Równoważenie małych instalacji c.o.

Czym dla człowieka jest układ krwionośny, tym dla budynku instalacja centralnego ogrzewania. Sercem układu jest pompa obiegowa, obok niej mamy przewody o dużych i mniejszych średnicach (aortę i tętnice). Przewody rozgałęziają się, kolejne odgałęzienia mają coraz mniejszą średnicę i są coraz liczniejsze, a ich zakończenia stanowią urządzenia oddające energię, z których medium wraca niczym krew żyłami do serca.

Przewody, tak jak naczynia krwionośne, mają przekrój kołowy, gdyż taki właśnie kształt wpływa na mniejsze opory przepływu i tym samym pompowanie nie wymaga dużej ilości energii. Słabe krążenie skutkuje zimnymi dłońmi i stopami, analogicznie niezrównoważona instalacja daje zimne grzejniki. Organizm ludzki w toku ewolucji wytworzył mechanizmy regulacji przepływu. A jak zapewnić dobry przepływ instalacji c.o.?

Wprawdzie teoretycznie instalację można wykonać bez elementów regulujących, jednak w praktyce jest to nieosiągalne, gdyż należałoby ją zaprojektować tak, by sama się równoważyła. Natura to potrafi, inżynierowie niestety nie.

Zrównoważona instalacja

Równoważenie instalacji polega na uzbrojeniu jej w osprzęt regulacyjny – taki jak kryzy, zawory i reduktory – aby uzyskać wymagany opór w danej części (obiegu, działce). Stosuje się je w obiegach zamkniętych, np. grzewczych, chłodniczych, ciepłowniczych, solarnych, cyrkulacji c.w.u., ale też w instalacjach otwartych, np. wentylacji nawiewnej nadciśnieniowej czy odciągach. Czynność ta ma w gwarze instalacyjnej różne określenia: zrównoważenie instalacji, wyregulowanie hydrauliczne, regulacja przepływów, zbalansowanie oporów, ustalenie wydatków czy zredukowanie nadciśnienia.

Celem równoważenia instalacji jest uzyskanie wymaganego przepływu czynnika grzewczego w poszczególnych odcinkach instalacji i utrzymanie tego przepływu przez dany odbiornik. Odbiornikiem może być: grzejnik płytowy, nagrzewnica powietrza, wymiennik konwektora lub grzejnika kanałowego, pętla ogrzewania podłogowego lub ściennego itd. Uzyskanie założonego przepływu pozwala na osiągnięcie wymaganej mocy odbiornika ciepła. Z kolei niezrównoważenie instalacji skutkuje powstawaniem hałasu, brakiem przepływów i tym samym odpowiedniej mocy odbiorników.

Metodyka obliczeń instalacji jest następująca:

1. obliczenie zapotrzebowania na ciepło dla poszczególnych pomieszczeń: φ₁, φ₂ itd., liczone w [W], przy znanej geometrii i konstrukcji przegród U [W/m²K], F [m²] oraz temperaturze wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia,
2. założenie parametrów pracy instalacji dla warunków obliczeniowych (zależnych od źródła i odbiorników ciepła): temperatura zasilania i powrotu [°C],
3. zaprojektowanie rozmieszczenia odbiorników ciepła, a następnie tras przewodów, rozgałęzień: L₁, L₂ itd. [m],
4. zaprojektowanie sposobu prowadzenia przewodów (po wierzchu, w szachcie lub w peszlu), zastosowanego materiału przewodów: chropowatości k [mm], izolacji: λ [W/mK] i uzbrojenia: ς₁, ς₂ ... [–],
5. wyznaczenie przepływów przez poszczególne działki: m₁ = φ₁/ρ_cw(t_z– t_p) itd. [kg/s],
6. określenie średnic kolejnych działek instalacji; główne kryteria są dwa – utrzymanie ekonomicznej wartości współczynnika liniowych strat ciśnienia Rek [Pa/m] oraz nieprzekraczanie maksymalnej prędkości, głównie ze względu na hałas V_max [m/s],
7. obliczenie oporów (liniowych i miejscowych) poszczególnych działek Δp₁, Δp₂ [Pa] – uwzględniając istniejące na nich opory liniowe i miejscowe (kształtki, uzbrojenie instalacji, np. zawory, filtry, wymienniki),
8. po zsumowaniu oporów najbardziej niekorzystnego obiegu i uwzględnieniu pewnego zapasu (zazwyczaj 10%) wyznacza się potrzebną wysokość podnoszenia pompy Δp_pompy= 1,1×ΣΔp_L+ M [Pa].

Jednak jeśliby zakończyć projektowanie instalacji na tym etapie, można być prawie pewnym, że w najdalszym obiegu nie będzie wymaganego przepływu, a co za tym idzie nie zostanie dostarczona wymagana ilość ciepła. Z kolei odbiorniki położone blisko źródła ciepła będą miały za duży przepływ. Próba wyregulowania instalacji za pomocą elementów regulacji miejscowej, czyli zaworów, może doprowadzić do zbyt wysokich przepływów, a tym samym do powstania hałasu. Ponadto zmiana w tym obiegu byłaby odczuwalna w pozostałej części instalacji.

Tym, co wieńczy dzieło, jest obliczenie nadciśnienia do zdławienia dla każdego obiegu. Ponieważ pompa dobierana jest dla najmniej korzystnego obiegu, wszystkie obiegi poza nim będą miały opór mniejszy i właśnie o tę różnicę należy zdławić przepływ w każdej działce. Na podstawie wykresu ciśnienia (rys. 1) można stwierdzić, że jeżeli każdy grzejnik potrzebuje ciśnienia Δp₄, to nastawy wstępne powinny dławić ciśnienie: dla obiegu 1 – Δp_1–4 = Δp₁ – Δp₄, dla obiegu 2 – Δp_2–4 = Δp₂ – Δp₄ i dla obiegu 3 – Δp_3–4 = Δp₃ – Δp₄.

Instalacje małe i duże

Wśród domów jednorodzinnych przeważają budynki o powierzchni 100–250 m², mające zapotrzebowanie na moc na poziomie 5–20 kW. Źródłem ciepła jest w nich zazwyczaj wiszący kocioł gazowy, zwykle z wbudowaną pompą obiegową c.o. Jej wysokość podnoszenia wynosi ok. 3–4 mH₂O (a czasami nawet powyżej 6) i w zupełności wystarcza ona do tego typu obiektu. Główny opór powodują: filtr siatkowy, wymiennik ciepła i zawór trójdrożny.

W przypadku kotłów dwufunkcyjnych moc jest przewymiarowana z uwagi na konieczność zapewnienia odpowiedniej ilości ciepłej wody. W budynkach wielorodzinnych z taką sytuacją mamy do czynienia przy ogrzewaniu etażowym, tzn. gdy kocioł jest źródłem ciepła do ogrzewania i przygotowywania c.w.u. osobno dla każdego z mieszkań.

W domach jednorodzinnych i w instalacji etażowej zarówno moc kotła, jak i wielkość pompy są fabrycznie dobrane tak, by były wystarczające do zapewnienia ciśnienia najdalszemu grzejnikowi, jednak wszystkie grzejniki „po drodze” będą wymagały dławienia ciśnienia, czyli jego zrównoważenia.

Jeśli instalacja nie zostanie zrównoważona, grzejniki nie będą otrzymywać potrzebnej ilości ciepła – jedne, te położone bliżej pompy, będą przegrzewać, a inne, dalsze, niedogrzewać. Żeby temu zapobiec, każda instalacja c.o. prawidłowo policzona ma wykaz tzw. nastaw wstępnych na zaworach grzejnikowych. Jeżeli przed rozruchem instalacji zawory grzejnikowe zostaną prawidłowo nastawione (grzejniki mogą być fabrycznie nastawione na maksymalny przepływ), nastawa taka zredukuje nadmiar ciśnienia przed grzejnikiem do ciśnienia obliczeniowego, przy którym grzejnik pracuje prawidłowo.

W typowych instalacjach ogrzewania stosuje się tzw. zawory grzejnikowe z podwójną regulacją. Pierwszą stanowi nastawa wstępna (jest ona w różny sposób realizowana, w większości przypadków jako kryza dławiąca o odpowiedniej średnicy), a druga jest wynikiem ruchu grzybka w zaworze. Ciśnienie regulowane jest poprzez zwiększanie lub zmniejszanie (nawet do całkowitego zamknięcia) odstępu między grzybkiem a jego gniazdem.Nastawa wstępna zaworu grzejnikowego zależy od dwóch parametrów:

• strumienia czynnika grzewczego
• oraz ciśnienia, o które trzeba zredukować.
•  

Większość producentów zaworów grzejnikowych i wkładek regulacyjnych (stosowanych w grzejnikach ze zintegrowanym gniazdem zaworowym – fot. 1, fot. 2 i fot. 3) oznacza nastawy wstępne numerami od 1 do 6 (fot. 4): "jedynka" oznacza najmniejszy otwór kryzy dławiącej, a "szóstka" – pełny przepływ.

Każdy z oznaczonych numerów ma swoją charakterystykę, którą uwzględniono we wszystkich programach wspomagających projektowanie instalacji c.o.

Na zdjęciach (fot. 1, fot. 2, fot. 3 i fot. 4) widać otwory (odpowiednik kryzy dławiącej) we wkładce regulacyjnej, montowanej w zespołach zintegrowanych. Nastawa wstępna zmieniana jest specjalnym kluczem, bez konieczności wyjmowania wkładki z gniazda zespołu zintegrowanego.

Teoria a praktyka

W fazie projektowania pomocne są komputerowe programy wspomagające, które wyliczają nastawy zaworów. Jednak praktyka wykonawcza jest inna – pomimo widniejących na rysunku oznaczeń instalatorzy rzadko zadają sobie trud sprawdzenia i ustawienia wymaganych nastaw. Instalacja z grzejnikami pozostawionymi na maksymalnym otwarciu nastaw bardzo często stwarza problemy, skutkiem tego są częste skargi na nieprawidłowe działanie instalacji.

Jeżeli w grę wchodzi instalacja mająca ogrzewać jedno duże pomieszczenie, w którym znajdują się wszystkie grzejniki (np. duża sala gimnastyczna), dokładna regulacja ich mocy nie jest potrzebna. Jednak gdy grzejniki znajdują się w różnych pomieszczeniach, które do tego mają odmienne przeznaczenie, bez dokładnej regulacji (zrównoważenia instalacji) nie zostanie osiągnięta założona wydajność.

Wnioski

Zrównoważenie hydrauliczne jest równie ważne w fazie projektowania i wykonywania instalacji, jest bowiem warunkiem jej poprawnego działania. Praktyka wskazuje, że o ile podczas projektowania (szczególnie w dobie programowania wspomaganego komputerowo) jest ono wykonywane automatycznie, w fazie wykonawczej regulacja bywa niestety lekceważona, co skutkuje złą pracą instalacji i niezadowoleniem oraz skargami użytkowników. Niezrównoważona instalacja to niepotrzebna strata energii, a więc i pieniędzy.