpočet membránových expanzních nádob

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).

29

Výpočet membránových expanzních nádob

nejvyšší dovolený tlak, při kterém membránová expanzní nádoba pojme objem vody (Ve+VWR)

Ppv a PeTlakový 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

p0 je výchozí návrhový přetlak v soustavě (kPa). Minimální hodnota je 70 kPa, doporučeno ≥100 kPa.

= ℎ . . ≥ + = + + ∆ č + ∆

= + ℎ . . 1000

30

2014

16

Výpočet membránových expanzních nádob

www.tzb-info.czwww.reflexcz.cz

31

• Zabezpečení soustavy• V solárním okruhu

použít výhradně expanzní nádobu s maximálním provozním tlakem 10 barů a membranou odolavajici koncentracim nemrznoucich latek do 50 %.

Solární soustava

Schéma solární soustavy - firemní materiál

32

2014

17

• 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.

Expanzní automat

www.reflexcz.cz

www.audry.cz

33

• 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.

Ohřívače teplé vody

DN pojistného ventilu

Objem ohřívače (l)

15 Do 25020 Do 100025 Do 400032 Do 800040 Do 10000

Sestava armatur před ohřívačem teplé vody. U uzávěr, Z zkušební kohout, K zpětný ventil nebo zpětná klapka, PV pojistný ventil, M tlakoměr.

34

2014

18

• 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!)

Expanzní nádoba na TV (TUV)

www.tzbinfo.cz

35

• Portál TZBinfo• Online výpočtový nástroj (2003)

Výpočtové programy

www.tzbinfo.cz 36

2014

19

• Systém firmy Protech

Výpočtové programy

www.protech.cz37

• Firemní programy např. firmy Reflex

Výpočtové programy

www.reflexcz.cz38

2014

20

Konec

39