Regulacja i równoważenie w instalacjach grzewczych i chłodniczych. Wymagania, funkcje i dobór właściwego rozwiązania (cz. 1)

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 błędem w projektowaniu jest analiza (dobór) pojedynczych elementów instalacji (chillerów, fan coili, zaworów regulacyjnych, zaworów równoważących itd.) z pominięciem faktu, że elementy te oddziałują wzajemnie na siebie, czego efektem jest całkiem odmienne „zachowanie się systemu” 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 chillerów),

• nadprzepływy w instalacji,

• wysokie koszty eksploatacyjne (koszty pompowania),

• inne od założonych wydatki urządzeń chłodzących lub grzewczych,

• krotka żywotność zaworów regulacyjnych (kawitacja, szybkie zużywanie się napędów),

• konieczność częstego powtarzania równoważenia instalacji,

• niedogrzane (niedochłodzone) obiegi krytyczne.

Interesują Cię wymagania jakości powietrza na 2021? Pobierz bezpłatny e- book »

Regulacja a równoważenie – wskazówki projektowe

Ze względu na wymienione powyżej nieprawidłowości konieczna jest całościowa analiza instalacji jako systemu ze wzajemnym oddziaływaniem elementów istotnych dla komfortu i zużycia energii. Warto przyjrzeć się typowej instalacji chłodzącej. Istotnymi jej elementami są:

• produkcja czynnika chłodzącego np. w chillerach,

• pompy wraz z systemem dystrybucji,

• odbiorniki końcowe (TU), jak: klimatyzatory (FCU), centrale wentylacyjne (AHU), belki sufitowe,

• zawory regulacyjne (CV),

• zawory równoważące (BV),

• elementy sterujące.

Analogicznie dla instalacji grzewczej:

• produkcja czynnika grzejnego np. w kotle,

• pompy wraz z systemem dystrybucji,

• odbiorniki końcowe (TU), np. grzejniki,

• zawory regulacyjne, np. zawory termostatyczne (CV),

• zawory równoważące (BV).

Poprawne zrównoważenie hydrauliczne instalacji powinno zapewnić obliczeniowe przepływy w każdym odbiorniku końcowym (TU – Terminal Unit) dla w pełni otwartych zaworów regulacyjnych (CV). Ten fakt jest często pomijany! Najlepsze zawory regulacyjne nie będą w stanie właściwie regulować, jeśli nie zapewnimy im odpowiedniej ilości czynnika.

Klasycznym błędem często popełnianym przez inwestora w 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 oskarżenia kierowane są pod adresem firmy odpowiedzialnej za cześć regulacyjną. Tymczasem problem leży po stronie nieodpowiedniego zrównoważenia instalacji i... tu zaczynają się tzw. przepychanki (których scenariusz w tym artykule pominiemy).

Istotne jest nie tylko stosowanie w instalacji zaworów równoważących 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 też 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 konkretnego CV i BV przede wszystkim należy określić, czy projektowana instalacja będzie stało- czy zmiennoprzepływowa.

Instalacja jest stałoprzepływowa, gdy...

W przypadku instalacji chłodniczych trzydrogowe zawory regulacyjne nadają instalacji 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 dwudrogowe, również są stałoprzepływowe.

Wady układów stałoprzepływowych

Jednak układy stałoprzepływowe okres powszechnego stosowania mają już raczej za sobą. 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 odpowiedniej liczby zaworów równoważących koszty całkowite takiej instalacji mogą być znacznie większe niż instalacji z zaworami automatycznymi (AFBV czy MBV).

O 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 zaworów MBV do zaworów AFBV.

Rola zaworów regulacyjnych i równoważących

Nie wchodząc na razie w szczegóły schematu przedstawionego na rysunku 2, warto zwrócić uwagę na konieczność stosowania dwóch funkcjonalnie rożnych zaworów. Mianowicie zaworów regulacyjnych (CV – Control Valves) i zaworów równoważących (BV – Balancing Valves). Niestety, wciąż spotka się projekty, w których pomijane są zawory BV, a funkcja hydraulicznego zrównoważenia „zrzucana” jest na zawory regulacyjne CV. Jednak tradycyjne zawory regulacyjne absolutnie nie mogą być wykorzystywane do tych celów – jedynie zawory o bardzo wysokim zakresie regulacji > 1: 200 (reangeability) lub zawory kombinowane niezależne od ciśnienia. Każdy z zaworów ma do spełnienia inną funkcję:

• CV – zawór regulacyjny odpowiedzialny za poprawną regulację temperatury,

• BV – zawór równoważący odpowiedzialny za właściwe hydrauliczne zrównoważenie instalacji.

Dlaczego układy zmiennoprzepływowe

Badania przeprowadzone w wielu krajach polegające na zmianie instalacji stałoprzepływowych w zmiennoprzepływowe potwierdziły celowość takich działań zarówno ze względu na uzyskiwane oszczędności eksploatacyjne (tzw. pay-back time, czyli zwrot nakładów poniesionych w okresie od 1 roku do 4 lat), jak i z powodu uzyskiwanego komfortu regulacji, 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).

Zasadniczą korzyścią wynikającą z zastosowania takich instalacji jest zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych z jednoczesnym podniesieniem komfortu cieplnego (równego rozkładowi temperatury 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, rys. 10).

Dodatkowo wprowadzimy płynną regulację prędkości obrotowej pomp (VLT) sterowaną sygnałem ciśnienia z przetwornika ciśnienia Δp 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. 4).

Korzystając z nomogramów (rys. 5, 6) możemy wyspecyfikować do instalacji grzewczych i chłodniczych następujące zawory równoważące:

• ręczne zawory równoważące,

• automatyczne zawory równoważące typu ograniczniki przepływu.

Równoważenie ręcznymi zaworami równoważącymi (MBV – Manual Balancing Valves)

Zawory ręczne równoważące są powszechnie stosowane od kilkudziesięciu lat, toteż pominiemy ich dokładny opis, zwracając jedynie uwagę na kilka mniej znanych cech, które mają duże znaczenie dla poprawnego równoważenia i pracy układu. Projektując zatem taki układ, należy wiedzieć, że:

• pracochłonne równoważenie ręcznymi zaworami metodą pomiarową często nie gwarantuje odpowiedniej dokładności. Samo podstawowe założenie równoważenia to osiągnięcie przepływów na poziomie dokładności }10%;

• zawory ręczne wymagają obliczeń hydraulicznych zarówno dla zaworów regulacyjnych (określenie Kvs oraz autorytetu), jak i dla zaworów równoważących (Kvs oraz nastawy zaworów na podstawie znajomości spadku ciśnienia oraz przepływu);

• optymalizacja pompy jest trudna do przeprowadzenia, wymaga stosownej liczby zaworów oraz osób doświadczonych w przeprowadzeniu równoważenia;

• zawory regulacyjne zazwyczaj nie spełniają kryteriów autorytetów ze względu na różny stopień otwarcia; pracują raczej przy niskich autorytetach;

• występuje konieczność stosowania kosztownych dużych średnic zaworów na pionach czy też głównych rurociągach rozprowadzających (tzw. zawory partner);

• dla odbiorników końcowych o dużych spadkach ciśnienia (można założyć, że dla spadków ciśnienia na odbiornikach powyżej 20% ciśnienia dyspozycyjnego dla obiegu), należy zamontować dodatkowe zawory równoważące na by-passie w celu zrównoważenia oporu odbiornika;

• występuje konieczność stosowania odpowiednio mocnych siłowników dla zaworów trójdrogowych (ciśnienie zamknięcia 3 bary);

• każda rozbudowa, modernizacja czy zmiana wydajności odbiorników wymaga ponownego równoważenia instalacji;

• zalecane jest także ponowne równoważenie instalacji po dłuższym okresie jej eksploatacji ze względu na zmieniające się opory przepływu w wyniku zarastania czy osadzania się zanieczyszczeń w instalacji.

Ręczne zawory równoważące (MBV) powinny charakteryzować się:

• nastawą wstępną poprzez zmianę położenia grzybka zaworu względem gniazda,

• możliwością odczytu nastawy wstępnej ze skali nastaw,

• blokadą nastawy wstępnej,

• króćcami pomiarowymi,

• kurkiem spustowym,

• funkcją zamknięcia zaworu (tzw. shut-off).

Zasadniczo wszystkie oferowane zawory na rynku mają te cechy. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na wersje zaworów z tzw. Wbudowaną kryzą pomiarową. Jest to cecha zaworu, która w zasadniczy sposób poprawia dokładność pomiarową, bardzo istotną podczas realizowania nastaw wstępnych w pełnym zakresie regulacyjnym. Króćce pomiarowe umieszczone w MBV służą do pomiaru spadku ciśnienia i przepływu.

W tradycyjnych zaworach spadek ciśnienia mierzony jest za pomocą króćców pomiarowych pomiędzy dwoma punktami pomiarowymi – jest to spadek ciśnienia na grzybku i gnieździe zaworu. Wtedy dokładność pomiarowa zależna jest od wartości nastawy wstępnej i zgodnie z wykresem (rys. 7) spada ona powyżej 10% dla nastaw poniżej 40% wartości nastawy.

Upraszczając, dla zaworu z maksymalną nastawą np. 3,2 wszystkie nastawy poniżej 1,2 będą obarczone błędem pomiarowym powyżej 10%! Jest to bardzo często spotkany błąd w projektowaniu, gdy zalecane nastawy wynoszą często 20 czy 30% wartości maksymalnej – dokładność pomiarowa, jakiej możemy oczekiwać za pomocą metody praktycznej, może być na poziomie 12–14%. Dla zaworów z wbudowaną kryzą pomiar spadku ciśnienia (przepływu) dokonywany jest na kryzie.

Zatem dokładność pomiaru nie zależy od wartości nastawy (jest wartością stałą w całym zakresie nastaw). Analizując powyższe zależności, należy stwierdzić, że:

• dla tradycyjnych zaworów równoważących nie powinno dobierać się nastaw mniejszych niż 40% wartości maks., aby zapewnić dokładność pomiarową poniżej 10%;

• dla zaworów z wbudowaną kryzą powyższa zasada nie obowiązuje, gdyż w całym przedziale nastaw mamy gwarantowaną dokładność 5%;

• nastawy zaworów ręcznych dla obiegów krytycznych powinny być projektowane dla minimalnych spadków ciśnienia gwarantujących możliwość dokonania poprawnego pomiaru, czyli dla wartości 3 kPa. Większe spadki ciśnienia zapewniają dokładny pomiar, ale z punktu energooszczędności nie są optymalne (dodatkowe koszty pompowania).

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. Można wyróżnić dwa typy automatycznych ograniczników przepływów, wymagające rożnego podejścia.

AFBV – typ z wkładką i kryzą (tzw. Cartridge)

Zasada działania takiego zaworu jest oparta na zmianie wartości współczynnika Kv dla zmiany spadku ciśnienia na zaworze. I tak wzrost spadku ciśnienia automatycznie pociąga za sobą spadek Kv zaworu i dzięki temu zawór utrzymuje stały przepływ

Q = kv ↓ × dp ↑⇔ cons tant

Zawory AFBV dobierane są do żądanego przepływu. Należy dokonać doboru rodzaju wkładki oraz wielkości kryzy na podstawie znanego przepływu obliczeniowego. We wkładkach metalowych zmiana przepływu może być zrealizowana jedynie poprzez wymianę kryzy, decydując się zaś na wkładkę z tworzywa sztucznego, należy wybrać taką, dla której żądany przepływ mieści się w zakresie nastaw dla danego typu.

W obydwu przypadkach zmiany przepływu wymagają konieczności odwodnienia systemu i „otwarcia” zaworu w celu zmiany nastawy (dla wkładek z tworzywa) lub wymiany kryzy. Ponieważ ta grupa zaworów należy do tzw. zaworów bezpośredniego działania (self action valves), wymagają one zapewnienia minimalnego spadku ciśnienia na zaworze w celu utrzymania żądanego przepływu.

Pod ciśnieniem mniejszym niż wymagana wielkość zawory te po prostu nie spełniają swojej funkcji i przepływ przez zawór jest nieokreślony, zawsze jednak poniżej oczekiwanej wartości. Niestety, nie można zdefiniować jednej wartości minimalnego spadku ciśnienia – zmienia się ona w zakresie od 7 do nawet 48 kPa i zależy od średnicy zaworu, rodzaju wkładki oraz kryzy. Jest to dodatkowe utrudnienie dla projektanta w razie stosowania różnych średnic i różnych wkładek, gdyż może wpływać na wybór obiegu krytycznego i dobór pompy w celu zapewnienia minimalnego przepływu dla każdego zaworu.

Stosunkowo duże wymagania minimalnego spadku ciśnienia (powyżej 30 kPa) mają wpływ na koszty eksploatacyjne (koszty pompowania). Szeroki zakres pracy, jeśli chodzi o dopuszczalne maksymalne spadki ciśnienia (400 kPa), odnosi się jedynie do wszystkich typów wkładek metalowych, dla wkładek z tworzyw sztucznych zakresy są różne i zależą od ich rodzaju (np. 210 kPa).

Odczytanie wartości przepływu dla tego typu zaworu jest niemożliwe ze względu na brak skalowania (wymagane są ręczne oznaczenia na kartach identyfikacyjnych, np. w trakcie montażu), jak również nie jest możliwy bezpośredni pomiar przepływu za pomocą urządzenia pomiarowego (króćce pomiarowe służą jedynie do weryfikacji i pomiaru spadku ciśnienia), jednak zawory charakteryzują się stosunkowo dużą dokładnością regulacji wynoszącą 5% (poniżej dopuszczalnych spadków ciśnienia).

Małe średnice (kryzy dla małych przepływów) są stosunkowo wrażliwe na zanieczyszczenia, dlatego zalecane jest płukanie instalacji przed zamontowaniem wkładki oraz stosowanie filtrów.

AFBV – typ z automatyczną funkcją równoważenia (PIBCV)

Wielofunkcyjne zawory regulacyjne z automatyczną funkcją równoważenia utrzymują stały przepływ niezależnie do spadku ciśnienia, ale zasada działania takiego zaworu jest zupełnie inna od wyżej opisanego rozwiązania. Mianowicie dzięki utrzymaniu stałego spadku ciśnienia na elemencie regulowanym (nastawna kryza) utrzymujemy stały przepływ niezależnie od wahań ciśnienia w instalacji

Q = kv(const.)× dp(const.)⇔const.

Utrzymanie stałego przepływu możliwe jest dzięki wbudowaniu w zawór membranowego regulatora stałego ciśnienia (rys. 10), który utrzymuje stałą wielkość spadku ciśnienia (p2–p3) niezależnie do wahania ciśnienia p1. Zawory tego typu również należą do grupy zaworów bezpośredniego działania, jednakże ze względu na inną konstrukcję minimalny wymagany spadek ciśnienia jest mniejszy (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 dokonanie 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.