Úspory tepla při parním vytápění
Ing. J. Dostal, Českomoravské strojírny, Praha
Potřeba tepla odpovídající danému počasí a tomu odpovídající úspora tepla při topení. Gradenová methoda ke kontrole spotřeby a hospodárnosti provozu v delších pracovních obdobích. Pomůcky pro kontrolu okamžitých hodnot spotřeby, které se dají využít při provozu kotelny pro parní vytápění. Příklady praxe.
O důležitosti kontroly spotřeby tepla k vytápění není nutno se šířiti. Cena uhlí spáleného – k vytápění prostorů obytných, kanceláří, dílen, obchodů atd., jak v kamnech, tak i pod kotli, dosahovala na území bývalého státu ročně 2 až 3 miliardy K tehdejší měny. I v hospodaření průmyslových podniků, jímž se hodlá tento článek zabývati, je položka za otop provozoven relativně pozoruhodná.
Použití páry
Především je nutno rozlišovat použití páry v tom případě, když kotel je společný. Uvažujeme např. tepelný provoz strojírny, který mívá následující charakteristiku:
1. spotřeba páry na výrobu energie pohonné je celoroční a v jednotlivých měsících celkem rovnoměrná;
2. spotřeba páry pro účely průmyslové je malá, celoroční, ve spotřebě měsíční celkem rovnoměrná, ve spotřebě okamžité velmi kolísavá;
3. pára k vytápění je potřebná jen v topném období od října do května, množství kolísá podle teploty venkovské a vnitřních nároků na oteplení.
Hodláme-li šetřiti, musíme v první řadě věnovati pozornost otopu.
Díky vyspělému elektrárenství jsou ztráty při výrobě energie známé a je mnoho method, jimiž lze je snadno zjistiti a odstraniti. Se ztrátami při vytápění je to horší. Jsou málo známé, má na ně vliv příliš mnoho činitelů, nejsou soustředěny v jedné budově, vznikají skrytě, v kanálech atp. Proto je nutno ujasniti si ztráty energie při otopu.
Protože poznání je cestou k nápravě, jsou v tab. I. sestaveny hlavní zdroje ztrát při parním vytápění a rozděleny na 4 hlavní skupiny:
chyby v topném zařízení,
chyby v budově,
ztráty nevhodným provozem v kotelně a
ztráty nedostatečným dozorem na místě spotřeby.
Jsou očíslovány 1 až 8; v každé skupině jsou uvedeny ztráty, které spolu souvisí, nebo mají stejný podklad.
1. Volívá se tlak zbytečně vysoký, nejčastěji tam, kde pro vytápění jsou kotle průmyslové a ne speciální topenářské. U těchto kotlů bývá vysoká teplota páry, nevhodná pro topné účely.
Věc se značně zhoršuje v provozu při kolísavém průmyslovém zatížení. Kolísání tlaku a hlavně teploty znemožňuje pravidelnou regulací toku tepla. Zapomíná se na to, že pro topení je vhodná pára sytá a nikoliv přehřátá.
Na obr. 1 je poněkud idealizované schema provozu (pouze principiální a nikoliv úplné), v němž z armatur jsou zakresleny pouze ty, které objasňují funkci. Schema platí pro závod, který má po celý rok malou kolísavou spotřebu páry průmyslové a v zimě velikou spotřebu páry topné. V zimě je v provozu veliký kotel K1 na vysoký tlak; pára proudí přes protitlakovou turbinu s odběrem pro spotřebu průmyslové páry. Aby prudce kolísavý odběr průmyslové spotřeby nepůsobil nepříznivě na chod turbiny, je do odběru souběžně s turbinou zapojena redukční stanice R1, která vyrovnává nárazy. Pára proudící přes zvlhčovač Z1, zamezuje kolísání teploty páry na spotřebičích a udržuje její stav blízko meze sytosti. Voda ke zvlhčování se odebírá z napájecího potrubí, pokud ovšem je napájecí voda bezvadná. Podobně pára za turbinou je doplňována redukční stanicí R2 na množství potřebné pro parní vytápění. Kolísání teploty se odstraňuje, za současného přiblížení se stavu sytosti, ve zvlhčovači Z2.
Ježto do potrubí pro průmyslovou páru i pro topení jsou vedeny páry o stálém tlaku i teplotě, tedy o stálém objemu, je regulace ventily dokonale účinná. Samozřejmě jsou výkony ploch stálé (podle tepelného spádu), a regulace topení může se díti podle časového plánu. Další výhodou je, že se ustálí tlakové poměry v potrubích odvádějících kondensát.
2. Zbytečně dlouhá rozvodová potrubí: vznikají obyčejně dodatečně až při rozšiřování objektů a bezplánovitém a neuváženém připojování parovodů. Často nebývají úplné plány parovodů, z nichž podobné vady byly snadno zjevné; mezi zaměstnanci bývá obvykle tzv. „pamětník prací v závodě“, ať už je to mistr nebo zámečník, který jediný o potrubí a jeho úpravách ví. Ztráty na tlaku i vysáláním bývají nemožně veliké. O isolacích není nutno se šířiti. Že dokonalá a hlavně dobře udržovaná isolace je rentabilní a v normálním provozu samozřejmá, je známo.
3. Nesprávnému dimenzování, popř. předimenzování topných těles nelze zabrániti. Topné plochy se určují podle největších (maximálních) topných výkonů; pochopitelně při malých topných výkonech – hlavně v přechodových počasích – je nadbytek ploch. Škoda nevznikne, je-li topná soustava dobře regulovatelná a zamezí-li se řádným dozorem přetopení místností.
Při špatném umístění topných těles plýtvá se teplem na nepravém místě. Stává se při přestavbách, že se topný systém nepřemístí podle nových podmínek.
4. Při nových výstavbách lze předem rozhodnouti, zda se mají kondensáty vraceti, či nikoliv. Předpokladem je dokonalá funkce odvodňovačů. Při dnešních výstavbách se obyčejně kondensáty vracejí. Při přestavbách, často pro místní obtíže, kondensát nesvádí se do zpětného potrubí, ale do odpadního kanálu.
Kondenzační hrnce velmi často propouštějí páru nebo dokonce mívají otevřené obchozí ventily. Někdy je tato pomoc z nouze při nečisté páře, která do potrubí zanese kotelní kámen, jímž se prošlehají nebo zanesou uzavírací orgány kondensačních hrnců. Jindy je to špatné pochopení funkce topných těles.
5. Souvisí s předchozím bodem. Při delších kondensačních svodech a netěsných hrncích přenáší se tlak páry i do svodů kondensátů a vznikají tlakové kondensáty. Ty pak při expansi uvolňují ve sběrné nádrži mnoho tepla ve formě brýdových par. Tohoto tepla bývá 5 až 10 % z výrobního tepla páry a je nutno ho využíti.
Jedna cesta využití je na obr. 1. kde všechny kondensáty z průmyslové spotřeby páry A i z parního topení Tp jsou svedeny do sběrné nádrže N na horkou beztlakovou vodu. Horká voda se odebírá jak k napájení kotlů (čerpadla C1 a C2), tak pro teplovodní topení Tv, nebo lázně L (čerpadla C3 a C4). Ochlazená voda z topení se pak vrací v podobě sprchy do sběrné nádrže a sráží případné brýdové páry, jejichž teplo se využije k ohřátí vody. Pokud tohoto tepla není dosti, aby horká voda byla udržena blízko teploty 100o C, připouští se do nádrže – automaticky od tepelného relé J – přídavná pára z potrubí Pp. Tepelné relé, po dosažení žádoucí teploty uzavře přídavnou páru. Potřebná přídavná voda se automaticky doplňuje do nádrže z úpravy vody U a potrubí Pv, jako náhrada za ztráty netěsností, ucpávkami atp.
Jest pochopitelné, že toto řešení musí být velmi pečlivě přizpůsobeno místním poměrům a požadavkům. Zvláště musí být dobře domyšlen vliv soudobosti, resp. nesoudobosti mezi dodávkou kondensátů do nádrže a spotřebou tepla ve vodním topení. Aby byla voda odplyněna, lze na sběrné nádrži uspořádati odplyňovač s podávacím čerpadlem, který pomáhá vodu ohřívati. (Ve schématu není zakreslen).
6. Budovy se stavějí bez ohledu na topné ztráty. Železná kostra budovy je provedena tak, že se železný sloup stýká jak s venkem, tak s vnitřkem; znamená to vlastně tepelný zkrat, tepelnou díru do stěny.
Jest nutné – vyjma staveb provisorních – pamatovati, že se budova staví pouze jedenkrát, ale pak se užívá třeba 30 let, tj. vytápí 30 zim. Každá investice z titulu větší vzdornosti proti tepelným ztrátám bude splácena po 30 let anuitami, jejichž výše je dána tepelnými úsporami.
Uspoříme-li v budově ročně 1000 K, zvětší se úspora o podíl ztrát na rozvodném potrubí a podíl ztrát kotelních. Jsou-li ztráty v potrubí 10 % a účinnost kotelny 75 %, je skutečná úspora
1000
……………………. = 1480 K.
0,9 x 0,75
Při 3% úroku a pro anuitu 1480 K po 30 let splácenou, můžeme si dovoliti investici 29 000 K.
U budov průmyslových nutno věnovati pozornost oknům, jimiž uniká největší podíl tepla. Moderní architektura vede k přesvětlování, užívá ráda oken pro efekt krasocitný a tím vyhání teplo z budov. Zde bude nutno provésti vzájemnou rozumnou dohodu, která uspokojí obě strany. Jendou z cest k tomu je užívání vrstveného isolačního skla. Tato věc přímo souvisí také s údržbou budovy, tj. se správkami všech netěsností hned, jak byly objeveny; při tom je zapotřebí věnovati dostatečný čas jejich soustavnému hledání.
7. Ztráty souvisejí také s větráním, s větracím systémem. Větrací systém musí umožniti výměnu vzduchu, ale nesmí vychladiti stěny a inventář větrané místnosti. Musí dovoliti těsné uzavření po vyvětrání, aby nevznikaly ztráty tepla. Je třeba pamatovati na dokonalé odvádění zápachů hned z míst vzniku, aby se dýchatelné ovzduší udrželo co nejdéle. Šetření teplem a účelná regulace větrání v žádném případě neznamená útok na dýchadla a čich zaměstnanců.
8. Nečistá voda v kotli pění při varu. Podle velikosti zatížení strhne do páry více či méně vody i s nečistotou, která se po odpaření vody usazuje v potrubí a hlavně v armaturách. Prouděním páry se vzniklý kotelní kámen rozprašuje, strhuje až do kondensátů a bahno z něho povstalé znemožňuje dobrou funkci odváděčů kondensátů. Výsledkem je ucpání průchozích cest, veliké tlakové ztráty, zmenšený tok páry a tím menší topný výkon. To pak vede k neodborné pomoci, otevírání obchozích ventilů u kondensačních hrnců.
Je úsporné uspořádati na více ohrožených místech revisní víčka nebo vložky, a přesvědčovati se o stavu potrubí v přiměřených obdobích.
Zamyslíme-li se nad uvedenými možnostmi ztrát, vidíme, že příčin je mnoho a většina jich se nijak zjevně neprojevuje. Máme-li sledovati hospodárnou spotřebu, a posouditi není-li některá z uvedených ztát uskutečněna v nepříjemné míře, musíme určiti správnou okamžitou spotřebu tepla odpovídající nejen vytápěnému prostoru, ale také teplotě v místnosti a hlavně teplotě venkovské. Potřebujeme znáti okamžité množství tepla, které z místnosti uniká přirozeným během věcí, jehož úniku nemůžeme již rentabilně aneb vůbec zabrániti. Toto množství tepla musíme stále přiváděti, aby teplota místnosti zůstala na původní výši. Přivádíme-li tepla více, musí teplota stoupat. Nestoupá-li, povstávají ztráty a je naší povinností je odstraniti.
Hodnotnou pomůcku k předvídání na dobu měsíce, či pro topnou sezonu, dávají nám tabulky Meteorologického ústavu. Pro Prahu máme již 160letý normál, tj. záznamy průměrné teploty v jednotlivých denních hodinách, dnech, měsících atp. za dobu od r. 1775 do 1936. Ústav pro hospodárné využití paliv vypracoval mapu gradenů pro všechna naše území.
Methoda gradenová nenalezla dosud obliby u větších provozů. Snad právě proto, že užívá počasových průměrů, které pouze v delších časových obdobích mají průměry vyrovnané.
Provozní inženýr klade však ještě jiné otázky. On chce např. podle dnešního počasí a podle údaje teploměru určiti správné zatížení kotlů. Chce posouditi, má-li zatopiti ten či onen kotel, chce odhadnouti, zda parní výkon právě odpovídá hospodárné spotřebě, zda nejsou tvořeny zbytečné špičky atd. To vše jsou pro něho stejně důležité pomůcky, jako zjištění, zda minulý měsíc bylo topeno hospodárně. A sáhl-li k meteorologickým průměrům a normálům, aby pomocí nich předvídal teploty příštích dnů, přirozeně se zklamal…
Zbývá teď taková měření provésti několikráte za různého počasí, za různých provozních situací a z nich pak analysou určiti skutečné % předimensování. Možná, že pak část ploch lze odmontovati a použíti jinde, kde je jich nedostatek. Takovým postupem by bylo možno docíliti, aby předimenzování topných ploch bylo rovnoměrně ve všech objektech, aby se některý objekt rychle nepřetápěl, zatím co druhý se vytápí jen pozvolna. Také plánování a řízení takto vyrovnaného provozu je daleko snazší, protože topná období jsou rovnoměrně rozdělena a po krátkém cviku lze je spolehlivě odhadovati. Jen při trochu dbalém řízení je zamezeno jak přetopení, tak nedotopení.
Zdálo by se, že ideálem by bylo umístiti do objektu pouze tolik ploch, kolik odpovídá požadovaným teplotám. Ale není tomu tak. Předpoklad naší rovnice byl, že teploty vnější kolísají jen podle denní doby, tj. pomalu, a teplota vnitřní je stálá. Ve skutečnosti však jest nutno také roztápěti. To znamená ohřívati nejen vzduch o tolik, kolik se vysálá, ale zvyšovati teplotu celého inventáře…
Ale to není jediná nepravidelná a nepočitatelná ztráta. Na příklad: v době příchodu zaměstnanců ztrácí se spousta tepla otevíráním dveří, ohříváním jejich studených šatů apod. Bylo měřeno – jen pro zajímavost – kolik přinese člověk za prudké vánice a sněhu nášlapků do dílen, a zjištěno, že průměrně je to 0,11 kg. Na roztavení a vysušení těchto nežádoucích přínosů se spotřebovalo v kotelně 126 kcal pro 1 člověka, tj. pro 10 000 lidí bylo nutno spáliti 315 kg uhlí během asi 30 minut. To odpovídá parnímu výkonu asi 3500 kg/h; je to výkon dosti značný a významný.
V provozu vyskýtá se sta a sta podobných droboučkých maličkostí, které samy o sobě jsou málo významné, ale v celku znamenají už hodně. Na tyto okolnosti, výpočtem nepostihnutelné, se pamatuje při výpočtu topných ploch přirážkou 15-20 %.
Je nutno připomenouti, že teplo, které je označeno symbolem cG, se normálně neztrácí z budovy, ale zvyšuje kapacitu a tepelnou setrvačnost budovy.
Navrhování topných ploch podle výkyvů počasí a dokonce s přirážkou na roztápění znamená, že při začátku topení, v době s normální teplotou, bude se teplota v otápěné místnosti zvyšovati. Jak rychle, je dáno rozdílem mezi teplem dodávaným a teplem vysálaným. V úvahu nutno brát i teplo, které se spotřebuje na hřívání inventáře. Mezi teplotou vzduchu a teplotou inventáře je vždy nějaký rozdíl. Tento rozdíl nesmí být velký, aby např. nepřekročil rosný bod a inventář, hlavně kovový, se nepotil. Tím je dána horní hranice rychlosti oteplování. Spodní hranice je dána snahou po hospodárnosti. Čím rychleji se vytopí dílna, tím méně je ztrát v kotelně i rozvodu.
Zvyšuje-li se teplota otápěného prostoru, znamená to, že dostoupí určité hranice, nad níž nehodláme a nesmíme již teplotu zvyšovati. Pro její udržování v předpokládaných mezích máme obecně dvě možnosti. Při prvém způsobu uzavře se tok tepla úplně a po nějaké době, kdy teplota ve vytápěném prostoru klesne na předem stanovenou mez, opět tok tepla se otevře. Vytápíme-li mnoho prostorů, takže kolísání zatížení kotelny není nepříjemné, je tento způsob dobrý. Teplota v prostorech vytápěných pak kolísá mezi dvěma hranicemi, jejichž střed je střední teplota.
Strojnický obzor SIA, 1943, zkráceno
