envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement










1aArtykuł jest kontynuacją cyklu poświęconego regulacji hydraulicznej instalacji ogrzewczych w kontekście ich efektywności i komfortu użytkowego. W poprzednich odcinkach cyklu* poruszyłem zagadnienia teoretyczne związane z urządzeniami służącymi do statycznego i dynamicznego równoważenia hydraulicznego. W tym artykule zaprezentuję obliczenia praktyczne doboru wybranych urządzeń i ich parametrów oraz ekonomiczne efekty ich stosowania.

25Przykłady obliczeniowe
Nic tak dobrze jak konkretne sytuacje projektowe i konkretne cele, jakie chce się w nich osiągnąć, nie zilustruje specyfiki działania urządzeń regulacyjnych, o których pisałem w ramach naszego cyklu*. Dlatego, dopełniając ich charakterystykę, poniżej przedstawiam kilka praktycznych przykładów obliczeniowych służących doborowi zaworów równoważących.

Przykład 1:
Zadanie. W systemie ogrzewczym wyposażonym w termoregulatory grzejnikowe pracuje pompa o znanej charakterystyce dławienia. Należy dobrać zawór nadmiarowo-upustowy zamontowany tuż za pompą tak, aby zabezpieczał przed wzrostem ciśnienia czynnego w układzie powyżej wartości dopuszczalnej 25 kPa. Schemat układu i charakterystyki dobranej pompy oraz rozpatrywanych zaworów nadmiarowo- upustowych (w naszym przykładzie są to zawory firmy Danfoss: AVDO 15 i AVDO 20) prezentują rys. 1 i 2. 26
Rozwiązanie. Przy takiej lokalizacji zaworu (rys. 1a) spadek ciśnienia na odcinku kocioł-pompa-zawór-kocioł można pominąć, gdyż jest on relatywnie niewielki. Z charakterystyki dławienia pompy (rys. 1b) widać, że dla maksymalnej dopuszczalnej wartości różnicy ciśnień na poziomie 25 kPa = 0,25 bar jej wydajność wynosi około: V· = 1,9 m3/h. Dobrany zawór musi więc zapewniać taką właśnie przepustowość dla podanej różnicy ciśnień. Z uwagi na proporcjonalny charakter działania oznaczać to będzie, że nastawiony musi być na niższą wartość ciśnienia początku otwarcia (zerowego przepływu), jak zaznaczono na rys. 3. Należy dobrać wartość nastawy różnicy ciśnień kolejno na poziomie 0,05 bar i 0,1 bar (dla dwóch prezentowanych zaworów). 27
Parametry w przykładzie zostały dobrane tak, aby oba zawory spełniały warunki zadania. Zawór mniejszy, AVDO 15, pracuje jednak już na granicy swojej przepustowości, przy prawie pełnym otwarciu. Gdyby okazało się, że wymagany strumień czynnika, dla danej wartości różnicy ciśnień w układzie jest wyższy, należałoby albo dobrać większy zawór (o większej przepustowości), albo połączyć dwa zawory równolegle.

28Przykład 2:
Zadanie. W systemie ogrzewczym wyposażonym w termoregulatory grzejnikowe pracuje pompa o znanej charakterystyce dławienia. Należy dobrać zawór nadmiarowo- upustowy zamontowany za pompą tak, aby zapewniał minimalne krążenie czynnika przez sieć pierwotną (kocioł i pompę) na poziomie V· = 0,5 m3/h, w przypadku zamknięcia się termoregulatorów we wtórnej części sieci. Schemat układu i charakterystyki dobranej pompy oraz rozpatrywanego zaworu są takie same jak w przykładzie 1.29

Rozwiązanie. Nanosząc wymaganą, minimalną wartość strumienia czynnika na wykres charakterystyki dławienia pompy otrzymuje się wartość ciśnienia na poziomie około 0,4 bar (rys. 4). Należy zatem dobrać zawór i taką jego nastawę, która zapewni wymagany przepływ przy takiej wartości różnicy ciśnień (ciśnienia czynnego pompy). Zgodnie z rys. 5 są to wartości nastaw kolejno: 0,35 bar i 0,37 bar. 30
Jeśli jednocześnie mają być spełnione oba warunki, tj. utrzymania co najmniej określonej, minimalnej wartości strumienia czynnika oraz nieprzekraczania określonej, dopuszczalnej wartości ciśnienia, to należy zawór nastawić według tego warunku, dla którego wymagane ciśnienie początku otwarcia jest niższe.

Przykład 3:
Zadanie. Należy dobrać stabilizator różnicy ciśnień i jego nastawę dla następujących danych:

  • zawór ma mieć możliwość pracy zarówno jako zamykający się, jak i jako otwierający się w przedziale swojego użytecznego zakresu proporcjonalności Xp;
  • wymagana wartość stabilizowanej różnicy ciśnień: Δp = 250 mbar = 0,25 bar;
  • projektowa wartość strumienia czynnika: V· = 650 l/h = 0,65 m3/h;
  • należy rozpatrzyć zastosowanie zaworów Herz 4007 o średnicy nominalnej DN15 i DN25.

Rozwiązanie. Zgodnie z nomogramem charakterystyk hydraulicznych zaworów, zamieszczonym na rys. 6, widać, że obrany punkt pracy znajduje się w zakresie, w którym pracować mogą oba rozpatrywane zawory.

Nastawa różnicy ciśnień dla zaworu 4007 DN15 powinna wynosić Δp = 250 mbar, zaś dla zaworu 4007 DN25: Δp = 212 mbar. Jednak dla zaworu 4007 DN25 oznacza to punkt pracy niemal na początku jego charakterystyki, tj. przy niewielkim użytecznym zakresie proporcjonalności Xp i tym samym przy małym stopniu otwarcia, tj. małym wzniosie grzybka regulacyjnego nad gniazdem zaworu. Zawór będzie miał zatem możliwość zamykania się w niewielkim już ruchu grzybka, wchodząc w obszar niestabilnej pracy i niskiej jakości regulacji.

Dla zaworu 4007 DN15 punkt pracy wypada mniej więcej w połowie użytecznego zakresu proporcjonalności Xp, a więc zakres ruchu przypadający na zamykanie się i obniżanie różnicy ciśnień w sieci wtórnej oraz otwieranie się i zwiększanie różnicy ciśnień w sieci wtórnej jest podobny. Dlatego powinno się wybrać ten zawór. Konkretne wartości nie wynikają jednak tylko z podziału zakresu ruchu grzybka przy zamykaniu i otwieraniu, ale zależą także od przebiegu końcowej charakterystyki regulacyjnej zaworu, warunkowanej kształtem początkowej charakterystyki regulacyjnej i wartością autorytetu całkowitego ac zaworu.
Podział zakresów ruchu grzybka przy zamykaniu i otwieraniu się może więc nie odpowiadać – i niemal zawsze nie odpowiada – podziałowi stosunków strumieni czynnika i stabilizowanych wartości ciśnień w układzie. Opisano to szczegółowo w pracy [2].

Analiza ekonomiczna
Jak wspomniałem w pierwszej części naszego cyklu, stosowanie zaawansowanych urządzeń służących dynamicznemu równoważeniu hydraulicznemu może przekładać się nie tylko na poprawę warunków pracy instalacji i warunków komfortu cieplnego w pomieszczeniach, ale także na redukcję kosztów eksploatacyjnych. Analizy takie są powszechnie dostępne, jednak ich wyniki i konkluzje są mocno indywidualne, zależne od konkretnego przypadku. Wpływ na to mają zarówno czynniki klimatyczne i rozwiązania instalacyjne, jak i praktyki bytowe użytkowników oraz koszty poszczególnych składników analizy – energii, materiałów, usług itp.

31Charakterystyka analizowanych obiektów i warianty modernizacji. W pracy [1] zostały zaprezentowane wyniki i analiza pomiarów prowadzonych przez sześć sezonów ogrzewczych (po trzy sezony ogrzewcze przed i po modernizacji instalacji), w 16 budynkach wielorodzinnych zlokalizowanych w Lublinie. Były to budynki podobne do siebie, 5-kondygnacyjne, dobrze zaizolowane cieplnie (z wyjątkiem budynków B4, B5 i B6, które charakteryzowały się słabymi parametrami termoizolacyjnymi), wzniesione w latach 1959-1991. Instalacja ogrzewcza wyposażona była w grzejniki konwekcyjne, pompę o automatycznie regulowanych obrotach, regulację jakościową w oparciu o temperaturę zewnętrzną. Pracowała na parametrach projektowych wody (zasilanie/powrót) 80/60°C i zasilana była z sieci miejskiej, poprzez wymiennikowy węzeł cieplny. Założone do obliczeń temperatury projektowe zewnętrzna i wewnętrzna były na poziomie -20 °C i 20°C. Warunki zewnętrzne były dodatkowo przeliczone w oparciu o stopniodni i z zastosowaniem korekty klimatycznej, niwelując wpływ różnych wartości średnich temperatur zewnętrznych w poszczególnych sezonach ogrzewczych na wyniki analizy.

Budynki te przyporządkowane były do czterech grup (A, B, C, D), oddzielnie analizowanych i różniących się rodzajem zastosowanych urządzeń regulacyjnych, i/lub ich kombinacją:

  • grupę A stanowiły budynki, w których oryginalnie zastosowane były tylko odcinające zawory regulacyjne przy grzejnikach – zostały one wymienione na termoregulatory z głowicami termostatycznymi z czujnikami gazowymi, o zakresie proporcjonalności 2 K (wartość typowa). Za pomocą nastaw wstępnych tych termoregulatorów dokonane zostało ponadto równoważenie hydrauliczne instalacji;
  • grupę B stanowiły budynki, w których zastosowane już były termoregulatory grzejnikowe i dodatkowo zastosowano w nich stabilizatory różnicy ciśnień na pionach instalacyjnych;
  • grupę C stanowiły budynki, w których jednocześnie zastosowano termoregulatory grzejnikowe i stabilizatory różnicy ciśnień na pionach instalacyjnych. Równoważenie hydrauliczne dokonane było z użyciem obu typów urządzeń;
  • grupę D stanowił budynek, w którym zastosowane już były termoregulatory grzejnikowe i zamieniono je na termoregulatory grzejnikowe z „autobalansingiem”. 

Na rys. 7 pokazano, w uproszczeniu, rodzaj modernizacji dokonanej w instalacji w każdym z tych budynków.

Efekty modernizacji. W tabeli 1 zestawiono podstawowe dane analizowanych budynków oraz podano wartości procentowego spadku zużycia energii dla każdego z nich, policzonego w oparciu o porównanie średniego zużycia energii przez trzy sezony ogrzewcze przed modernizacją i trzy sezony ogrzewcze po modernizacji. Dodatkowo zebrano dane dotyczące prostego czasu zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych dla każdego z wariantów, podane w liczbie sezonów ogrzewczych, przy rynkowych cenach nośników energii, urządzeń i usług instalacyjnych.

! Z analizy danych zebranych w tabeli wynika, że w każdym z rozpatrywanych przypadków inwestycje w urządzenia regulacyjne zwracają się w bardzo krótkim czasie.

32Ponadto można zauważyć, że w przypadku równoczesnego zastosowania podpionowych stabilizatorów różnicy ciśnień i zaworów termostatycznych (wariant C) uzyskane oszczędności nie sumują się wprost. Jest to zrozumiałe z uwagi na fakt, że funkcje i efekty działania tych urządzeń pokrywają się w pewnym zakresie – redukcja nadmiaru strumienia czynnika dokonywana jest bądź przez stabilizację różnicy ciśnień na zaworach podpionowych, bądź poprzez przymykanie zaworu termostatycznego termoregulatora, gdy wzrost przepływu czynnika przez zawór powoduje wzrost temperatury w pomieszczeniu, skutkując reakcją głowicy termostatycznej. Zatem, gdy któreś z tych urządzeń już zapewni zbliżone do wymaganych parametry pracy układu, skutkujące określonym obniżeniem zużycia energii, to drugie z urządzeń nie może już wykonać tego zadania w tak dużym zakresie, w jakim wykonałoby je, gdyby nie działało pierwsze z urządzeń.

Analizując tabelę i końcowe wyniki należy także mieć na uwadze to, iż są one uzależnione od relacji cen urządzeń i usług do cen energii. Im bowiem wyższe koszty inwestycyjne, tym dłuższy okres zwrotu. Alternatywnie – im wyższe ceny energii, tym krótszy okres zwrotu. Wpływ na końcowe wartości mają także przyzwyczajenia domowników i oczekiwane temperatury wewnętrzne. Im wyższe te wartości, tym mniejsze oszczędności. W przedstawionej analizie, z powodu braku wystarczająco precyzyjnych danych, założono, że średnie temperatury wewnętrzne równe są 20°C.

Literatura:
[1] Cholewa T., Balen I., Siuta-Olcha A.: On the influence of local and zonal hydraulic balancing of heating system on energy savings in existing buildings – Long term experimental research, Energy and Buildings 9/2018 (179), str. 194-203
[2] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2017

* W ramach cyklu „Regulacja hydrauliczna a efektywność i komfort” omówiliśmy w kolejnych wydaniach „Polskiego Instalatora”: zawory przy grzejnikach („PI” 1-2/2020), ręczne zawory równoważące i zawory mieszające oraz zawory rozdzielające („PI” 3/2020), automatyczne zawory nadmiarowe i nadmiarowo-upustowe („PI” 4-5/2020), automatyczne stabilizatory różnicy ciśnień („PI” 6/2020), a także automatyczne stabilizatory przepływu („PI” 7-8/2020).


 

pi