Regulacja i równoważenie w wodnych instalacjach grzewczych i chłodniczych Cz. 1. Wymagania, funkcje i dobór właściwego rozwiązania

Zmniejszenie zużycia energii przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiego komfortu wnętrza jest obecnie jednym z zasadniczych elementów uwzględnianych podczas projektowania nowoczesnych instalacji grzewczych i chłodzących. Jednak najczęściej popełnianym skrótem myślowym w projektowaniu jest analiza (dobór) pojedynczych elementów instalacji (źródło, odbiorniki, zawory regulacyjne, zawory równoważące itd.) z pominięciem faktu, że elementy te oddziałują wzajemnie na siebie, czego efektem jest całkiem odmienne „zachowanie się sytemu” od spodziewanego.

Typowymi objawami takiej nieprawidłowej sytuacji mogą być:

• duże wahania temperatury w regulowanym pomieszczeniu,
• hałasy występujące w instalacji,
• syndrom niskiej temperatury powrotu (niska wydajność agregatów wody lodowej),
• nadprzepływy w instalacji,
• wysokie koszty eksploatacyjne (koszty pompowania),
• inne od założonych wydatki urządzeń chłodzących lub grzewczych,
• krótka żywotność zaworów regulacyjnych (kawitacja, szybkie zużywanie się napędów),
• konieczność częstego powtarzania równoważenia instalacji,
• niedogrzane (niedochłodzone) obiegi krytyczne.

Regulacja i równoważenie – wskazówki projektowe

Ze względu na wymienione powyżej nieprawidłowości konieczna jest całościowa analiza pracy instalacji jako systemu ze wzajemnym oddziaływaniem elementów istotnych dla komfortu i zużycia energii.

Warto przyjrzeć się typowej instalacji chłodzącej. Istotnymi jej elementami są:

• przygotowanie czynnika grzewczego/chłodzącego np. w węzłach cieplnych/agregatach wody lodowej,
• pompy wraz z systemem dystrybucji,
• odbiorniki końcowe (TU), np. grzejniki, klimakonwektory (FCU), centrale wentylacyjne (AHU), belki sufitowe,
• zawory regulacyjne (CV), np. przygrzejnikowe zawory termostatyczne,
• zawory równoważące (BV),
• elementy sterujące.

Poprawne zrównoważenie hydrauliczne instalacji powinno zapewnić obliczeniowe przepływy w każdym odbiorniku końcowym (TU) dla w pełni otwartych zaworów regulacyjnych (CV).

Ten fakt jest często pomijany. Najlepsze zawory nie będą w stanie właściwie regulować, jeśli nie zapewnimy im odpowiedniej ilości czynnika oraz właściwych warunków pracy.

Klasycznym błędem często popełnianym przez inwestora przy realizacji projektów jest rozdzielenie regulacji i hydraulicznego równoważenia między firmy wykonawcze. W przypadku nieprawidłowości w funkcjonowaniu instalacji (zazwyczaj jest to stwierdzane na podstawie pomiaru temperatury w regulowanych pomieszczeniach) pierwsze uwagi kierowane są pod adresem firmy odpowiedzialnej za część regulacyjną. Tymczasem często problem leży po stronie nieodpowiedniego zrównoważenia instalacji. Istotne jest nie tylko stosowanie w instalacji armatury równoważącej (BV), lecz również wybór właściwego typu zaworów oraz zastosowanie ich w odpowiednim miejscu.

Przyjmijmy, że instalacja została zbilansowana poprawnie, z odpowiednio obliczonymi stratami i zyskami ciepła, na podstawie których dokonano doboru urządzeń końcowych (grzewczych i chłodzących) z założeniem odpowiedniego ΔT na poszczególnych odbiornikach (różnicy temperatury zasilania i powrotu).

Na podstawie znanych obciążeń cieplnych i chłodniczych należy zaprojektować system dystrybucji czynnika (rurociągi), przyjąć stosowne założenia, jak maksymalne prędkości przepływu czynnika w rurociągu lub inne kryterium, takie jak maksymalne dopuszczalne spadki ciśnienia na metr bieżący rurociągu (kryteria te zazwyczaj deklarujemy na pierwszym etapie obliczeń z wykorzystaniem komputerowych programów obliczeniowych).

Instalacja stało- czy zmiennoprzepływowa?

Następnym etapem jest dobór zaworów regulacyjnych oraz równoważących. Przed dokonaniem wyboru konkretnej armatury regulacyjnej (CV) i równoważącej (BV) przede wszystkim należy określić, czy projektowana instalacja będzie stało- czy zmiennoprzepływowa.

Instalacja stałoprzepływowa, gdy...

W przypadku instalacji chłodniczych trzydrogowe zawory regulacyjne nadają jej charakter stałoprzepływowy, tzn. niezależnie od obciążenia odbiornika (emisji ciepła lub chłodu) w obiegu zawsze mamy stały przepływ (100% – rys. 1). Jeśli instalacje grzewcze nie są wyposażone w zawory termostatyczne bądź inne zawory regulacyjne, również są stałoprzepływowe.

Wady układów stałoprzepływowych

Już klika lat temu zwracaliśmy uwagę Czytelników na fakt, że układy stałoprzepływowe okres powszechnego stosowania mają za sobą – tym bardziej teraz warto ponownie przypomnieć, dlaczego tak się stało. Główne przyczyny tego faktu to:

• wysokie koszty eksploatacji spowodowane kosztami pompowania;
• duże straty ciepła dla instalacji grzewczych (zyski dla instalacji chłodniczych) ze względu na wysoką (niską) temperaturę powrotu;
• konieczność tradycyjnego wymiarowania i doboru zaworów (wymagane obliczenia Kvs, nastaw zaworów MBV i częściowo AFBV);

• konieczność przeprowadzenia tzw. równoważenia instalacji na podstawie pomiarów przepływów (pracochłonne metody o małym stopniu dokładności);
• trudności z optymalizacją pracy pompy (wymagana metoda kompensacyjna przy równoważeniu dla MBV);
• w metodzie kompensacyjnej konieczność stosowania dodatkowych dużych średnic ręcznych zaworów równoważących na gałęziach, pionach, tzw. zawory partner;
• ze względu na wymagania dotyczące odpowiedniej liczby zaworów równoważących koszty całkowite takiej instalacji mogą być znacznie większe niż instalacji z zaworami automatycznymi (AFBV czy MBV).

O finalnych kosztach decydują zazwyczaj drogie zawory o dużych średnicach dla dużych instalacji, np. DN 250, 300 itd.

Istotne jest porównanie całkowitych kosztów inwestycyjnych, a nie tylko kosztów ręcznych zaworów równoważących (MBV) do automatycznych zaworów równoważących (np. AFBV, przykłady fot. 1 i fot. 2).

Rola zaworów regulacyjnych i równoważących

Nie wchodząc na razie w szczegóły schematu przedstawionego na rys. 2, warto zwrócić uwagę na konieczność stosowania dwóch funkcjonalnie różnych zaworów, mianowicie zaworów regulacyjnych (CV – Control Valves) i zaworów równoważących (BV – Balancing Valves).

Niestety, wciąż spotyka się opracowania, w których pomijane są zawory BV, a funkcja hydraulicznego zrównoważenia „zrzucana” jest na zawory regulacyjne CV.

Jednak zawory regulacyjne absolutnie nie mogą być wykorzystywane do tych celów – jedynie zawory o bardzo wysokim zakresie regulacji > 1:200 lub zawory kombinowane (regulacyjno-równoważące) niezależne od ciśnienia.

Każdy z zaworów ma do spełnienia inną funkcję:

• CV – zawór regulacyjny odpowiedzialny za poprawną regulację przepływu medium przez odbiornik, czyli finalny wpływ na regulację temperatury powietrza w pomieszczeniu,
• BV – zawór równoważący odpowiedzialny za właściwe hydrauliczne zrównoważenie instalacji, czyli poprawny rozdział medium w całej instalacji.

Dlaczego układy zmiennoprzepływowe?

Badania przeprowadzone w wielu krajach, a polegające na zmianie instalacji stałoprzepływowych w zmiennoprzepływowe potwierdziły celowość takich działań zarówno ze względu na uzyskiwane oszczędności eksploatacyjne (czyli zwrot nakładów poniesionych w okresie od 1 roku do 4 lat), jak i z powodu uzyskiwanego komfortu regulacji temperatury, który pośrednio wpływa również na wydajność pracy oraz zadowolenie użytkownika.

Szczegółowe analizy ekonomiczne wykraczają poza zakres tego opracowania, skoncentrujmy się zatem na analizie technicznej rozwiązań stosowanych w układach zmiennoprzepływowych.

Instalacje grzewcze i chłodnicze, w których regulacja odbywa się za pośrednictwem regulacyjnych zaworów dwudrogowych, nazywamy instalacjami zmiennoprzepływowymi (rys. 3 i rys. 4).

Zasadniczą korzyścią wynikającą z zastosowania takich instalacji jest zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych z jednoczesnym zwiększeniem komfortu cieplnego (właściwy rozkład temperatur w budynku).

Zmienny przepływ w instalacji jest przyczyną powstania „nowych” zjawisk, które zasadniczo nie występowały w układach stałoprzepływowych, a ponieważ determinują one określone rozwiązania, zrozumienie ich jest istotnym czynnikiem wpływającym na zapewnienie prawidłowej pracy takich systemów.

Zmodernizujmy zatem naszą instalację chłodu (rys. 1), zastępując zawory trzydrogowe zaworami dwudrogowymi (typu PIBCV – Pressure Independent Balancing Control Valve – rys. 7).

Dodatkowo wprowadzimy płynną regulację prędkości obrotowej pomp (VLT) sterowaną sygnałem ciśnienia z przetwornika ciśnienia ∆p umieszczonego w obiegu krytycznym (w tym wypadku ostatni odbiornik) oraz zapewnimy minimalny wymagany przepływ przez agregaty (chillery) zaworem na by-passie sterowanym sygnałem FT.

Na wstępie przeanalizujmy rozkład ciśnienia panującego w instalacji, gdyż jest ono źródłem wielu problemów i częstej niepoprawnej pracy systemu.

Wysokość podnoszenia pompy obliczmy, sumując spadki ciśnienia w obiegu krytycznym dla rurociągów zasilających i powrotnych oraz spadki ciśnienia w krytycznym obiegu odbiornika (rys. 8).

Korzystając ze ścieżki postępowania przedstawionej na rys. 5 i rys. 6, możemy wyspecyfikować dla instalacji grzewczych i chłodniczych różne typy zaworów równoważących, ale w niniejszym opracowaniu skupimy się wyłącznie na rozwiązaniach automatycznych z powodów wymienionych wcześniej. Natomiast jeżeli ktoś z Czytelników będzie zainteresowany ze względów poznawczych rozwiązaniami ręcznymi, odsyłamy do wcześniejszego artykułu [1].

Równoważenie automatycznymi zaworami typu ograniczniki stałego przepływu (AFBV)

Instalacja z zaworami AFBV (Automatic Flow Balancing Valves) jest równoważona w sposób automatyczny. Nie ma tu konieczności stosowania zaworów na pionach czy też głównych rurociągach – równoważenie sprowadza się do zapewnienia odpowiednich przepływów bezpośrednio na odbiornikach.

Na rynku można spotkać dwa typy automatycznych ograniczników przepływów, jednak w artykule omówimy rozwiązanie nowocześniejsze, prostsze w doborze i bardziej komfortowe w użyciu czyli PIBCV (o rozwiązaniu starszym, czyli o AFBV – z wkładką i kryzą, tzw. cartridge, szerzej w [1]).

AFBV – z automatyczną funkcją równoważenia oraz regulacji przepływu (PIBCV)

Wielofunkcyjne zawory regulacyjne z automatyczną funkcją równoważenia utrzymują stały przepływ niezależnie do spadku ciśnienia – dzięki stałemu spadkowi ciśnienia na elemencie regulacyjnym utrzymujemy stały przepływ niezależnie od wahań ciśnienia w instalacji.

Utrzymanie stałego przepływu możliwe jest dzięki wbudowaniu w zawór membranowego regulatora stałego ciśnienia (rys. 7), który utrzymuje stałą wielkość spadku ciśnienia (p2–p3) niezależnie do wahania ciśnienia p1.

Zawory tego typu również należą do grupy zaworów bezpośredniego działania, jednak ze względu na specjalną konstrukcję minimalny wymagany spadek ciśnienia jest niski (np. 16 kPa) i nie zależy od nastawy przepływu na zaworze.

Zazwyczaj zawory charakteryzują się płynnym i szerokim zakresem nastaw wyrażonym w procentach wartości maksymalnej. Ułatwia to dobór, gdyż po zapewnieniu minimalnego spadku ciśnienia sprawdzić należy jedynie, czy dla danej średnicy zaworu „mieścimy” się w zakresie żądanego przepływu.

Producenci powyższych rozwiązań oferują zazwyczaj zawory AFBV z możliwością bezpośredniego odczytu wartości przepływu ze skali nastaw oraz w wyposażeniu standardowym króćce pomiarowe, przydatne do weryfikacji minimalnych wymaganych spadków, co gwarantuje poprawną pracę zaworu, czyli utrzymanie stałego przepływu.

Ponadto funkcja pomiarowa umożliwia wykonanie szybkiej optymalizacji pracy pompy na podstawie pomiarów dokonanych jedynie w obiegu krytycznym. Podstawowe kryteria dla zaworów typu AFBV to:

• możliwość płynnej nastawy wartości przepływu (najlepiej bez konieczności spuszczania wody z instalacji i otwierania zaworu, wymiany kryzy itd.);
• minimalne wymagane ciśnienie, które rzutuje na koszty eksploatacyjne (im mniejsze, tym lepiej);
• maksymalny dopuszczalny spadek ciśnienia, dla którego zawór utrzymuje stały przepływ w granicach dopuszczalnego błędu (im większy, tym lepiej; ma to kolosalne znaczenie dla dużych, rozległych instalacji o wysokim ciśnieniu podnoszenia pompy);
• możliwość odczytu na zewnątrz wartości nastawionego przepływu;
• funkcje odcięcia przepływu bezpośrednio na zaworze oraz możliwość dokonania pomiaru (króćce pomiarowe) to dodatkowe atrybuty.

Równoważenie automatycznymi zaworami typu regulatory różnicy ciśnienia (DPC)

Regulatory różnicy ciśnienia (Difference Pressure Controller) przeznaczone są do automatycznego równoważenia instalacji grzewczych i klimatyzacyjnych. Oznacza to ciągłe równoważenie przy zmiennym obciążeniu (od 0 do 100%) poprzez kontrolę ciśnienia dyspozycyjnego w systemach ze zmiennym przepływem (rys. 9).

Używając zaworów DPC (fot. 3), eliminujemy konieczność przeprowadzenia czasochłonnych pomiarów w celu zrównoważenia instalacji podczas uruchamiania. Automatyczne równoważenie instalacji przynosi także oszczędności energii dzięki poprawie warunków pracy zaworów regulacyjnych (np. termostatycznych zaworów regulacyjnych).

Korzyści wynikające z zastosowania automatycznego regulatora różnicy ciśnienia:

• ograniczenie przepływu (osiągane dzięki użyciu kombinacji automatycznego ogranicznika ciśnienia, ASV i zaworu regulacyjnego urządzenia końcowego);
• oszczędności energii i co za tym idzie – kosztów eksploatacji;
• redukcja hałasu (ograniczenie ciśnienia dyspozycyjnego zapobiega wzrostowi ciśnienia na zaworze regulacyjnym przy częściowych obciążeniach, co z kolei zapobiega zwiększeniu emisji hałasu);
• brak potrzeby stosowania tradycyjnych metod równoważenia przy uruchamianiu instalacji;
• możliwość podzielenia instalacji na niemające na siebie wpływu obiegi.

Pozwala to na przebudowę instalacji bez kolejnego jej równoważenia. Nie ma potrzeby wykonywania ręcznego równoważenia za każdym razem, gdy wprowadzamy zmiany w naszej instalacji, ponieważ system jest równoważony automatycznie.

Równoważenie i regulacja wielofunkcyjnymi zaworami automatycznymi typu regulatory różnicy ciśnienia (DPCWFL)

To wielofunkcyjne automatyczne zawory równoważące z ogranicznikiem przepływu (Difference Pressure Controler With Integrated Flow Limiter). W kompaktowym korpusie zaworu realizowane są funkcje trzech urządzeń:

1. regulatora różnicy ciśnień,
2. zaworu regulacyjnego o charakterystyce liniowej,
3. automatycznego ogranicznika przepływu.

Korzyści wynikające z zastosowania wielofunkcyjnego regulatora różnicy ciśnienia:

Równoważenie i regulacja automatycznymi zaworami typu termostatyczny zawór dynamiczny (DTRV)

Termostatyczny zawór dynamiczny (Dynamic Thermostatic Radiator Valve) to termostatyczny zawór grzejnikowy ze wbudowanym regulatorem niezależnym od zmian ciśnienia, ­zapewniający precyzyjną kontrolę temperatury i automatyczne równoważenie hydrauliczne. Montowany jest bezpośrednio przy każdym grzejniku, bez konieczności stosowania na pionach czy poziomach jakichkolwiek innych zaworów równoważących, zapewnia automatyczne równoważenie hydrauliczne w całym systemie grzewczym, bez względu na to jak zmienia się obciążenie cieplne systemu.

Wbudowany w zawór automatyczny regulator różnicy ciśnień utrzymuje stałe ciśnienie na zaworze regulacyjnym. Termostatyczny zawór dynamiczny jest niezależny od zmian ciśnienia, co sprawia, że przepływ medium przez grzejnik zawsze utrzymuje się na wymaganym poziomie (patrz: rys. 10). Zawór wyposażony jest w automatyczny ogranicznik przepływu, który ogranicza maksymalny przepływ medium w zakresie od 25 do 135 l/h, w zależności od wykonanej nastawy. Ustawienia przepływu dokonuje się za pomocą pierścienia nastawy wstępnej.

Korzyści wynikające z zastosowania dynamicznego zaworu grzejnikowego:

Podsumowanie

W cyku artykułów opisane zostaną zalecane rozwiązania techniczne dotyczące wodnych instalacji ogrzewania i chłodzenia w budynkach mieszkaniowych oraz obiektach niemieszkaniowych.

Biorąc pod uwagę wszystkie uwarunkowania oraz wymagania wobec nowoczesnych instalacji tego typu, wybór systemu ze zmiennym przepływem i z automatycznymi zaworami równoważącymi jest jednym z podstawowych kryteriów, którymi należy się kierować przy wyborze optymalnego i poprawnego rozwiązania.

Uzupełnieniem artykułu są webinaria prowadzone przez specjalistów firmy Danfoss – zapraszamy do zapoznania się z tematyką webinariów, które już się odbyły, oraz zachęcamy do uczestnictwa w kolejnych – więcej na stronach http://wsparcie-projektanta.pl.

Wsparcie projektowe można też uzyskać na stronie http://wsparcie-projektanta.pl/weryfikacja-projektow/.

Literatura

1. Jędrzejewski M., Brzoza S., Regulacja i równoważenie w wodnych instalacjach grzewczych i chłodniczych. Cz. 1. Wymagania, funkcje i dobór właściwego rozwiązania, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2009.
2. Jędrzejewski M., Brzoza S., Regulacja i równoważenie w wodnych instalacjach grzewczych i chłodniczych. Cz. 2. Systemy HVAC – aplikacje rekomendowane i niezalecane, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2009.
3. Materiały techniczne firmy Danfoss.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!