Izolacje instalacji wody lodowej

Rozprowadzanie chłodu poprzez instalację tzw. wody lodowej to najczęściej spotykane rozwiązanie klimatyzacji pomieszczeń. Typowa woda lodowa to zwykle 30-proc. roztwór wodny glikolu etylowego o temperaturze na wyjściu z agregatu wody lodowej (chillera) rzędu +5 do +7°C. Woda lodowa rozprowadzana jest w budynku instalacją rurową do klimakonwektorów - wymienników ciepła, w których następuje schłodzenie wentylowanego powietrza i jednocześnie podniesienie temperatury wody lodowej do około +12°C. Następnie woda lodowa powraca do agregatu, w którym schładzana jest ponownie do temperatury  wyjściowej rzędu +5 do +7°C.

Przeczytaj artykuł: Układy wody lodowej. Zastosowanie czynników o niskiej temperaturze krzepnięcia »

Instalacja wody lodowej zbudowana jest z rur o różnych średnicach, najczęściej od 42 do 200 mm. Z uwagi na niską temperaturę ośrodka instalacja wody lodowej musi być izolowana termicznie w celu uniknięcia skraplania zawartej w powietrzu pary wodnej na powierzchni rur. Minimalna grubość izolacji powinna być dobrana tak, aby temperatura na jej zewnętrznej powierzchni była wyższa od temperatury punktu rosy otaczającego powietrza. Ponadto izolacja powinna być ciągła na całej długości rury oraz na kształtkach (kolanka, trójniki itp.) i w miejscach podparcia.

Jakakolwiek nieciągłość izolacji: przerwy, nieszczelne połączenia, zgniecenia, to miejsce, w którym może nastąpić kondensacja pary wodnej, pomimo ogólnie poprawnie dobranej minimalnej grubości. Materiałem zapewniającym szczelność połączeń, nawet na skomplikowanych kształtkach, jest izolacja z kauczuku syntetycznego. Dodatkowo izolacja z kauczuku syntetycznego charakteryzuje się niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła rzędu 0,033 do 0,036 W/mK w temperaturze 0°C i wysokim współczynnikiem oporu na dyfuzję pary wodnej rzędu 7000 i więcej.  

Minimalna grubość izolacji

Czynnikiem mającym istotny wpływ na poprawny dobór minimalnej grubości izolacji, ale często nieuwzględnianym należycie w obliczeniach, jest współczynnik przejmowania ciepła na powierzchni zewnętrznej izolacji h [W/m²K]. Dokładne obliczenie lub oszacowanie wielkości tego współczynnika jest trudne, gdyż zależy on od wielu zmiennych, m.in od temperatury zewnętrznej powierzchni izolacji, a więc obliczenie współczynnika przejmowania ciepła wymagałoby stosowania metody iteracyjnej.

Pewne wzory podane są w normie ISO 12241 „Izolacja cieplna wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Zasady obliczania”, jednakże w praktyce inżynierskiej  nie są one stosowane z uwagi na konieczność iteracji i zbyt szczegółowe obliczenia osobno dla rur pionowych i poziomych.

W praktyce wystarczy przyjęcie pewnej stałej minimalnej wartości współczynnika przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni izolacji, np. h = 9 W/m²K. Minimalna grubość izolacji obliczona przy zastosowaniu takiej wartości współczynnika przejmowania ciepła na pewno nie będzie za mała, gdyż dla wyższych wartości współczynnika przejmowania ciepła obliczona minimalna grubość izolacji będzie mniejsza.

Wartość współczynnika przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni izolacji h = 9 W/m²K jest poprawna dla powierzchni niemetalicznych (np. izolacji kauczukowych) w warunkach swobodnej konwekcji (cyrkulacji) powietrza. Jednakże w innych warunkach, tzn. gdy zastosowany jest płaszcz z blachy stalowej lub aluminiowej lub gdy cyrkulacja powietrza jest ograniczona, np. w warunkach ciasnej zabudowy, wartość tego współczynnika będzie znacznie mniejsza, a tym samym minimalna grubość izolacji będzie większa.

W takich warunkach należy przyjmować inne wartości współczynnika przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni izolacji lub płaszcza:

• izolacja pokryta płaszczem z blachy stalowej: h = 7 W/m²K,

• izolacja pokryta płaszczem z blachy aluminiowej: h = 5 W/m²K,

• ograniczona cyrkulacja powietrza: h = 3 W/m²K (lub nawet niższa wartość w szczególnych przypadkach).

Nieuwzględnienie niższej wartości współczynnika przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przy zastosowaniu płaszcza z blachy stalowej lub aluminiowej, co ma miejsce zwykle na instalacjach prowadzonych na zewnątrz budynków, a tym samym przyjęcie zbyt małej grubości izolacji w praktyce nie powoduje często  skutków kondensacji, gdyż w warunkach przepływu powietrza i wskutek działania wiatru rzeczywista wartość współczynnika przejmowania ciepła jest wyższa niż założona wartość minimalna.

Jednakże w warunkach ograniczonej cyrkulacji powietrza nieuwzględnienie niższej wartości współczynnika przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni izolacji i w związku z tym przyjęcie zbyt małej grubości izolacji skutkuje kondensacją pary wodnej. Przyjmuje się, że swobodna cyrkulacja powietrza jest zapewniona, gdy:

• pomieszczenie lub przestrzeń są wentylowane,

• minimalna odległość izolowanych rur od innych obiektów wynosi 100 mm,

• minimalna odległość izolowanych zbiorników od innych obiektów wynosi 1000 mm.

Ogólnie przy obliczeniu minimalnej grubości izolacji ze względu na uniknięcie kondensacji pary wodnej należy uwzględnić:

• temperaturę ośrodka (wody lodowej),

• temperaturę otoczenia,

• wilgotność względną otoczenia,

• współczynnik przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni izolacji lub płaszcza z blachy.

Przykładowe obliczone minimalne grubości izolacji bez płaszcza, w warunkach swobodnej cyrkulacji powietrza, podano w tabeli 1.

Optymalna grubość izolacji

Dobór grubości izolacji jedynie ze względu na uniknięcie kondensacji pary wodnej oznacza dobór grubości minimalnej, która nie zawsze musi być optymalna, np. ze względu na straty chłodu. Można obliczyć optymalną grubość izolacji wody lodowej, przy której suma kosztów obecnych (inwestycyjnych) i przyszłych (kosztów energii elektrycznej  zużywanej przez agregat chłodzący wodę lodową) będzie najniższa.

Obliczenia takie wymagają przyjęcia stopy procentowej zwrotu inwestycji oraz przewidywanego wzrostu (lub spadku) kosztów energii, a więc są obarczone pewnymi długoletnimi założeniami, które nie muszą się dokładnie potwierdzić. Niemniej jednak w wyniku takich obliczeń można z dobrym przybliżeniem przyjąć, że optymalna grubość izolacji wody lodowej wynosi od 19 mm (dla małych średnic rur, do 42 mm) do 25 mm (dla większych średnic).

Grubość izolacji wynikająca z przepisów

W niektórych krajach grubość izolacji na instalacjach wody lodowej określona jest w przepisach budowlanych, analogicznie jak grubość izolacji na instalacjach grzewczych lub ciepłej wody użytkowej. W Polsce wymagania izolacji cieplnej instalacji wody lodowej zostały określone w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. [1] zmieniającym Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2], i obowiązują od 1 stycznia 2009 r. (tabela 2).

Dla przewodów instalacji wody lodowej prowadzonych na zewnątrz budynku minimalna grubość izolacji jest dwa razy większa.

Ponieważ w praktyce otuliny izolacyjne dobiera się na średnicę zewnętrzną rur, a nie na średnicę wewnętrzną, w odniesieniu do średnicy zewnętrznej rur stalowych (o średniej grubości ścianki) tabelka powyższa będzie wyglądała następująco – patrz tabela 3.

Tak obliczona minimalna grubość izolacji wynikająca z rozporządzenia nie odpowiada przyjętym od dawna przez wszystkich producentów typoszeregom grubości izolacji: 6, 9, 13, 19, 25, 35 i 50 mm. Wydaje się, że w celu dopasowania oferowanych typoszeregów grubości do wymagań rozporządzenia rozsądne będzie przyjęcie następujących minimalnych grubości izolacji – patrz tabela 4.

Oczywiście jeżeli wilgotność względna powietrza wynosi powyżej 80%, należy dodatkowo sprawdzić grubość minimalną ze względu na zapobieganie kondensacji pary wodnej, zwłaszcza dla średnic do 48,3 mm włącznie.

Podobne przepisy zostały wprowadzone również w innych krajach europejskich. W Hiszpanii i Portugalii od dawna obowiązują przepisy RITE (w Portugalii o nazwie RSECE) określające grubość izolacji wody lodowej (tabela 5).

W Czechach obowiązuje rozporządzenie nr 193 z 2007 roku. Nie podaje ono minimalnych grubości izolacji wprost, ale określa maksymalny liniowy współczynnik przenikania ciepła w W/mK dla poszczególnych średnic rur (od 0,15 W/mK dla rur o małej średnicy do 0,40 W/mK dla rur o dużej średnicy). Obliczona w ten sposób minimalna grubość izolacji dla niektórych przykładowych rur stalowych została podana w tabeli 6.

W Słowenii minimalną grubość izolacji instalacji wody lodowej określono w rozporządzeniu nr 3939 z 2008 roku (tabela 7).

Podsumowanie

Minimalna grubość izolacji instalacji wody lodowej ze względu na zapobieganie kondensacji pary wodnej wynosi dla typowych poziomów wilgotności względnej od 9 do 19 mm w zależności od wilgotności. Optymalna grubość izolacji instalacji wody lodowej ze względu na oszczędność energii wynosi od 19 do 25 mm w zależności od średnicy rury. Wymagana przepisami budowlanymi grubość izolacji instalacji wody lodowej wynosi od 13 do 50 mm w zależności od średnicy rury.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. (DzU nr 201, poz. 1238).

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, ze zm.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!