Výmenníky tepla hrajú kľúčovú úlohu v mnohých systémoch, kde je potrebné odovzdávať teplo medzi dvoma médiami. Používajú sa všade tam, kde nie je možné priame odovzdávanie tepla zo zdroja do spotrebiča. Typickými príkladmi sú rôzne teplonosné látky (napríklad nemrznúca kvapalina a voda) alebo odlišné tlakové pomery v jednotlivých okruhoch (napríklad centrálne zásobovanie teplom a vykurovacia sústava v budove).
Princíp fungovania výmenníkov tepla
Princíp fungovania výmenníkov tepla je založený na prenose tepelnej energie z jedného média na druhé bez toho, aby sa tieto dve média priamo zmiešali. Teplo prechádza cez stenu výmenníka, ktorá oddeľuje obe média. Účinnosť prenosu tepla závisí od mnohých faktorov, vrátane materiálu steny, plochy výmenníka, teplotného rozdielu medzi médiami a ich prietokov.
Keďže v žiadnom tepelnom výmenníku nemožno dosiahnuť 100% termickej účinnosti, vždy existuje väčší či menší teplotný rozdiel medzi vstupnou vykurovacou kvapalinou a výstupnou ohrievanou kvapalinou.
Dôležitosť správneho návrhu výmenníka tepla
Najdôležitejším parametrom každého tepelného výmenníka je bezpochybne odovzdávací výkon. Nemožno preto jednoznačne udávať výkony tepelných výmenníkov bez upresnenia prevádzkových podmienok, v ktorých budú pracovať. Tepelné výmenníky sa vždy navrhujú pre konkrétne aplikácie a podmienky prevádzky.
Typickým príkladom závislosti výkonu výmenníka na prevádzkových podmienkach je solárny systém alebo tepelné čerpadlo. Ak sa do vykurovacieho systému s týmito úspornými zdrojmi inštaluje tepelný výmenník, ktorý nie je dostatočne veľký, nestačí energiu odovzdávať. Do zdrojov sa potom vracia vyššia teplota kvapaliny a núti ich pracovať pri vyššej teplote, ako by mohli. Vyšší teplotný spád znamená vyššiu pracovnú teplotu solárneho systému alebo tepelného čerpadla, jeho horšiu účinnosť, resp. topný faktor. Čím je navrhnutý teplotný spád tepelného výmenníka vyšší, tým je potrebná veľkosť výmeníka nižšia a teda aj investícia do výmenníka bude nižšia. Preto u systémov alebo zdrojov, u ktorých sa nekladú vysoké nároky na čo najnižšiu teplotu zdroja, postačujú výmenníky, ktoré sú menšie a lacnejšie.
Prečítajte si tiež: Použitie bezdrôtových termostatov
Typy tepelných výmenníkov
Existuje niekoľko typov tepelných výmenníkov, ktoré sa líšia konštrukciou a vlastnosťami. Medzi najbežnejšie patria:
- Rúrkové tepelné výmenníky: Sú to jednoduché zariadenia pozostávajúce z jednej alebo viacerých stočených rúrok, kde prestupnú plochu tvorí vonkajší plášť tejto rúrky. Typickým príkladom týchto výmenníkov sú integrované tepelné výmenníky v zásobníkoch ohriatej pitnej vody alebo v akumulačných nádržiach. Bohužiaľ majú nízky prestupný koeficient, čo znamená, že pre odovzdávanie i reletívne malého výkonu potrebujú veľkú prestupnú plochu. Preto sa tieto výmenníky používajú v systémoch, ktoré pracujú maximálne v rádoch niekoľkých desiatok kilowat a zároveň nie je požiadavka na malý teplotný rozdiel medzi vykurovacou a ohrievanou kvapalinou.
- Doskové tepelné výmenníky: Majú prestupný koeficient až 10x vyšší ako rúrkové výmenníky a odovzdávací výkon týchto výmenníkov môže byť až v rádoch stoviek kilowatov. Doskové tepelné výmenníky nemožno použiť ako integrované, z čoho plynie aj ich nevýhoda - je nutné použiť obehové čerpadlo ako na vykurovaciu stranu, tak aj na ohrievanú. U integrovaných rúrkových výmenníkov je obehové čerpadlo obvykle potrebné iba jedno. Obrovskou výhodou týchto výmenníkov je veľká variabilnosť vo veľkostiach a typoch vyhotovenia, možnosť navrhnúť výmenník i na extrémne malý teplotný spád (maximálny zisk solárneho systému) a odovzdanie veľkého vykurovacieho výkonu (prietoková príprava ohriatej pitnej vody, CZT, veľkoplošný solárny systém, a pod.).
Centrálne zásobovanie teplom (CZT)
CZT je systém, ktorý zabezpečuje dodávku tepla z centrálneho zdroja do viacerých odberných miest (napr. bytových domov, priemyselných budov). V CZT sa často používajú tepelné výmenníky na prenos tepla z primárneho okruhu (napr. teplovod z teplárne) do sekundárneho okruhu (vykurovacia sústava v budove).
Chladenie pomocou tepelných čerpadiel
Okrem vykurovania sa tepelné čerpadlá môžu využívať aj na chladenie. Chladenie je v podstate prečerpávanie tepla, ktoré odoberáme ochladzovanej látke alebo priestoru a odvádzame ho do inej látky alebo priestoru. Chladenie môže byť vzdušné alebo vodné. Dokonalejšie je strojové chladenie, založené na odparovaní vhodného chladiva.
Tepelné čerpadlá môžu pracovať v dvoch režimoch chladenia:
- Pasívne chladenie (natural cooling): V tomto režime sa využíva prirodzená teplota okolia (zem, voda) na chladenie. Tepelné čerpadlo je vypnuté a teplo sa odovzdáva priamo do zdroja chladu. Pre tento druh chladenia sú vhodné iba tepelné čerpadlá typu zem/voda a voda/voda. Tepelné čerpadlo typu vzduch/voda nie je vhodné. Kvapalina, teda soľanka odoberá teplo z existujúceho vykurovacieho okruhu pomocou výmenníka tepla a odovzdáva ho potom bezprostredne smerom von (do zeme alebo podzemnej vody). Tepelné čerpadlo je, podľa pasívneho spôsobu fungovania počas tejto činnosti vypnuté, čo redukuje výrazne náklady na chladenie. Miestnosti sa v tomto prípade chladia účinne jednoduchým odoberaním a odovzdávaním tepla do zeme alebo spodnej vody prostredníctvom sond resp.
- Aktívne chladenie (active cooling): V tomto režime sa využíva tepelné čerpadlo na prečerpávanie tepla z interiéru do exteriéru. Funkcia tepelného čerpadla sa jednoducho otočí. Naopak ako pri výrobe tepla sa v tomto prípade zo vzduchu vnútri odoberá teplo a odvádza sa do exteriéru. Z kondenzátora sa stáva výparník. Teplo z miestností sa prenáša na chladivo. Aby bolo privedené až ku kompresoru, vyžaduje sa 4-cestný ventil. Okrem toho je potrebný druhý expanzný ventil.
Termostatický ventil: Kľúčový prvok regulácie teploty
Termostatický ventil je zariadenie, ktoré reguluje teplotu v systéme, prispôsobujúc prietok média (vody, vzduchu) aktuálnym potrebám. Ventily tohto typu môžu byť použité ako v systémoch centrálneho vykurovania, tak aj v systémoch podlahového vykurovania. Hlavnou funkciou termostatického ventilu je kontrola prietoku média takým spôsobom, aby do systému dodával primerané množstvo tepla alebo chladu.
Prečítajte si tiež: Moderné vykurovanie s 16A termostatom
Trojcestný termostatický ventil
Trojcestný termostatický ventil je súčasťou vykurovacej inštalácie, ktorá umožňuje presné miešanie dvoch prúdov vody s rôznymi teplotami. Vďaka použitiu termostatu ventil automaticky reguluje pomer horúcej a studenej vody, udržiavajúc stálu požadovanú výstupnú teplotu. Trojcestný termostatický ventil je kľúčový v systémoch, kde je dôležité udržiavať stabilnú teplotu pre pohodlie a bezpečnosť používateľov. Tento typ ventilu zabezpečuje nielen pohodlie, ale aj úsporu energie eliminovaním náhlych skokov teploty. Termostatické trojcestné ventily tiež zabraňujú riziku popálenín v prípade systémov TÚV.
Konštrukcia trojcestného zmiešavacieho termostatického ventilu spočíva v troch pripojeniach: jedno je určené na prítok studenej vody, druhé na prítok horúcej vody a tretie na výstup miešanej vody. Termostat v zmiešavacom ventile trojcestnom zohráva kľúčovú úlohu pri udržiavaní stabilnej teploty vody, ktorú mieša. Vďaka tomu ventil presne prispôsobuje prietok studenej a horúcej vody, čím zabezpečuje stálu teplotu na výstupe.
Trojcestný ventil s termostatom funguje na princípe dynamickej regulácie prietoku vody, čo umožňuje udržiavanie stabilnej teploty média na výstupe. Vnútorný mechanizmus takéhoto miešacieho ventilu obsahuje termostatický prvok, ktorý reaguje na zmeny teploty vody, ktorá prechádza ventilom. V dôsledku toho dochádza k presnému miešaniu oboch prúdov, čo umožňuje udržiavanie stabilnej teploty. Opačný proces nastáva v momente, keď teplota na výstupe začne klesať - ventil znižuje množstvo studenej vody a zvyšuje prítok teplej. Vďaka termostatu je proces regulácie teploty plynulý a rýchly, čo eliminuje náhle skoky teploty a zlepšuje komfort používania systému.
Využitie trojcestného termostatického ventilu
- Ústredné kúrenie (UK): Termostatický miešací ventil v systémoch ústredného kúrenia (UK) zohráva kľúčovú úlohu v udržiavaní správnej teploty vody, ktorá zásobuje vykurovacie systémy. Jeho základnou funkciou je regulácia pomeru medzi teplou a studenou vodou, čo umožňuje stabilizáciu teploty vody cirkulujúcej v okruhu. V inštaláciách ústredného kúrenia trojcestné miešacie ventily pomáhajú udržiavať stabilnú teplotu vykurovacieho média, čo prispieva k zníženiu spotreby energie a zlepšeniu tepelného komfortu v budovách.
- Ochrana pred popálením: Termostatické ventily zohrávajú kľúčovú úlohu v ochrane pred popálením v inštaláciách teplej úžitkovej vody. V situáciách, keď je potrebné ohriatie vody v zásobníku nad 60 °C na elimináciu baktérií Legionella, miešací trojcestný ventil tiež plní dôležitú funkciu. Napriek vysokej teplote vody v zásobníku, termostatický miešací ventil znižuje teplotu úžitkovej vody dodávanej do kohútikov, čím zaisťuje bezpečnosť používateľov.
- Podlahové vykurovanie: Trojcestný termostatický ventil je kľúčovým prvkom v inštaláciách podlahového vykurovania. Jeho hlavnou funkciou je kontrola teploty vody dodávanej do systému, čo zabezpečuje rovnomerné rozdelenie tepla v celom priestore. Trojcestný termostatický ventil zabraňuje situáciám, v ktorých by príliš vysoká teplota mohla poškodiť podlahové vykurovanie alebo znížiť jeho účinnosť.
Ako vybrať správny trojcestný termostatický ventil
Pri výbere správneho trojcestného termostatického ventilu do vašej inštalácie je dôležité venovať pozornosť niekoľkým kľúčovým aspektom, ktoré ovplyvnia jeho efektívnosť a kompatibilitu so systémom vykurovania:
- Priemer závitov pripojení.
- Materiál ventilu: Materiál, z ktorého je vyrobené telo ventilu, má priamy vplyv na jeho odolnosť a koróznu odolnosť.
- Rozsah regulácie v °C: Skontrolujte rozsah regulácie teploty, ktorý daný ventil ponúka.
- Pracovný tlak: Je dôležité, aby ventil bol prispôsobený na prácu v tlakovom rozsahu, ktorý panuje vo vašej inštalácii.
- Spojovací prvok v balení.
Inštalácia trojcestného termostatického ventilu
Inštalácia trojcestného termostatického ventilu vyžaduje presné dodržiavanie inštrukcií výrobcu. Ešte pred nákupom by ste sa mali uistiť, že ventil je kompatibilný s vašou inštaláciou, čo sa týka priemeru pripojení a pracovného tlaku. Počas inštalácie treba dbať na správne tesnenie spojov, aby sa predišlo únikom. Po nainštalovaní ventilu nastavte požadovanú teplotu vody pomocou regulačného kolieska, ktoré sa zvyčajne nachádza v rozsahu 30-60 °C.
Prečítajte si tiež: Úspora Energie s Termostatom
Plynový kotol a jeho princíp fungovania
Plynový kotol je v slovenských domácnostiach veľmi obľúbený spôsob vykurovania aj ohrevu teplej vody. Plynový kotol pracuje na princípe spaľovania zemného plynu, zriedkavejšie propánu alebo butánu. Tento proces prebieha vo vnútri zariadenia, kde sa plyn zmiešava so vzduchom a následne spaľuje v horáku. Po zapálení horáka sa uvoľnené teplo prenáša na výmenník tepla, ktorý ohrieva vodu cirkulujúcu v uzavretom okruhu. Výhodou tohto spôsobu vykurovania je jeho efektivita a schopnosť rýchleho ohrevu. Takéto zariadenie je zvyčajne umiestnené v pivnici, technickej miestnosti alebo kúpeľni, kde zaberá minimum miesta. Správny návrh a inštaláciu kotla musí vždy realizovať kvalifikovaný odborník s príslušným oprávnením.
Na trhu existujú rôzne typy plynových kotlov - klasické, kondenzačné či zásobníkové. Výber správneho vykurovacieho systému je pre každú domácnosť kľúčový. Každá z týchto častí hrá významnú úlohu a ich správna súhra je základom efektívneho a bezpečného fungovania kotla. Automatizácia celého systému prispieva k pohodliu používateľa a minimalizuje nutnosť manuálneho zásahu. Na trhu nájdeme kotly nástenné, stacionárne, kombinované (ohrev vody + kúrenie) aj zásobníkové.
Ohrev vody v plynovom kotli je založený na veľmi jednoduchom princípe. Po spustení kúrenia kotol automaticky zapáli horák, ktorý začne spaľovať plyn. Uvoľnené teplo je prenášané na výmenník tepla, cez ktorý prúdi voda. Ak je kotol kombinovaný, okrem vody pre vykurovanie zároveň pripravuje aj teplú úžitkovú vodu pre domácnosť - napríklad na sprchovanie alebo umývanie riadu. Veľmi dôležitá je správna cirkulácia. Ak je v systéme vzduch alebo usadeniny, môže dôjsť k nerovnomernému ohrevu alebo zníženiu účinnosti.
Moderné plynové kotly ponúkajú široké možnosti regulácie, aby ste mali vo svojom dome vždy príjemnú teplotu a zároveň šetrili energie. Základom je izbový termostat, ktorý sleduje teplotu vo zvolenej miestnosti a podľa nej zapína alebo vypína kúrenie. Ekvitermická regulácia zase zohľadňuje vonkajšiu teplotu a tomu prispôsobuje výkon kotla. Výber správnej regulácie závisí od vašich preferencií a technických možností kotla. Ekvitermická regulácia nastavuje teplotu vykurovacej vody automaticky. Využíva na to údaj o aktuálnej vnútornej teplote, vonkajšej teplote zo snímača na severnej strane domu a údaje z vopred nastavenej ekvitermickej krivky. Ak je vonku teplejšie, kotol teplotu vykurovacej vody automaticky zníži, avšak iba do takej miery, aby ostala zachovaná tepelná pohoda v interiéri. Využitím ekvitermickej regulácie znížite tepelné straty cez povrch kotla a tým aj náklady na vykurovanie. Ak využívate nútený obeh vykurovacej vody, ušetriť môžete aj reguláciou otáčok obehového čerpadla. Na jar a na jeseň pri vyšších vonkajších teplotách tým znížite teplotu vratnej vody, čím zároveň rozšírite pásmo využitia kondenzácie.
Bezpečnosť je pri plynových zariadeniach absolútne kľúčová. Plynový kotol musí byť vždy inštalovaný podľa platných noriem a pravidelne kontrolovaný odborníkom. Všetky moderné kotly sú preto vybavené viacerými poistkami a senzormi. Pravidelný, aspoň ročný servis je nevyhnutný. Technik skontroluje funkčnosť horáka, tesnosť plynových spojov, stav výmenníka tepla, odvetranie aj nastavenie regulačných systémov. Domácnosť by mala mať aj detektor plynu a oxidu uhoľnatého. Nikdy sa nesnažte opravovať kotol svojpomocne, vždy volajte profesionála s príslušným certifikátom.
Jednou z najväčších výhod moderných plynových kotlov je ich vysoká účinnosť a možnosť optimalizovať spotrebu plynu podľa potrieb domácnosti. Spotreba plynu závisí od viacerých faktorov: veľkosti objektu, úrovne zateplenia, požadovanej teploty, typu kotla a spôsobu jeho regulácie. Okrem výberu efektívneho kotla je dôležité aj správne nastavenie vykurovania, kvalitné zateplenie domu a využívanie termostatov. Odporúča sa minimálne raz ročne, ideálne pred začiatkom vykurovacej sezóny.
Plynový kotol je efektívnym, bezpečným a komfortným riešením pre vykurovanie aj ohrev teplej vody v domácnosti. Pri správnom výbere, nastavení a údržbe vám môže slúžiť dlhé roky a priniesť výrazné úspory. Moderné kotly využívajú na znižovanie výkonu v prípade nižších požiadaviek na teplo tzv. výkonovú moduláciu. Vďaka tomu regulujú svoj vykurovací výkon podľa aktuálnej vonkajšej teploty a potreby vykurovacieho systému, bez potreby cyklovania, t. j. opakovaného zapínania a vypínania ohrevu. Dobrý kotol by mal byť schopný plynule regulovať svoj výkon v čo najväčšom rozsahu, napríklad od 10 do 100 % menovitého výkonu. Menovitý výkon je max.
Kondenzačný kotol: Ešte efektívnejšie vykurovanie
Najnižšiu teplotu spalín, a teda najúspornejšiu prevádzku dosahuje plynový kondenzačný kotol. Je vhodný na vykurovanie domácností, kancelárskych budov, ale aj iných priestorov a je samozrejmou voľbou pri novostavbách. Jeho inštaláciu by ste však mali zvážiť aj pri rekonštrukciách budov - oproti iným kotlom s ním totiž môžete ušetriť nemalé finančné prostriedky.
Bežný kotol využíva na ohrievanie vykurovacej vody iba spaľovanie plynu, resp. iného paliva. Kondenzačný kotol obsahuje samostatný tepelný výmenník, v ktorom spaliny predhrievajú vratnú vodu z vykurovacieho systému. Využívajú na to teplo v nich obsiahnuté. Znamená to, že vodná para vo výmenníku kondenzuje (mení sa na vodu) a odovzdáva tejto vratnej vode svoje teplo. Vzhľadom na režim kondenzácie musí byť teplovýmenná plocha v kondenzačných kotloch i komínová konštrukcia vyrobená z antikorózneho materiálu. Teplota spalín sa pohybuje o cca 15 °C vyššie, ako je teplota vratnej vody. Účinnosť kondenzačného kotla počítaná z tzv. spaľovacieho tepla dosahuje až 98 %. Zostávajúce 2 % stratíte spalinami, sálaním kotla a v odvádzanom kondenzáte. Využitie energie obsiahnutej v plyne je teda oproti iným kotlom veľmi vysoké. Vďaka kompaktným rozmerom ich namontujete kamkoľvek, či už do kúpeľne, predsiene, alebo do kuchyne vedľa kuchynskej linky.
Niektoré kondenzačné kotly môžete zapojiť do kaskády od 2 ks, aby ste dosiahli vyšší vykurovací výkon (používa sa od stoviek kW).