Rozpoczynamy cykl poświęcony projektowaniu instalacji HVAC. Prezentować będziemy zagadnienia teoretyczne, ale także praktyczne aspekty ich realizacji. Analizy prezentować będziemy na znanych i powszechnie używanych aplikacjach wspomagających projektowanie instalacji HVAC, a także na analizach rzeczywistych przypadków, relacji z uruchomień i regulacji instalacji w obiektach budowalnych, itp. Cykl rozpoczynamy od omówienia podstaw definiowania ogólnych parametrów wejściowych do projektowania instalacji ogrzewczych, na przykładzie programu Sankom Audytor SET 7.2. 

Za każdym mężczyzną sukcesu stoi jego kobieta, a za każdym dobrym instalatorem stoi projektant
Kim byłby Lennon bez McCartneya, Jobbs bez Wozniaka a instalator bez...projektanta? No właśnie. Prawidłowo i optymalnie działająca instalacja HVAC to efekt pracy wielu specjalistów, a finalnie właśnie instalatora i projektanta. Każdy z nich jest biegły w swojej profesji i chociaż spotyka się przypadki, gdy jeden próbuje wykonywać zadania z obu tych dziedzin, to jednak nie jest to korzystna praktyka, bo na rzeczy zwyczajnie trzeba się znać. Instalator najczęściej nie zna teorii działania instalacji i nie umie wykonywać niezbędnych obliczeń projektowych, czy też obsługiwać specjalistycznego oprogramowania komputerowego do projektowania instalacji, a projektant zwykle nie potrafi instalacji wykonać, nie umie posługiwać się niezbędnymi narzędziami, itp. Podział zadań i ścisła współpraca jest nie tylko potrzebna, ale wręcz konieczna, jeśli celem ma być prawidłowo działająca i trwała instalacja, zapewniająca zarówno optymalne warunki komfortu cieplnego, jak i pracująca w sposób możliwie najbardziej ekonomiczny, minimalizując koszty eksploatacyjne.

W swojej aktywności zawodowej miałem okazję pracować w różnych firmach i na różnych stanowiskach, zajmując się produktami i procesami związanymi z branżą HVAC – byłem projektantem, wdrażałem produkty na rynek, zajmowałem się certyfikacją i kwestiami jakościowymi, zarządzałem projektami, kierowałem działem techniczno-projektowym, uczyłem zagadnień związanych z szeroko rozumianym ogrzewnictwem. To, zdobyte wcześniej wykształcenie oraz bliski kontakt z osobami z „branży” dały mi możliwość spojrzenia na nią z różnych perspektyw i zebrania różnych opinii. I – chociaż może to zabrzmieć trywialnie – nauczyć się projektować instalacje HVAC nie jest rzeczą łatwą.

Projektowanie instalacji HVAC nie jest bowiem taśmą produkcyjną – każdy projekt jest inny, każdy charakteryzuje się wieloma danymi wejściowymi i zamierzonymi efektami wyjściowymi, a ilość ich kombinacji może być praktycznie nieograniczona. Wobec tego nie da się podać ścisłych zasad, słusznych dla każdego przypadku. Nie da się powiedzieć, że jeśli w jednym projekcie jakieś rozwiązanie było optymalne, czy nawet tylko prawidłowe, to w innym przypadku też takie będzie – może być wręcz przeciwnie. Oczywiście są przypadki, gdy projektant stosuje, albo stara się stosować te same rozwiązania za każdym razem, ale zwykle z czasem i nabywaniem doświadczenia zmienia się to – zaczyna bowiem dostrzegać, że to nie jest takie proste, że lepsze efekty daje indywidulane podejście i aplikowanie dedykowanych rozwiązań.

Jeśli porównamy instalację ogrzewczą do np. układu elektronicznego, to możemy sformułować wniosek, że jednak nie jest to też wcale takie trudne. W układzie elektronicznym trudno byłoby połączyć coś z czymś w sposób przypadkowy i oczekiwać, że to będzie w ogóle działać. A w instalacji HVAC jeśli połączymy jakiś kocioł z jakimiś grzejnikami, do których będą prowadziły jakieś rury i na których będą zamontowane jakieś zawory ustawione na jakieś nastawy, to po włączeniu (jakiejś) pompy czynnik będzie płynął, grzejniki będą grzały i instalacja będzie jakoś działać. Tak, będzie – jakoś, i to jest sedno sprawy.

Projektowanie jest sztuką. Nawet, jeśli dobrze zna się zasadę pracy i efekty działania wszystkich urządzeń użytych w danym projekcie, to połączenie ich ze sobą tworzy coś zupełnie nowego – znacznie bardziej złożonego i trudniejszego w analizie działania.

No dobrze – ktoś powie – ale przecież są rozporządzenia, są normy, są wytyczne branżowe, itp. Tak są – np. ale one dotyczą wybranych zagadnień i traktują je zwykle w sposób niezależny od pozostałych. Istnieją np. konkretne normy i wytyczne obliczania i doboru naczyń wzbiorczych, zaworów bezpieczeństwa, zaworów termostatycznych, itd. Są wytyczne dotyczące minimalnych i maksymalnych prędkości przepływu czynnika w rurach, minimalnych i maksymalnych spadków ciśnienia w zaworach. Ale nawet jeśli ktoś o tym wszystkim wie i zna te dziesiątki (a może i setki?) dokumentów, to dalej, postawiony przed zadaniem zaprojektowania instalacji, jeśli wcześniej tego nie robił, będzie miał wątpliwości jak to wszystko ze sobą powiązać. Inną rzeczą jest przy tym fakt, że sztuka projektowania instalacji HVC ciągle ewoluuje, zarówno z powodu zmieniających się wymagań prawnych dotyczących energochłonności budynków i stosowanych źródeł ciepła, jak i z powodu rozwoju produktów, powstawania nowych urządzeń i rozwiązań dostosowanych do aktualnych potrzeb rynku, itd. Tak więc to, co w danym momencie może być pomocne – np. wytyczne zrzeszeń branżowych, poradniki firm z branży, itp. – po kilku latach może być nieaktualne.

Z tym artykułem rozpoczynamy cykl poświęcony projektowaniu instalacji HVAC. Prezentować będziemy zagadnienia teoretyczne, ale także praktyczne aspekty ich realizacji. Część związaną z projektowaniem instalacji co, cwu, wody zimnej i instalacji chłodniczych omawiać będziemy z użyciem oprogramowania dwóch najbardziej popularnych firm w Polsce – firmy Sankom (głównie programy z rodziny SET, CO, CWU i OZC) i firmy InstalSoft (głownie pakiety z rodziny InstalSystem i EnergoSystem), a także posługując się dedykowanymi aplikacjami firmowymi, w wybranych przypadkach. Projektowanie instalacji wentylacyjnych prezentować będziemy głównie z użyciem programów firmy Fluid Desk (Ventpack) i Autodesk (Revit).

Cykl ten w założeniu nie jest instrukcją obsługi ww. programów, aczkolwiek w tym zakresie może być pomocny, bo również pokazywać będziemy różne „sztuczki”. Przede wszystkim jednak prezentowane treści będą się skupiać nie na tym, jak coś zrobić z punktu widzenia interfejsu użytkownika, a bardziej na tym, dlaczego, jakie są tego podstawy teoretyczne i jakie są tego efekty dla pracy instalacji, także z praktycznego punktu widzenia.

Nawet najdalszą podróż zaczyna się od pierwszego kroku
Cytat ten świetnie pasuje do pierwszej części naszego cyklu – zanim zaczniemy zagłębiać się w obszerne meandry projektowania instalacji ogrzewczych, warto poznać meandry tworzenia założeń do tego procesu.

Zawsze na początku projektant musi określić szereg parametrów, w oparciu o które wykonywane będą dalsze obliczenia i przebiegał będzie proces doboru produktów i urządzeń. Parametry te są ze sobą powiązane, a ponadto występuje tutaj nierzadko sprzężenie zwrotne, zatem dobrze jest te parametry prawidłowo rozumieć i interpretować.

Przyjrzyjmy się rysunkowi 1. Pokazano na nim widok danych ogólnych, jakie musimy zdefiniować w programie Sankom Audytor SET 7.2, który służy do wspomagania projektowania instalacji HVAC – instalacji ogrzewczych, chłodniczych i wody użytkowej (cwu i wody zimnej). Omówimy tutaj te, które są istotne z punktu widzenia naszego tematu.

▶ W zakładce „podstawowe dane” zdefiniować musimy strefę klimatyczną, w której znajduje się obiekt do którego projektowania jest instalacja. Może to być pewne zaskoczenie, bo strefa klimatyczna określa (zimowe) temperatury zewnętrzne, które mają wpływ na projektowe obciążenie cieplne obiektu i sezonowe zapotrzebowanie na energię. A to są wielkości, które obliczane są w innym programie – programie OZC z pakietu – i importowane są do programu SET. Po co więc programowi SET ta wiedza? Ma to uzasadnienie – program dobiera parametry grzejników, grzejniki mogą być grzejnikami podłogowymi, a podłoga może być na gruncie. Poza tym grzejnik może być zamontowany w stropie zewnętrznym, np. nad przejazdem – w obu przypadkach straty ciepła takiego grzejnika do otoczenia są zależne od strefy klimatycznej, tj. od temperatur (gruntu i powietrza) w niej panujących.

▶ Rysunek 2 prezentuje dalszą część – zakładkę „Rury”.

• Pierwszą wielkością do zdefiniowania jest parametr R_max, określający maksymalny jednostkowy spadek ciśnienia w Pa na 1 metr bieżący (prostego) przewodu. Program będzie się starał tak dobierać średnice przewodów, aby ta wartość nie została przekroczona. Nie zawsze jest to możliwe, gdyż pod uwagę program bierze też inne parametry, omówione dalej, niekiedy stojące w sprzeczności z możliwością spełnienia powyższego warunku.
  Jak zdefiniować ten parametr i jaki ma to wpływ na warunki pracy instalacji? Przyjrzyjmy się rysunkowi 3, na którym poglądowo to zilustrowano.
  Czynnik, płynąć w rurze o danej średnicy, doznaje spadku ciśnienia. Im większa średnica rury, tym mniejszy ten spadek, głównie dlatego, że czynnik płynie wolniej. Skoro więc mniejszy jest spadek ciśnienia, to potrzebne jest również mniejsze ciśnienie pompy, aby zapewnić cyrkulację. Skutkuje to spadkiem wymaganej mocy pompowania, a więc także niższymi kosztami eksploatacyjnymi – linia numer 1. Jednak rura o większej średnicy to rura droższa, czyli wyższe są koszty inwestycyjne – linia 2. Ponadto większa średnica rury to większa powierzchnia jej ścianki, a więc potencjalnie większe straty ciepła do otoczenia. Pod uwagą można tutaj wziąć jeszcze kilka innych czynników, ale dwa pierwsze są już wystarczające do zobrazowania, o co chodzi. Sumując wszystkie te linie otrzymujemy pewną linię wypadkową (numer 3), która posiada pewną wartość minimalną – i to jest wartość ekonomicznie najbardziej optymalnego jednostkowego liniowego spadku ciśnienia, a tym samym średnicy przewodu, którą powinniśmy wpisać.
  Obrazo ujmując sytuację – jeśli energię do napędu pompy (tj. energię elektryczną) mielibyśmy za darmo, to korzystny dla nas byłby zakup rury jak najtańszej, a więc rury o jak najmniejszej średnicy. Nieistotne byłoby to, że generowałaby ona duże straty ciśnienia i wymagane byłoby duże ciśnienie pompowe i duża moc pompowania – wszak za nią byśmy nie płacili. Z kolei, jeśli energia ta byłaby bardzo droga, to korzystniej byłoby zapłacić więcej na początku i kupić rurę o większej średnicy, aby później oszczędzić na kosztach eksploatacyjnych.
  Jak więc widać, nie ma tutaj jednej najlepszej wartości R_max, bo ta zależy od bieżącego stosunku ww. kosztów. Poza tym, w zależności od rodzaju instalacji (ogrzewcza, chłodnicza, z glikolem, bez) różne są optymalne przedziały tego parametru. Dla instalacji ogrzewczych korzystnie jest przyjmować wartości poniżej 100 Pa/m. Jakkolwiek obecnie zwykle optymalizacji według powyższego podejścia podlega najczęściej właśnie parametr R_max, to w przeszłości podobna analiza często była wykonywana dla prędkości przepływu czynnika. Teraz także czasami spotyka się takie podejście.
• Drugą wielkością jest udział ciśnienia grawitacyjnego, uwzględnianego przy obliczeniach hydraulicznych. O co tu chodzi, skoro program nie wykonuje obliczeń instalacji grawitacyjnych (a tylko pompowych), i instalacji takich w praktyce też się już nie wykonuje? Otóż w każdej instalacji, która ma jakąś rozpiętość w pionie i na jej wysokości występuje stała różnica temperatury czynnika (na dole źródło ciepła, na górze odbiorniki ciepła – grzejniki), a tym samym stała różnica jego gęstości, powstaje także różnica ciśnień, powodująca krążenia czynnika. Na tej zasadzie działają właśnie instalacje grawitacyjne, które nie potrzebują pomp obiegowych. A więc sytuacja taka występuje także w instalacji pompowej? Tak – ciśnienie grawitacyjne jest częścią ciśnienia składowego, wraz z ciśnieniem pompowym, chociaż w typowych instalacjach jest od niego wielokrotnie mniejsze. No dobrze, to w takim razie czemu domyślna wartość to 75%, a nie 100% i jaką wartość należy tak naprawdę zdefiniować. Otóż, z zasady, maksymalna różnica temperatury czynnika (tj. między zasilaniem a powrotem), a tym samym jego gęstości i ciśnienia grawitacyjnego występuje dla warunków projektowych. Obliczenia z definicji wykonywane są na takie właśnie warunki. To dlaczego w takim razie 75%? Dlatego, że ciśnienie to zmienia się w trakcie sezonu ogrzewczego, wraz ze zmianą temperatur czynnika. Owe 75% to mniej więcej wartość średniosezonowa – można powiedzieć, że bardziej odpowiednia dla rozpatrywania całosezonowej pracy instalacji. Czy tak być powinno? No cóż, skoro mówimy o warunkach projektowych, to powinno się zadać wartość 100%. Wspomniane zalecenia są już dość leciwe (kilkadziesiąt lat) i sformułowane zostały dla temperaturowych warunków pracy instalacji ogrzewczych słusznych w tamtych czasach i dla wówczas stosowanej armatury, tj. ręcznych zaworów grzejnikowych. Podstawy teoretyczne dla warunków polskich zostały opracowane m.in. przez profesora Witolda Wasilewskiego i podawane były m.in. w wytycznych branżowych COBRTI [1]. Obecnie tak postawiony warunek nie ma większego uzasadnienia.
• Kolejną opcją jest uwzględnianie zysków ciepła od przewodów przy doborze grzejników. Przewody, niezależnie od tego, jak dobrze są zaizolowane, tracą ciepło do otoczenia. Energia ta jest energią, za którą płacimy, ale może być tak, że nie cała jej ilość jest przekazywana do ogrzewanych pomieszczeń, do których doprowadzają czynnik do grzejników. Wówczas jest to strata energii i strata pieniędzy. Na przykład jeśli przewody są prowadzone w podłodze (niezależnie od tego, czy zasilają grzejniki podłogowe, czy „zwykłe” grzejniki), a podłoga leży na gruncie, to część ciepła emitowanego przez przewody przedostaje się do gruntu, i jest – nomen omen – z gruntu tracona. Podobnie, gdy przewody biegną przy podłodze, w narożach pomieszczenia i są dobrze osłonięte, to część energii tracona jest do środowiska zewnętrznego. Program daje możliwość zdefiniowania zarówno sprawności wykorzystania zysków ciepła od przewodów, jak i maksymalnego ich udziału przy doborze grzejników. Definiowanie wartości w pierwszym przypadku jest zagadnieniem mocno indywidualnym i silnie zależnym od zastosowanych rozwiązań instalacyjnych, sposobu prowadzenia przewodów, ich lokalizacji, itp. W drugim przypadku, co do zasady, powinno się zdefiniować 100%. Jeśli bowiem już uznamy, albo jeśli stan faktyczny wskazuje, że z całej ilości ciepła traconego przez przewody do pomieszczeń przedostaje się, na przykład, tylko 50%, to pomniejszanie tej wartości w kolejnej zakładce, jak umożliwia to program, nie jest potrzebne. Co prawda może to powodować większe trudności w przypadku chęci zaprojektowania instalacji bez pojawiania się w programie alertów np. o zbyt dużych zyskach ciepła od przewodów, niemożności dobrania grzejnika o odpowiednio małej mocy, itp., ale wszak tak to będzie też wyglądało w rzeczywistości, a „sztuczne” pozbycie się tych błędów w programie przez „przeklikanie” wartości aż do uzyskania zamierzonego skutku nie zmieni stanu faktycznego.
• Ostatnią opcją w tej zakładce, istotną z punktu widzenia zadawania i optymalizacji parametrów pracy instalacji, jest tabela z indywidualnymi parametrami wybranych rur, dostępna na dole okna. Pozwala to nie tylko różnicować rodzaje użytych rur, ale także np. stworzyć strefy instalacji, w których niektóre z tych parametrów z zasady w praktyce definiowane są inaczej i tak też chcemy to zrobić w programie. Np. układ rur w mieszkaniu będzie miał inaczej zadane kryteria, niż główny układ rozprowadzający czynnik (piony, rozprowadzenie poziome, itp.), a ten z kolei inaczej, niż orurowanie kotłowni, nawet, jeśli użyte będą te same rury. Jak widać, można w niej zdefiniować wielkość R_max dla każdej pozycji z osobna. Można również zadać wartości chropowatości bezwzględnej przewodu, grubości kamienia kotłowego (przydatne zwłaszcza przy obliczeniach instalacji starych/modernizowanych, z rur stalowych), czy też minimalnej i maksymalnej prędkości czynnika w przewodach, w obrębie których program będzie się poruszał, dobierając ich średnice (oczywiście uwzględniając też inne parametry, które mają na to wpływ). Zwłaszcza ta ostatnia funkcjonalność daje duże pole manewru w procesie projektowania i niwelowania ewentualnych monitów o błędach, jakie pokazuje program po wykonaniu obliczeń, ale trzeba też pamiętać o zdrowym rozsądku – w praktyce wartości te mają wpływ np. na proces (samo)odpowietrzania, czy głośność szumów w instalacji i jeśli nie ma się tutaj pełnej wiedzy/pewności, to dobrze jest trzymać się ogólnie przyjętych wytycznych w tym zakresie, nawet, jeśli wartości domyślne widoczne w programie wynikają z praktyk raczej historycznych (dotyczą rur stalowych). Generalnie jednak, prędkości te, warunkowane współczynnikami prędkości w_min i w_max widocznymi w tej tabeli, powinno się skorelować z rodzajem użytej rury, a konkretnie z chropowatością jej ścianki. Im większa ta chropowatość, tym mniejsze powinny być maksymalne prędkości przepływu czynnika, a zatem także wartości współczynnika w_max, aby zabezpieczyć się m.in. przed szumami. Rury stalowe charakteryzują się dużą chropowatością, rury miedziane i tworzywowe znacznie mniejszą. W praktyce dla rur tworzywowych przyjmowane są wartości w_max rzędu 5 i niekiedy więcej, a dla rur stalowych zwykle nie więcej, niż 3. Z drugiej strony jednak obniżanie tej wartości powinno się ograniczać do takich liczb, aby prędkości przepływu czynnika (wyrażona w m/s), które program liczy w tej tabeli na bieżąco, przy zmianie w_max, nie były mniejsze, niż prędkość samoodpowietrzania. Zjawisko to następuje w instalacji przy prędkościach przepływu czynnika rzędu 0,15-0,2 m/s. Jeśli więc prędkość przepływu czynnika będzie mniejsza, to zjawisko to może nie zachodzić, a niekiedy jest to jedyny sensowny sposób na odpowietrzenie instalacji (np. długie rozprowadzenie poziome rur, grzejniki płaszczyznowe – zwłaszcza ścienne, które nie mają lokalnych odpowietrzników, zasyfonowania, itp.). Oczywiście należy pamiętać, że są to obliczenia dla warunków projektowych, dla których występują maksymalne prędkości przepływu czynnika. Dla okresów pośrednich w sezonie ogrzewczym, czy choćby z uwagi na specyfikę pracy instalacji (przepływ są z zasady zmienne, np. z uwagi na działanie termoregulatorów grzejnikowych), prędkości te okresowo będą mniejsze.

Materiały źródłowe:
[1] Wymagania techniczne COBRTI Instal, zeszyt 2: Wytyczne projektowania instalacji centralnego ogrzewania, Warszawa 2001
[2]Witryna internetowa: https://www.boiler-planning.pl/technika/peryferia/rurocigi.html