Wymiarowanie instalacji wody ziębniczej (cz. 1.)

W celu prawidłowej pracy całego systemu klimatyzacyjnego niezbędne jest właściwe zwymiarowanie wzbiorczego naczynia przeponowego, zbiornika buforowego, zaworu bezpieczeństwa. O ile zadanie zbiornika buforowego jest związane z jakością funkcjonowania instalacji klimatyzacji, to już zawory bezpieczeństwa, wzbiorcze naczynia przeponowe są elementami, dla których omawiane zagadnienia stanowią o bezpieczeństwie eksploatowania systemu klimatyzacyjnego.

W artykule zaprezentowano również wytyczne dotyczące właściwego wymiarowania średnic przewodów transportujących wodę ziębniczą jako medium pośredniczące. Aspekt ten ma również zasadniczy wpływ na prawidłowe funkcjonowanie całej instalacji, a jest on niestety, za pośrednictwem „utartych schematów”, wielokrotnie błędnie powielany przez kolejnych projektantów instalacji klimatyzacyjnych.

Za poprawną pracę systemu klimatyzacyjnego odpowiedzialnych jest wiele urządzeń, które są nieodłącznymi elementami systemu klimatyzacyjnego. Na rys. 1. zestawiono podstawowe elementy, które są absolutnie wymagane (z uwagi na poprawność transferu chłodu do odbiorników w systemie klimatyzacyjnym z wodą ziębniczą jako cieczą pośredniczącą). Należą do nich:

• filtr mechaniczny,

• manometr,

• pompa,

• czujnik zaniku ciśnienia,

• czujnik ciśnienia uruchamiający drugą pompę (rezerwową),

• czujnik ciśnienia zabezpieczający przed „suchobiegiem” pompy (aktywacja w przypadku opróżnienia instalacji),

• zawór odcinający kulowy,

• grzałka elektryczna w zbiorniku buforowym jako opcjonalne zabezpieczenie antyzamrożeniowe,

• zawór napełniający,

• zawór opróżniający,

• zbiornik buforowy,

• termometr,

• termostat antyzamrożeniowy (opcjonalnie),

• naczynie wzbiorcze przeponowe,

• zawory zwrotne (dla pomp połączonych równolegle),

• zawór bezpieczeństwa,

• automatyczny zawór odpowietrzający.

W dalszej części artykułu zostaną omówione zagadnienia z tymi detalami, które sprawiają najwięcej trudności przy doborze projektantom systemów klimatyzacji. Brak bowiem szczegółowych schematów postępowania przy wyborze właściwych rozwiązań skutkuje błędnym doborem urządzeń, które mogą stanowić o awaryjności i przymusowych wyłączeniach źródeł chłodu, jakimi są agregaty chłodnicze.

Zbiorniki buforowe

Jak wspomniano na wstępie zbiornik buforowy nie jest bezpośrednio związany z aspektem bezpieczeństwa, lecz raczej z jakością funkcjonowania systemu klimatyzacyjnego. Zadaniem zbiornika buforowego jest zwiększenie w sposób „sztuczny” pojemności zładu instalacji wodnej, by liczba załączeń sprężarki mieściła się w dopuszczalnym zakresie załączeń proponowanym przez producenta sprężarek.

Jeśli warunki odbioru chłodu wymuszą, że sprężarka od momentu załączenia po krótkim czasie wyłączy się, to ponowne załączenie nie nastąpi przed upływem ok. 6 min od momentu jej załączenia. Jeśli w okresie wymuszonego postoju sprężarki będzie wymagane doprowadzenie chłodu do odbiorników chłodu (centrala klimatyzacyjna, klimakonwektory itp.), to temperatura wody wzrośnie ponad wartości wymagane dla prawidłowej pracy instalacji, co będzie skutkowało wzrostem temperatury w klimatyzowanych pomieszczeniach.

Dopuszczalna liczba złączeń sprężarek implikowana jest dużym zużyciem energii elektrycznej przez sprężarkę w momencie załączenia, jak też z przegrzewaniem się uzwojeń podczas rozruchu sprężarki. Najczęściej dopuszczalna i bezpieczna liczba załączeń sprężarki sugerowana przez producentów wynosi 1 załączenie na 6 min lub 10 załączeń na godzinę.

Podczas wymuszonego postoju sprężarki system klimatyzacyjny dysponuje tylko resztkową ilością chłodu zakumulowaną w wodzie ziębniczej wypełniającą instalację klimatyzacyjną (przewody, parowacz, wymienniki odbiorników chłodu). Zwiększając pojemność wodną instalacji wydłużamy czas pracy sprężarek w agregacie chłodniczym oraz zwiększamy pojemność cieplną instalacji, co pozwoli na doprowadzenie wymaganej wydajności chłodniczej do systemu nawet podczas wymuszonego postoju sprężarki.

Zatem stosowanie zasobników zaleca się wtedy, gdy objętość wody w instalacji nie wystarcza do regulacji temperatury w pomieszczeniu (w żądanych granicach) oraz wtedy, gdy sprężarka zostaje przymusowo wyłączona. Po obliczeniu maksymalnych wahań temperatury oraz znając maksymalny czas trwania wymuszonego postoju sprężarki, możemy obliczyć wymaganą pojemność zbiornika buforowego. Okres wymuszonego postoju równy jest różnicy pomiędzy nastawą czasu zabezpieczenia a minimalnym czasem trwania cyklu sprężarki.

Czynniki determinujące czas cyklu sprężarki to:

• stopień obciążenia [%],

• kubatura pomieszczenia,

• regulowana różnica temperatury w pomieszczeniu,

• objętość wody w instalacji,

• regulowana różnica temperatury wody.

Gdy rzeczywista pojemność instalacji jest mniejsza od wstępnie wyliczonej wymaganej pojemności zładu

Na podstawie powyższego obliczenia można wstępnie określić wymaganą pojemność wodną instalacji. Jeżeli pojemność zładu w instalacji jest wyższa od obliczonej na podstawie powyższego przykładu, wówczas zbiornik buforowy jest zbędny. Jeżeli natomiast pojemności zładu są mniejsze od obliczonej teoretycznej wartości, to warto skontaktować się z przedstawicielem producenta urządzenia w celu otrzymania informacji odnośnie wymaganej minimalnej pojemności instalacji.

Ostateczna wartość minimalnej pojemności jest bowiem zależna od maksymalnej i minimalnej wydajności chłodniczej, czasu zabezpieczenia, kubatury klimatyzowanego pomieszczenia, regulowanej różnicy temperatury wody i powietrza oraz maksymalnej dopuszczalnej różnicy temperatury powietrza i wody od zakładanej.

Oprócz ww. czynników wpływających na szczegółowy dobór zbiornika znaczący wpływ ma także nastawa sterownika układu automatycznej regulacji agregatu chłodniczego oraz detale związane z samym projektowanym systemem klimatyzacyjnym (liczba odbiorników chłodu itp.). Jeden ze światowych producentów systemów wody ziębniczej – Clivet, opracował specjalistyczny program obliczeniowy do wyliczenia minimalnej pojemności zładu pozwalający na prawidłową pracę instalacji dla każdej wielkości agregatu chłodniczego.

Jak wspomniano, bezwładność cieplna systemów wodnych może być z łatwością zwiększona przez zastosowanie zasobnika. Zasobnik ten określany jest jako „bezwładnościowy”, aby odróżnić go od zbiorników akumulacyjnych chłodu, które służą do innych celów (ich użycie jest stosunkowo rzadkie, gdyż wymagają dużych pojemności i są kosztowne, a zatem można je instalować tylko w średnich bądź dużych instalacjach, w których można obniżyć zużycie, a zatem i koszty energii lub stosowane są w przypadku, gdy występuje limitowanie poboru mocy).

Pozostaje kwestia wyliczenia wymaganej pojemności zbiornika buforowego. Wielu projektantów przyjmuje pewne szacunkowe wartości pozwalające na wyliczenie wymaganej minimalnej pojemności zładu w instalacji. W wielu wypadkach również, pomimo iż system klimatyzacyjny dysponuje w zupełności wystarczającą ilością wody w systemie, dodatkowo na instalacji montowane są zbiorniki o dużej pojemności – w rzeczywistości ich obecność w instalacji jest zupełnie zbędna.

Stosowanie takich „dodatkowych” zbiorników buforowych skutkuje zwiększonym zużyciem energii elektrycznej przez pompę wody cyrkulacyjnej oraz dodatkowym zapotrzebowaniem miejsca, co wiąże się z wymiernymi kwotami finansowymi poniesionymi przez użytkowników systemu.

Wstępne określenie minimalnej pojemności zładu instalacji

Posługując się prostym wzorem na pojemność cieplną wody wypełniającą instalację można wyliczyć teoretyczną wartość pojemności instalacji przypadającą na 1 kW najmniejszej wydajności chłodniczej agregatu chłodniczego, przy której pomimo wyłączonej sprężarki system będzie dostarczał chłód przez 6 minut (najbardziej niekorzystny okres wymuszonego postoju sprężarki).

W praktyce sprężarka od momentu załączenia pracuje przez pewien okres czasu, tak więc przypadek wyłączenia przez 6 minut jest tylko teoretycznym przypadkiem na potrzeby niniejszego artykułu. Zakładając, że sprężarka od momentu załączenia pracuje przez okres 2 minut, oznacza to, że chłód zakumulowany w wodzie wypełniającej instalację powinien wystarczać na okres 4 minut wymuszonego postoju sprężarki (6 min – 2 min = 4 min).

Przyjmując wartość graniczną 6 minut z całą pewnością wyliczona na podstawie poniższego wzoru pojemność zładu będzie wystarczająca:

gdzie:
V – wymagana pojemność wody wypełniająca instalację [m3],
ρ – gęstość wody w instalacji = 1000 [kg/m3],
c_w – ciepło właściwe wody wypełniającej instalację = 4,19 [kJ/kgK],
dt – zakładany przyrost temperatury wody w instalacji = 5 [K],
1 kW – ilość chłodu przypadająca na najmniejszą wydajność chłodniczą agregatu wody ziębniczej,
6 min – najbardziej niekorzystny okres wymuszonego postoju sprężarki = 360 s.

Dla przypomnienia obliczona powyżej wartość odnosi się do najmniejszej wydajności chłodniczej agregatu. Jeśli agregat chłodniczy przykładowo o wydajności 100 kW jest wyposażony w jedną sprężarkę (typu on/off z jednym stopniem regulacji wydajności 0÷100%), to wystarczająca pojemność instalacji wynosi 17,2×100 = 1720 l. Jeśli natomiast agregat chłodniczy jest wyposażony w dwie sprężarki i agregat ma trzy stopnie regulacji wydajności (0–33–66–100%), to wymagana pojemność wodna instalacji będzie wynosić 1/3×100×17,2 = 573,3 l.

Podane wartości dotyczą oczywiście czystej wody. Dla wodnego roztworu glikolu należy przyjąć odpowiednie wartości gęstości roztworu oraz ciepła właściwego zależnych od stopnia stężenia glikolu w wodzie.

Do podstawowych danych wejściowych należą:

• liczba odbiorników chłodu – liczba urządzeń końcowych bezpośrednio podłączonych do chillera (np. klimakonwektorów wentylatorowych, central klimatyzacyjnych itp.),

• minimalne ciągłe obciążenie cieplne – oszacowana procentowa wartość (odnosząca się do nominalnej wydajności chłodniczej wybranego agregatu chłodniczego) minimalnego ciągłego obciążenia urządzenia,

• nastawa różnicy temperatury wody – dla przykładu dla wody o temp. 12/7°C, nastawa dt = 5°C,

• pojemność zładu w instalacji – pojemność wody w rzeczywistej instalacji (za wyłączeniem pojemności wodnej zalegającej w parowaczu wybranego agregatu chłodniczego),

• korekta nastaw od temperatury zewnętrznej – podczas pracy w okresie letnim nastawa wartości zadanej staje się wyższa przy obniżającej się temperaturze powietrza zewnętrznego; odwrotnie w okresie zimowym; podawana wartość jest maksymalną wartością korekty wartości zadanej (set point’u),

• kompensacja w zależności od obciążenia – kompensacja od obciążenia powoduje wzrost temperatury wody podczas pracy z małym obciążeniem cieplnym; podawana wartość jest maksymalną dla tego rodzaju kompensacji,

• kompensacja w zależności od czasu – ten rodzaj kompensacji powoduje wzrost temperatury wody w funkcji czasu załączenia sprężarki podczas cyklu pracy; pozwala to na uniknięcie zbyt krótkich okresów załączenia sprężarki; podawana wartość jest maksymalną dla tego rodzaju kompensacji,

• kompensacja  duty-cycle powoduje wzrost temperatury wody w zależności od częstości załączeń/wyłączeń w cyklu pracy sprężarki on-off; pozwala to na uzyskanie minimalizacji częstości załączeń sprężarki w ciągu godziny; podawana wartość jest maksymalną dla tego rodzaju kompensacji,

• histereza pierwszego stopnia regulacji wydajności jest wykorzystywana, w okresie letnim, w celu wzrostu wartości zadanej temperatury wody wykorzystywanej przy aktywacji pierwszego stopnia regulacji wydajności; odwrotnie w okresie zimowym; nie można dokonywać zmian w przypadku braku pewności dot. tego parametru,

• histereza drugiego stopnia regulacji wydajności jest wykorzystywana, w okresie letnim, do obniżenia wartości zadanej ostatniego stopnia regulacji wydajności; odwrotnie w okresie zimowym; nie można dokonywać zmian w przypadku braku pewności dot. tego parametru.

W oparciu o powyższe dane program dokonuje szacunkowej kalkulacji minimalnej zalecanej ilości wody w instalacji hydraulicznej dla każdego produkowanego agregatu chłodniczego. Należy jednak pamiętać, że:

• wartości obliczone z użyciem powyższego oprogramowania są tylko podawane jako szacunkowe,

• minimalna ilość wody w instalacji musi być zawsze obecna (także wówczas, gdy instalacja pracuje poprzez by-pass z uwagi na obciążenie częściowe),

• obliczona minimalna pojemność zładu pozwala na poprawną (akceptowalną) pracę urządzenia; najlepsze warunki pracy występują przy większych pojemnościach instalacji (są one również podawane w programie),

• kompensacja wartości zadanej powoduje wzrost „średniej temperatury wody”; wzrost jest zależny wartości nastaw kompensacji i warunków pracy na instalacji (shifting temperature),

• wszystkie obliczenia są oparte na znamionowych warunkach pracy, tj. EWT/LWT 12/7°C powietrze zewnętrzne 35°C w lecie, EWT/LWT 40/45°C, powietrze zewnętrzne 7°C DB/6,1°C WB w okresie zimowym; EWT – temperatura wody na wlocie do parowacza, LWT – temperatura wody na wylocie z parowacza agregatu chłodniczego.

Obliczenie pojemności instalacji dla systemu z jednym odbiornikiem chłodu

Poniżej podano wzór pozwalający na obliczenie wymaganej pojemności wody w instalacji dla najbardziej niekorzystnego przypadku z jednym odbiornikiem chłodu (klimakonwektorem wentylatorowym).

gdzie:
A – objętość zasobnika [l],
P_max – maksymalna moc chłodnicza [kW],
P_min – minimalna moc chłodnicza [kW],
TS – czas zabezpieczenia [s],
V – kubatura pomieszczenia [m3],
DA – regulowana różnica temp. powietrza [K],
D – maksymalna dopuszczalna różnica temperatury [K],
CA – objętość wody w instalacji [l],
DL – regulowana różnica temperatury wody [K].

W praktyce wzór ten można uprościć uwzględniając standardy urządzenia: czas zabezpieczenia = 360 s, regulowana różnica temperatury wody = 1 K, także regulowana różnica temperatury powietrza wynosi zwykle 1 K. Na rys. 5. pokazano sposób obliczenia objętości zasobnika według wytycznych jednego z producentów, po uwzględnieniu najczęściej przyjmowanych wartości.

Po ustaleniu parametrów instalacji (maksymalna moc, kubatura pomieszczenia, objętość wody) i określeniu dopuszczalnej zmiany temperatury, należy zdecydować czy urządzenie będzie wyposażone w jedną (jeden stopień regulacji) lub dwie sprężarki (dwa stopnie regulacji wydajności). Przy maksymalnej mocy, urządzenie z dwiema sprężarkami wymaga zastosowania zasobnika o objętości o połowę mniejszej niż wymagana w instalacji z jedną sprężarką. Wielkość A (obliczona ze wzoru podanego na rys. 5.) oznacza objętość zasobnika. Jeśli jej wartość jest ujemna oznacza to, iż zasobnik jest zbędny.

Przykład

Moc chłodnicza (P) = 12 kW,

Kubatura pomieszczenia (V) = 330 m³,

Objętość wody (CA) = 30 l,

Maksymalna różnica temp, (D) = 1,5 K.

Agregat chłodniczy z jedną sprężarką

Korzystając ze wzoru:

 otrzymujemy:

Wartość jest ujemna, co oznacza, że zasobnik nie jest potrzebny.

Wzbiorcze naczynie przeponowe

Wzbiorcze naczynie przeponowe stosuje się w zamkniętych układach chłodzenia (i grzewczych), w których występują zmiany objętości właściwej medium powstałych na wskutek zmian temperatury medium. W przypadku instalacji chłodzenia pośredniego medium stanowi czysta woda bądź wodne roztwory glikoli o stężeniu odpowiadającym wymaganej temperaturze zamarzania cieczy zależnej od minimalnej temperatury otoczenia, jaka może wystąpić podczas normalnej pracy systemu klimatyzacyjnego.

Naczynie wyrównawcze musi kompensować zmiany objętości wody lub wodnego roztworu glikolu, aby po napełnieniu instalacji w temperaturze otoczenia np. 24°C przy pracy w temperaturze nominalnej (np. 7/12°C) nie nastąpiło w niej podciśnienie. Identycznie naczynie kompensuje przyrost objętości wody na wskutek dłuższego postoju systemu od objętości w temp. pracy (np. 7/12°C) do objętości odpowiadającej temperaturze otoczenia, jaka może wystąpić na zewnątrz instalacji (np. 35°C).

Wielu projektantów przy doborze opiera się na normach dotyczących doboru naczyń przeponowych, ale związanych ściśle z instalacjami centralnego ogrzewania. Problemem jest fakt, iż dla instalacji wody ziębniczej nie ma norm pozwalających na prawidłowy dobór tego typu elementu. Dobór wzbiorczego naczynia przeponowego dla systemów wody ziębniczej można przeprowadzić analogicznie jak dla instalacji grzewczych, ale z małym wyjątkiem.

W systemach wody ziębniczej należy uwzględnić inne zakresy temperatur występujących podczas pracy instalacji. Od poprawnych obliczeń zależy później prawidłowa praca systemu klimatyzacyjnego. Wadliwie dobrana pojemność naczynia lub wartość ciśnienia wstępnego, jakie ma panować w naczyniu wzbiorczym przeponowym, może skutkować awaryjnym wyrzucaniem wody ziębniczej z instalacji w przypadku wzrostu ciśnienia w instalacji (dodatkowe koszty związane z napełnieniem) lub też w przypadku podciśnienia panującego w instalacji (na wskutek obniżenia się temperatury medium) zasysaniem powietrza z odpowietrzników umieszczonych w najwyższych punktach instalacji (lub przy klimakonwektorach), co może prowadzić do zapowietrzenia instalacji i braku transferu chłodu do poszczególnych odbiorników chłodu (klimakonwektory wentylatorowe, chłodnice w centralach klimatyzacyjnych itp.).

Umiejscowienie naczyń wzbiorczych przeponowych w instalacji wody ziębniczej określa punkt neutralny, w którym ciśnienie statyczne lub całkowite jest zawsze stałe, niezależnie od działania pomp cyrkulacyjnych (np. po stronie ssawnej pompy). Najlepsza lokalizacja w przypadku agregatów chłodniczych na umiejscowienie naczynia znajduje się po stronie ssawnej pompy (lub pomp połączonych równolegle).

Zalecany punkt podłączenia naczynia wzbiorczego do instalacji hydraulicznej pokazano na rys. 1. Dotyczy to instalacji z wbudowanym tylko układem pompowym w agregacie (i bez standardowo zamontowanego naczynia przeponowego) lub systemów, w którym pompy są montowane poza obrysem agregatu chłodniczego.

Kompaktowe moduły hydrauliczne współpracujące z agregatami chłodniczymi i dostarczane przez producentów agregatów z reguły już są wyposażone we wszelkie niezbędne dodatkowe elementy instalacji hydraulicznej (naczynie przeponowe, zawór bezpieczeństwa, układ pompowy itp.) i nie wymagają zastanowienia się nad lokalizacją poszczególnych elementów w obrębie instalacji hydraulicznej.

Ze wzbiorczym naczyniem przeponowym współpracuje zawór bezpieczeństwa, którego dobór i zagadnienia związane z jego pracą w systemie wody ziębniczej zostaną omówione w kolejnej części artykułu. Poniżej przedstawiono algorytm doboru właściwej pojemności wzbiorczego naczynia przeponowego. Do kolejnych etapów należy:

• określenie ciśnienia wstępnego w naczyniu wzbiorczym przeponowym,

• określenie warunków granicznych dotyczących ciśnień mogących pojawić się w instalacji (ciśnienie zadziałania zaworu bezpieczeństwa, maksymalne ciśnienie robocze mogące wystąpić podczas dłuższego postoju lub podczas napełniania instalacji, najniższe ciśnienie robocze występujące przy najniższej temperaturze pracy),  

• obliczenie pojemności użytkowej naczynia wzbiorczego,

• obliczenie pojemności całkowitej naczynia przeponowego.

Określenie ciśnienia początkowego p₀ w naczyniu rozszerzalnościowym

Ciśnienie początkowe p₀ panujące w naczyniu powinno być wyższe od ciśnienia atmosferycznego panującego na zewnątrz instalacji. Spowoduje to, że do instalacji nie przedostanie się powietrze. Dodatkowo powinno być ono wyższe niż hydrostatyczna wysokość ciśnienia na poziomie króćca przyłączeniowego naczynia. Ciśnienie hydrostatyczne związane jest z parciem słupa wody wypełniającej instalację na przeponę naczynia wzbiorczego:

gdzie:
p₀ – ciśnienie początkowe panujące w naczyniu [bar],
p_stat – statyczna wysokość ciśnienia w instalacji [bar].

Wzór (5) jest obowiązujący w przypadku wspomnianej uprzednio optymalnej lokalizacji naczynia rozszerzalnościowego, tj. po stronie ssawnej pompy. W przypadku montażu wzbiorczego naczynia po stronie tłocznej pomp cyrkulacyjnych powyższe ciśnienie wstępne musi zostać powiększone o wysokość podnoszenia pompy. Wzór powyższy przyjmie zatem postać:

gdzie:
Δp_pompy – wysokość ciśnienia podnoszenia pompy cyrkulacyjnej [bar].

Określenie warunków granicznych ciśnień panujących w instalacji

Do wartości granicznych można zaliczyć uprzednio wymienione ciśnienie wstępne p₀, najniższe ciśnienie robocze występujące przy najniższej temperaturze wody panującej w instalacji pm, maksymalne ciśnienie robocze phprzy napełnianiu instalacji w temperaturze otoczenia lub odpowiadające maksymalnej temperaturze wody, jaka może pojawić się podczas wydłużonego postoju agregatu chłodniczego oraz ciśnienie zadziałania zaworu bezpieczeństwa p_zb. Na rys. 6. przedstawiono zależności pomiędzy tymi ciśnieniami.

Wartość ciśnienia początkowego p0 wyznacza się z zależności (5) lub (6). Wartość określająca ciśnienie zadziałania zaworu bezpieczeństwa p_zb zależy od wytrzymałości konstrukcyjnej instalacji. Jeżeli agregat chłodniczy standardowo wyposażony jest w moduł hydrauliczny zawierający zawór bezpieczeństwa, to wartość ciśnienia zadziałania bezpieczeństwa określona jest już przez producenta.

Najczęściej spotykane są zawory bezpieczeństwa o ciśnieniu otwarcia równym 3 lub 6 bar. Wartość ciśnienia zadziałania zaworu ma znaczący wpływ na pojemność naczynia przeponowego. Im wyższa wartość ciśnienia otwarcia zaworu, tym wymagana pojemność wzbiorczego naczynia przeponowego będzie mniejsza.

Znając wartości graniczne ciśnień (początkowego w naczyniu oraz zadziałania zaworu bezpieczeństwa) pozostaje określenie wartości najniższego ciśnienia roboczego pm oraz maksymalnego ciśnienia phodpowiadającego maksymalnej temperaturze wody w instalacji. Wartość phpowinna być niższa o 0,5 bar niż ciśnienia zadziałania zaworu bezpieczeństwa z kolei wartość pmpowinna być o 0,5 bar wyższa od ciśnienia początkowego p₀, aby w warunkach najniższej temperatury w naczyniu wyrównawczym pozostała pewna rezerwa wody.

Znając przyrost objętości wody od najniższej temperatury wody w instalacji do najwyższej wartości temperatury mogącej wystąpić podczas napełniania instalacji lub np. podczas dłuższego postoju agregatu chłodniczego oraz przyjmując zakładane graniczne wartości ciśnień w instalacji mamy pewność, że w przypadku wzrostu temperatury w przewidywalnym zakresie temperatur przyrost objętości wody spowoduje wzrost ciśnienia w instalacji od wartości ciśnienia pmdo wartości ph.

Obliczenie pojemności użytkowej naczynia wzbiorczego

W przypadku systemów, w których temperatura medium jest niższa od +5°C, stosowane są agregaty chłodnicze w wykonaniu specjalnym tzw. Brine, przystosowanym do pracy z niskimi temperaturami wody ziębniczej (wymagającymi zastosowania zaworów rozprężnych o innym zakresie temperatur) oraz wodne roztwory glikoli jako środki przeciw zamarzaniu.

Monoetyloglikole stosowane są również przy wyższych wymaganych temperaturach wody ziębniczej, ale tylko w systemach, w których instalacja hydrauliczna narażona jest na działanie temperatur powietrza zewnętrznego poniżej +4°C. Im niższa temperatura powietrza zewnętrznego, tym niższa musi być wartość temperatury krzepnięcia medium.

Obniżenie temperatury krzepnięcia cieczy pośredniczącej uzyskiwane jest poprzez wzrost stężenia glikolu etylenowego w wodzie. Powoduje to wzrost lepkości kinematycznej oraz zmniejszenie ciepła właściwego roztworu (z 4,19 dla czystej wody do 3,6 [kJ/kgK] dla roztworu glikolu etylenowego o stężeniu 35%). Oprócz powyższych zmianie ulega również współczynnik rozszerzalności objętościowej roztworu.

Korzystając z wykresów rozszerzalności objętościowej wodnego roztworu glikolu oraz czystej wody w zależności od temperatury wody można zauważyć, jak zmienia się objętość cieczy od temperatury krzepnięcia do maksymalnej temperatury wody w instalacji. Można przyjąć maksymalną temperaturę wody w instalacji jako temperaturę cieczy mogącą pojawić się podczas wydłużonego postoju sprężarkowego agregatu chłodniczego.

Jeżeli monoblokowy agregat chłodniczy ustawiony jest na dachu budynku, w okresie letnim podczas nieużytkowania pomieszczeń temperatura wody lub wodnego roztworu glikolu może osiągnąć wartość 40°C lub wyższą. W przypadku agregatów ze zdalnym skraplaczem jako maksymalną temperaturę można przyjąć temperaturę otoczenia, w jakiej dokonuje się napełnienia instalacji.

Przyrost objętości dla różnych cieczy od temperatury krzepnięcia do maksymalnej temperatury medium pośredniczącego (t = 40°C) wynosi zatem:

• dla czystej wody: ok. 0,8% (temp. krzepnięcia 0°C),

• dla wodnego roztworu monoetyloglikolu MEG 20%: ok. 1,3% (temp. krzepnięcia –9°C),

• dla wodnego roztworu monoetyloglikolu MEG 30%: ok. 1,6% (temp. krzepnięcia –15°C),

• dla wodnego roztworu monoetyloglikolu MEG 35%: ok. 2,0% (temp. krzepnięcia –20°C),

• dla wodnego roztworu monoetyloglikolu MEG 40%: ok. 2,3% (temp. krzepnięcia –23°C),

• dla wodnego roztworu monoetyloglikolu MEG 45%: ok. 2,6% (temp. krzepnięcia –27°C),

• dla wodnego roztworu monoetyloglikolu MEG 50%: ok. 3,3% (temp. krzepnięcia –31°C).

Zmiana objętości instalacji i tym samym pojemność użytkowa naczynia przeponowego Vu równa jest pojemności rzeczywistej instalacji pomnożonej przez zmianę objętości wodnej instalacji:

gdzie:
V_u – wymagana pojemność użytkowa naczynia rozszerzalnościowego [dm³],
V_inst – rzeczywista pojemność wody w instalacji [dm³],
δ – zmiana objętości wody wypełniającej instalację [%].

Obliczenie pojemności całkowitej naczynia przeponowego

Po uprzednim przyjęciu właściwych wartości dotyczących instalacji hydraulicznej pozostaje tylko skorzystanie z poniższego wzoru celem oszacowania całkowitej pojemności naczynia przeponowego:

Dopuszczalne jest zastosowanie kilku naczyń przeponowych z hermetyczną przestrzenią gazową na danej instalacji. Konieczne jest natomiast spełnienie kilku warunków, a mianowicie: naczynia powinny zostać połączone równolegle, sumaryczna pojemność użytkowa powinna być równa lub większa od pojemności użytkowej skalkulowanej w oparciu o wzór (8), zaś króćce przyłączeniowe naczyń przeponowych (połączonych równolegle) powinny być ustawione na tym samym poziomie.

Podsumowanie

W pierwszej części artykułu zaprezentowano zagadnienia związane z doborem zbiorników buforowych oraz wzbiorczych naczyń przeponowych. Zagadnienia związane z projektowaniem tego typu urządzeń dla instalacji chłodniczych z cieczą pośredniczącą są praktycznie bardzo rzadko opisywane w literaturze krajowej. Nie ma żadnych ogólnie dostępnych wytycznych dotyczących doboru właściwej pojemności zbiorników buforowych dla systemów wody ziębniczej.

Projektanci posługują się różnymi współczynnikami, na których opierane są obliczenia dla rzeczywistych instalacji. Problemem jest fakt, że projektów tych instalacji nikt nie weryfikuje. Może się zdarzyć, że błędy popełnione w jednym systemie, są kolejno powtarzane na następnych instalacjach. Autor ma nadzieję, że zagadnienia związane z projektowaniem systemów wody ziębniczej, a w szczególności z doborem tych elementów, dla których nie ma w rzeczywistości ścisłych wytycznych, pozwolą na przybliżenie aspektów związanych z właściwym wyborem oraz przyczynią się do podjęcia konkretnych optymalnych rozwiązań.

Autor składa podziękowanie firmie Kliweko BTH z Krakowa za udostępnienie materiałów dotyczących urządzeń marki Clivet.

Literatura

1. Recknagel, Sprenger, Hönmann, Schramek, Poradnik Ogrzewanie + Klimatyzacja, Gdańsk 1994.

2. Wichowski R., Dobór wzbiorczych naczyń przeponowych. Wytyczne zgodne z normą EN 12828, Rynek Instalacyjny 6/2006, s. 52.

3. PN-B-02414:1999 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Zabezpieczenie instalacji ogrzewań wodnych systemu zamkniętego z naczyniami wzbiorczymi przeponowymi. Wymagania.

4. EN 12828: March 2003. Heating systems In buildings. Design for water-based heating systems.

5. prPN-EN 12828 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Projektowanie wodnych instalacji centralnego ogrzewania.

6. Materiały szkoleniowe firmy Clivet, Kliweko BTH.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!