Równoważenie dużych instalacji c.o.

Trudno sobie wyobrazić, że instalacja c.o. w dużym obiekcie, jak dom wielorodzinny, biurowiec czy hotel, może być wykonana bez projektu. A jednak zdarzają się przypadki, że inwestor zleca wykonawcy zrobienie instalacji grzewczej i nie interesuje go, czy zgodnie z projektem, czy nie, byle „zmieścić się w kosztach”. I dotyczy to różnych obiektów – domów jednorodzinnych o powierzchni kilkuset metrów kwadratowych, ośrodków spa itp.

W takich sytuacjach, kiedy podważana jest zasadność wykonania samego projektu, przekonywanie o znaczeniu odpowiedniego zrównoważenia hydraulicznego instalacji jest zadaniem niełatwym. Warto jednak pamiętać, że budynek z zaprojektowaną instalacją ogrzewania ma szansę być tańszy od obiektu z instalacją wykonaną bez projektu, i to nie tylko w trakcie eksploatacji, ale już w fazie inwestycji.

Prawidłowy projekt eliminuje możliwość zamontowania instalacji niewystarczająco wydajnej – z „za małymi” grzejnikami, pompą, wymiennikiem lub kotłem. Skutkowałoby to za niską temperaturą w ogrzewanych pomieszczeniach i wiązało się z koniecznością dodatkowego ogrzewania lub nawet rozbudowy instalacji, wymiany jej części (najczęściej grzejników) lub całości.

Projekt eliminuje też sytuację przeciwną – przewymiarowania instalacji, do którego dochodzi najczęściej, gdy grzejniki są dobrane wskaźnikowo, według nieprawidłowej, ale niestety nadal często stosowanej zasady 100 W/m². Ponadto grzejniki i inne elementy instalacji są często dobierane ze znacznym zapasem. Na tak wykonaną instalację użytkownicy najpewniej nie będą się skarżyć, ale zbyt duże grzejniki to niepotrzebny wydatek i zajmowanie miejsca – aspekty dla inwestora nie bez znaczenia.

Właściwie zaprojektowana instalacja będzie również prawidłowo i efektywnie pracować przy założonych parametrach – jest to szczególnie ważne w przypadku instalacji ogrzewania płaszczyznowego (podłogowego lub ściennego) lub innej instalacji niskotemperaturowej (w której źródłem ciepła będzie np. pompa ciepła lub bufor zasilany kolektorami słonecznymi).

Im niższa różnica między temperaturą grzejnika a temperaturą w pomieszczeniu, tym bardziej wrażliwa jest instalacja na niedociągnięcia projektowe czy wykonawcze niedoróbki. Prawidłowy projekt umożliwia również wykorzystanie maksymalnej sprawności źródła ciepła, np. kotłów, a w obliczu wysokich cen energii każdy procent sprawności lub efektywności jest istotny.

Zatem od świadomości i decyzji inwestora zależy, czy będzie on chciał „zarobić” na dobrym projekcie i właściwym rozwiązaniu kwestii ogrzewania. Natomiast rolą projektanta jest zrozumienie oczekiwań inwestora, przedstawienie mu możliwych rozwiązań, pomoc we właściwym wyborze, a następnie prawidłowe wykonanie projektu.

Małe i duże instalacje c.o.

W małej instalacji c.o. występuje zazwyczaj względnie duży zapas mocy źródła ciepła i wysokości podnoszenia pompy, natomiast przy dużych instalacjach, wykorzystujących inne typoszeregi pomp i kotłów, zapas ten jest wyraźnie mniejszy. W instalacji małej proporcje odległości i tym samym rozpływu czynnika grzewczego w obiegach mają względnie małą różnicę, a w dużej różnice pomiędzy obiegami najbliższymi i najdalszymi mogą być nawet kilkudziesięciokrotne. Dlatego przy niezrównoważeniu dużej instalacji nasilają się potencjalne problemy występujące także w instalacji małej.

W budynkach wielorodzinnych (wieloklatkowych, wielokondygnacyjnych) instalacje są rozległe, straty ciśnienia, a więc równocześnie i wymagane wysokości podnoszenia pompy są odpowiednio wyższe.

Układy te nie mają już tak dużego marginesu zapasu (naddatku):

• nie ma możliwości wyregulowania hydraulicznego, np. w razie za małego przepływu przez grzejniki w jednym mieszkaniu regulacja tylko w obrębie tego lokalu nie przyniesie żadnej wymiernej poprawy (regulacja ilościowa),
• w takim przypadku nie ma możliwości sterowania temperaturą źródła ciepła z poziomu lokalu (regulacja jakościowa),
• źródło ciepła (wymiennik, kocioł) i pompa nie są przewymiarowane.

Należy przy tym pamiętać o skutkach niezrównoważonej instalacji:

• hałasie spowodowanym za dużą prędkością w obiegach bliższych źródłu ciepła (kotłowni lub wymiennikowni),
• za małym przepływie w odległych od źródła ciepła częściach instalacji, a więc w efekcie spadku mocy tych części instalacji.

Duże instalacje mają jednak swoje zalety. W instalacji rozległej można spodziewać się pewnej powtarzalności (modułowości) – w przypadku instalacji z systemem rozdzielaczowym będą to kolejne piętra, bloki, apartamenty, a w budynku z tradycyjnymi pionami i z rozdziałem dolnym poszczególne piony lub grupy pionów. Cecha ta ułatwia projektowanie, gdyż programy wspomagania projektowania komputerowego wyposażone są w funkcje kopiowania elementów. Poza tym układ taki umożliwia zastosowanie zaworów podpionowych przy poszczególnych modułach (pionach lub rozdzielaczach).

Nazwa „zawory podpionowe” przyjęła się, gdy powszechny był system rozdziału dolnego z pionami. Inne ich nazwy to: zawory balansowe, zawory równoważącelub zawory stałej różnicy ciśnienia. Ta ostatnia najlepiej oddaje zasadę działania – zadaniem zaworów jest utrzymanie stałego spadku ciśnienia w celu zapewnienia stałego przepływu przez daną część instalacji. Dla obiegów bliższych pompie nadwyżka ciśnienia jest większa, zatem większe jest dławienie, a dla obiegów dalszych (ostatnie piony lub w systemie rozdzielaczowym ostatnie kondygnacje) nadwyżka ciśnienia i dławienie przepływu są mniejsze.

Obliczeniowe równoważenie instalacji

Metodyka obliczeń hydraulicznych instalacji grzewczej jest taka, jak instalacji małej, a jedyną różnicą jest uzbrojenie instalacji w zawory podpionowe:

• Krok 1. Obliczenie zapotrzebowania na ciepło f [W], dla danych przegród U [W/m²K] i F [m²] i temperatury t_i, t_e[°C].
• Krok 2. Założenie parametrów (temperatury) pracy instalacji t_z/t_p [°C].
• Krok 3. Rozplanowanie odbiorników ciepła i tras przewodów instalacji: L₁, L₂, L₃ itd. [m].
• Krok 4. Założenie sposobu prowadzenia przewodów, ich materiału k [mm], izolacji l [W/mK] i uzbrojenia, w tym zaworów podpionowych, z [-].
• Krok 5. Określenie przepływów przez działki m = f/c_w(t_z–t_p) [kg/s].
• Krok 6. Przyjęcie średnic działek instalacji d [mm].
• Krok 7. Obliczenie oporów działek: Dp_L+M [Pa].
• Krok 8. Wyznaczenie wymaganej wysokości podnoszenia pompy Dp_pompy [Pa] równej sumie oporów najbardziej niekorzystnego obiegu.
• Krok 9. Zrównoważenie hydrauliczne instalacji: obliczenie dla każdego obiegu nadciśnienia do zdławienia. Wysokość podnoszenia pompy dobierana jest dla najniekorzystniejszego obiegu, dlatego wszystkie obiegi poza nim będą miały mniejszy opór i właśnie o tę różnicę trzeba zdławić przepływ w obiegu przez każdy odbiornik.

Zawory precyzyjnej regulacji

W artykule dotyczącym równoważenia małych instalacji c.o. (RI 1–2/2012) opisane zostały szczegółowo zawory podwójnej regulacji. Na rynku dostępne są również inne zawory regulacyjne, szczególnie nadające się do rozległych instalacji – zawory precyzyjnej regulacji. Czym się różnią? Zawory podwójnej regulacji mają najczęściej zakres ok. 5–6 położeń. W zaworach precyzyjnej regulacji (fot. 1) do ustawienia również stosuje się specjalny klucz, jednak jeden pełny obrót zaworu odpowiada zmianie nastawy o 10 położeń, a zakres regulacji to 6 pełnych obrotów. Dlatego w zaworach tych można wybrać nastawę aż z 60 położeń.

Nastawy wstępne

Nastawa wstępna zaworu danego grzejnika zależy od dwóch parametrów:

• strumienia czynnika grzewczego, który przez grzejnik powinien przepłynąć, aby zapewnić mu wymaganą moc,
• lokalizacji grzejnika w instalacji.

Lokalizacja grzejnika jest praktycznie niemożliwa do przewidzenia, ale przepływ jest pochodną wielkości tego urządzenia. Programy wspomagające projektowanie instalacji same obliczają potrzebną nastawę wstępną. Należy jedynie pamiętać, by zainstalowany grzejnik miał odpowiednią do swej wielkości wkładkę regulacyjną i aby po zamontowaniu dokonać nastawy wstępnej. Producenci przez wiele lat stosowali jeden rodzaj wkładki do wszystkich grzejników zintegrowanych, ale obecnie coraz więcej firm proponuje wkładki zróżnicowane.

Podsumowanie i wnioski

Równoważenie hydrauliczne jest ostatnim, ale przez to wcale nie mniej ważnym elementem zaprojektowania i wykonania prawidłowo działającej instalacji. 

Praktyka pokazuje, że o ile w fazie projektowej (szczególnie w dobie programowania wspomaganego komputerowo) jest ono przeprowadzane automatycznie, to na etapie wykonania często traktowane jest „po macoszemu”, czego skutkiem są częste skargi na nieprawidłowe działanie instalacji. Jak wykazano powyżej, wraz z rozmiarami instalacji rośnie również problem jej niezrównoważenia hydraulicznego.

Równoważenie jest w pewnych przypadkach szczególnie ważne, a jego zaniechanie powoduje istotne perturbacje w działaniu c.o. Do takich okoliczności należy duża rozległość instalacji, a także zastosowanie w jednej instalacji różnych rodzajów odbiorników ciepła, np. wężownic podgrzewaczy, wymienników płytowych (np. na potrzeby basenu), nagrzewnic powietrza i wymienników ciepła. 

Należy też pamiętać, że pętle ogrzewania płaszczyznowego (ściennego) lub grzejniki kanałowe ze względu na swoją budowę (wężownica miedziana z pakietem lameli) mają zupełnie inne opory niż grzejniki o takich samych mocach. 

Mądry wydatek jest zawsze lepszy niż nierozsądna oszczędność.