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








50Rozpoczynamy cykl artykułów poświęconych zagadnieniu regulacji i równoważenia hydraulicznego instalacji ogrzewczych z punktu widzenia statycznych i dynamicznych warunków pracy. Zajmiemy się w nim wpływem obu sposobów regulacji na efektywność energetyczną instalacji i zużycie energii, przy założeniu znanych warunków wymaganego komfortu cieplnego. Ponadto w kolejnych odcinkach cyklu omówimy rodzaje urządzeń stosowanych w ww. celach, ich praktyczne aplikacje, dobór i rozwiązania instalacyjne. W tym artykule – m.in. o stosowaniu zaworów regulacyjnych przy odbiornikach ciepła.

49Temat równoważenia hydraulicznego statycznego i dynamicznego instalacji hydraulicznych – ogrzewczych i chłodniczych był już cyklicznie prezentowany w „Polskim Instalatorze” kilka lat temu, w artykułach [2-5]. Wówczas pokrótce scharakteryzowano te dwie metody, opisano główne różnice występujące między nimi, zasadę doboru urządzeń i ich wybrane typy oraz podano ogólne wskazówki instalacyjne.
W niniejszym cyklu przyjrzymy się zagadnieniu szerzej i bardziej szczegółowo, omawiając zarówno kwestie teoretyczne związane z zasadami równoważenia hydraulicznego statycznego i dynamicznego oraz związane z granicami stosowalności obu metod, jak i aspekty praktyczne doboru urządzeń i ich parametrów pracy, skupiając się na instalacjach ogrzewczych. Ponadto poddamy analizie kilka różnych rzeczywistych instalacji ogrzewczych, w których zastosowano obie metody regulacji i zweryfikowano efekty ich pracy w postaci zużycia energii oraz czasu zwrotu poniesionych dodatkowych nakładów inwestycyjnych. Mam nadzieję, że takie kompendium pozwoli wielu czytelnikom zrozumieć, jak „to” naprawdę działa oraz, co równie ważne, czy się opłaca.

Równoważenie hydrauliczne. Idea stosowania
Równoważenie hydrauliczne jest pojęciem powszechnie używanym w praktyce inżynierskiej projektowania instalacji ogrzewczych, a także innych instalacji, w których mamy do czynienia z pracą generatorów i odbiorników ciepła lub „chłodu”, pomiędzy którymi przepływa czynnik.
Może odbywać się ono dla statycznych i dynamicznych warunków pracy. Rozróżnienie to należy rozumieć kolejno jako:

  • stany ustalone, gdzie wielkości i parametry (np. przepływy czynnika) opisujące pracę instalacji są stałe w czasie;
  • stany nieustalone, gdzie wielkości te są zmienne w czasie. Równoważenie statyczne odbywa się z użyciem zaworów ręcznych, niemogących działać automatycznie. Równoważenie dynamiczne odbywa się z użyciem zaworów działających automatycznie, bez konieczności ingerencji użytkownika. 

Samo pojęcie „równoważenie hydrauliczne” jest dość obrazowe i nawet laikowi kojarzy się dość jednoznacznie – „równowaga”, czyli stan ustalony, dana wartość ani nie rośnie, ani nie maleje, a „hydrauliczna”, ponieważ dotyczy ilości płynącego czynnika i rozkładu ciśnień.

!W efekcie więc równoważenie hydrauliczne instalacji to dążenie do osiągnięcia równowagi pomiędzy tym, co wytwarza ciśnienie i wymusza przepływ czynnika, a tym, co wprowadza opory przepływu i hamuje przepływ.

Elementem generującym ciśnienie (a zasadniczo to różnicę ciśnienia) i wymuszającym przepływ czynnika jest pompa obiegowa (i w niewielkim stopniu zjawisko wyporu naturalnego generujące ciśnienie grawitacyjne). Elementami stawiającymi opory przepływu i generującymi straty ciśnienia są wszystkie pozostałe elementy: rury, zawory, łączniki instalacyjne i pozostała armatura, odbiorniki ciepła/ chłodu itd. Jeśli włączymy pompę obiegową w instalację, to układ taki osiągnie punkt pracy o określonej wartości przepływu czynnika. Jeśli w tym samym układzie zastosujemy np. dławienie na zaworach, to układ osiągnie nowy punkt pracy, o mniejszym przepływie. Niezależnie więc od tego, jakich zmian dokonamy w układzie, to za każdym razem samoczynnie osiągnie on równowagę hydrauliczną – stałą wartość przepływu i rozkładu ciśnień. Jest to zjawisko oczywiste i naturalne, ale rodzi też pewne pytanie – co w takim razie, tak naprawdę, oznacza pojęcie „równoważenie hydrauliczne”, skoro za każdym razem równowaga hydrauliczna jest w układzie osiągana samoczynnie, bez ingerencji użytkownika? Otóż stan ten oznacza, że równowaga jest osiągnięta nie dla dowolnej wartości np. przepływu czynnika, ale dla wartości przez nas wymaganej. Jednym z podstawowych zadań w procesie projektowania instalacji jest jej równoważenie hydrauliczne dla tzw. warunków projektowych, nazywanych także obliczeniowymi. Są to warunki pracy dla maksymalnych obciążeń cieplnych i hydraulicznych, na które instalacja jest przewidziana do pracy. Warunki takie, w przypadku instalacji ogrzewczej, występują przy najniższych temperaturach zewnętrznych – dla tych warunków określane są wielkości grzejników, średnice rur, dobierane są nastawy zaworów regulacyjnych, temperatury pracy instalacji, a także właśnie parametry pracy pompy, wartości przepływu czynnika i rozkład ciśnień w układzie.

51!Z zasady więc równoważenie hydrauliczne dla warunków projektowych jest równoważeniem statycznym, dla jednego określonego punktu pracy instalacji, i wymaga zastosowania statycznych urządzeń regulacyjnych. Co za tym idzie, równoważenie hydrauliczne dla dowolnego innego, ale ustalonego punktu pracy instalacji, także jest równoważeniem statycznym.

Dynamiczna regulacja hydrauliczna instalacji również polega na zapewnieniu stałej i określonej wartości wymaganych parametrów, np. przepływu czynnika w danej części instalacji, grzejniku itp., ale w sytuacji, gdy w jej innych częściach pojawiają się okresowe zmiany i wahania, mogące skutkować zmianami w interesujących nas częściach.

!Elementy i urządzenia dynamicznej regulacji hydraulicznej mają za zadanie na bieżąco i w sposób ciągły monitorować te zmiany oraz reagować tak, aby nie były one przenoszone, bądź przenoszone były w możliwie jak najmniejszym stopniu, na nadzorowaną przez nie część instalacji.

Regulacja ilościowa a regulacja jakościowa instalacji
Rozważając tematykę równoważenia hydraulicznego instalacji, należy także kilka słów poświęcić zagadnieniu regulacji ilościowej i jakościowej oraz ich związku z równoważeniem hydraulicznym.
Każdorazowo regulacja w instalacji ma na celu osiągnięcie wymaganej wartości temperatury w danym pomieszczeniu. Osiągane jest to poprzez regulację mocy cieplnej grzejnika. Ta z kolei zależy zarówno od temperatury wody zasilającej, jak i od wartości przepływu. Typowe zależności mocy grzejnika w funkcji tych dwóch wielkości pokazano na rysunku 1.

Jeśli zmieniamy temperaturę zasilania grzejnika przy niezmienionej wartości strumienia czynnika, to mówimy o regulacji jakościowej. Jeśli zmieniamy wartość strumienia czynnika przy niezmienionej temperaturze zasilania grzejnika, to mówimy o regulacji ilościowej. Przy zmieniających się wartościach obu wielkości mówimy o regulacji ilościowo-jakościowej. Regulacja jakościowa dokonywana może być za pomocą zmiany temperatury czynnika wypływającego z kotła. Regulacja ilościowa natomiast dokonywana może być np. poprzez dławienie czynnika na zaworach regulacyjnych i/lub równoważących albo zmianę ciśnienia pompowego.
Ponadto można mówić o regulacji centralnej i regulacji miejscowej. Regulacja centralna odbywa się w źródle ciepła, np. w kotle. Regulacja miejscowa odbywa się przy odbiorniku ciepła, np. przy grzejniku. Równoważenie hydrauliczne jest więc regulacją ilościową, zarówno centralną, jak i miejscową.

W przeszłości popularne były proste instalacje ogrzewcze wykorzystujące centralną regulację jakościową, bez dodatkowych elementów regulacji ilościowej. Przy zmieniającej się temperaturze zewnętrznej zmieniana była tylko temperatura czynnika wypływającego z kotła na instalację i w ten sposób regulowana była moc cieplna wszystkich grzejników. Przy założeniu, że grzejniki są precyzyjnie dobrane do każdego z pomieszczeń oraz uwzględnione są zyski ciepła od przewodów, globalna zmiana temperatury czynnika skutkuje taką samą zmianą temperatury w każdym pomieszczeniu i układ taki działa według założeń. Podobnie – zmiana temperatury zewnętrznej skutkuje proporcjonalną zmianą obciążenia cieplnego każdego pomieszczenia, odpowiednią zmianą temperatury na wyjściu z kotła i proporcjonalną zmianą mocy cieplnej każdego grzejnika z osobna, pozwalając utrzymać założoną wartość temperatury w każdym pomieszczeniu. Problem w tym, że zmiany obciążenia cieplnego poszczególnych pomieszczeń w funkcji temperatury zewnętrznej najczęściej są różne, z uwagi choćby na różne zyski od nasłonecznienia, różne usytuowania wietrzne poszczególnych fasad budynku, różne wewnętrzne zyski ciepła, różne charakterystyki cieplne poszczególnych pomieszczeń (różnej wielkości okna i ściany, różne docieplenia ścian) itd.

Centralna regulacja jakościowa nie jest więc w stanie zapewnić stabilnych warunków komfortu cieplnego. Ponadto instalacja taka, w praktyce, jest instalacją z regulacją jakościowo-ilościową. Jeśli bowiem zmieniają się wartości temperatury wody w instalacji, to zmienia się też jej gęstość w poszczególnych częściach instalacji, a tym samym wartość ciśnienia grawitacyjnego (wypór naturalny), sumującego się ciśnieniem pompowym. Powoduje to pewne zmiany w wartościach strumienia czynnika, tym większe, im większa (w pionie) jest instalacja. Analogiczne problemy występują w przypadku instalacji z założenia wykorzystujących tylko regulację ilościową, aczkolwiek tego typu instalacje nie były powszechnie stosowane.
Obecnie projektuje się już niemal wyłącznie instalacje z regulacją jakościowo-ilościową centralno-miejscową, gdyż takie rozwiązanie pozwala w najbardziej optymalny sposób sterować pracą oraz utrzymywaniem warunków komfortu cieplnego.

Równoważenie statyczne a dynamiczne. Kiedy, które, czym i jak?
Jak wspomniałem, rolą automatycznej armatury regulacyjnej, pozwalającej na dynamiczne równoważenie hydrauliczne, jest ciągła kontrola i bieżąca regulacja zadanych parametrów pracy instalacji, obiegu lub jego wydzielonej części. Ręczna armatura regulacyjna ma na celu zrównoważenie hydrauliczne obiegów ogrzewczych w warunkach ustalonych (brak bieżącej regulacji). Zasadniczo oba rodzaje urządzeń, ręczne i automatyczne, stosowane mogą być dla dowolnej części i elementów instalacji. Z uwagi na przesłanki użytkowo-praktyczne, ogólnie urządzenia te można podzielić na zawory regulacyjne przy odbiornikach ciepła i zawory równoważące, montowane w pozostałych częściach instalacji.

Zawory regulacyjne przy odbiornikach
Zawory regulacyjne przy odbiornikach instalacji ogrzewczych, niezależnie od typu i konstrukcji, pełnią podobne funkcje, a mianowicie:

  • wyrównywanie strat ciśnienia z ciśnieniem czynnym w obsługiwanych obiegach instalacji, dla zadanej wartości strumienia czynnika – jest to więc równoważenie statyczne z regulacją ilościową;
  • zapewnianie projektowych przepływów czynnika, zgodnie z wynikami obliczeń procesu równoważenia hydraulicznego oraz cieplnego instalacji – jest to także równoważenie statyczne z regulacją ilościową;
  • zapewnienie prawnie wymaganej w określonych sytuacjach możliwości automatycznej regulacji bieżącej, tj. regulacji temperatury w pomieszczeniu przez zmianę wydajności cieplnej grzejnika – jest to równoważenie dynamiczne z regulacją ilościową. 

    52

Obecnie, do celów regulacji miejscowej, stosowane są następujące typy grzejnikowych zaworów regulacyjnych (rys. 2):

  • ręczne zawory regulacyjne,
  • zawory termostatyczne z nastawą wstępną i bez (z głowicami termostatycznymi i elektronicznymi),
  • zawory termostatyczne z „autobalancingiem” (z głowicami jak wyżej). 

53Jak wspomniałem wcześniej, aby zapewnić (względnie) stałą wartość temperatury i warunki komfortu cieplnego w danym pomieszczeniu przy zmieniających się warunkach zewnętrznych i wahaniach parametrów czynnika, grzejnik musi być wyposażony w urządzenie sterujące jego mocą cieplną i działające automatycznie. Wyklucza to użycie ręcznych zaworów regulacyjnych, a narzuca stosowanie termoregulatorów, np. zaworów z głowicami termostatycznymi. Z uwagi na to każda taka instalacja jest instalacją zmiennoprzepływową. Termoregulatory grzejnikowe, działając automatycznie, zmieniają wartości przepływów w poszczególnych obiegach, powodując zmiany przepływów i rozkładu ciśnień w całej instalacji, a tym samym wzajemnie na siebie oddziałując. Zmiana wartości i rozkładu ciśnień przy działaniu termoregulatorów grzejnikowych wynika zarówno z charakterystyki typowej pompy obiegowej, dla której wytwarzane ciśnienie rośnie wraz ze spadkiem przepływu, jak i z redystrybucji i spadków ciśnienia na odcinkach rur łączących poszczególne termoregulatory.

W praktyce, gdy np. część termoregulatorów grzejnikowych zamyka się, ograniczając przepływ w danej części instalacji, rośnie ciśnienie w innej części instalacji, przy innych grzejnikach. W przypadku zastosowania przy nich ręcznych zaworów regulacyjnych w naturalny sposób powoduje to niepożądane wzrosty przepływu czynnika przez nie. Niestety, także automatyczne regulatory z głowicami termostatycznymi, chociaż reagują przymykaniem się i redukcją strumienia czynnika, to nie są w stanie zredukować go do wymaganej wartości, pozwalającej utrzymać początkową temperaturę w pomieszczeniu. Wynika to bezpośrednio z charakteru ich działania – są regulatorami proporcjonalnymi, w których w zasadę pracy wpisany jest uchyb regulacji, wynikający z występowania tzw. zakresu proporcjonalności [1]. Ponadto urządzenia te charakteryzują się pewną bezwładnością cieplną, reagując zawsze z opóźnieniem, nawet kilkudziesięciominutowym. Gdy uwzględni się przy tym, że każdy termoregulator w instalacji z zasady działa niezależnie i że w wyniku tego ich przebiegi czasowe dławienia nie pokrywają się, widać, że proces redystrybucji ciśnienia w instalacji i nieustalonych warunków pracy może być zjawiskiem ciągłym.

P54ewnym rozwiązaniem opisanych problemów jest obowiązujący w Polsce od kilku lat wymóg prawny, skutkujący w praktyce koniecznością stosowania pomp obiegowych sterowanych elektronicznie, które samoczynnie dopasowują parametry pracy do bieżącego zapotrzebowania na czynnik w instalacji. Działają na zasadzie adaptacyjnej, ograniczając zjawisko wzrostów ciśnienia w instalacji przy spadku przepływu. Dalej jednak występuje zjawisko spadków, wzrostów i redystrybucji ciśnienia na odcinkach rurowych łączących poszczególne części instalacji.

Należy także mieć świadomość innego niekorzystnego zjawiska wynikającego z redystrybucji ciśnienia w układzie i niepożądanych wzrostów jego wartości na termoregulatorach. Za każdym razem korekta przepływu czynnika „w dół” wykonywana przez termoregulator grzejnikowy odbywa się przez wzrost dławienia i tym samym wzrost ciśnienia odkładającego się na nim. Dla każdego zaworu występuje natomiast pewna kombinacja wartości dławionego ciśnienia i przepływu, po osiągnięciu której wytwarzane szumy zaczynają zauważalnie rosnąć, obniżając komfort mieszkalny pomieszczenia. Prezentuje to rysunek 3. Aby tego uniknąć, należy przenieść zadanie kontroli i dławienia nadmiaru ciśnienia na inne elementy, które po pierwsze będą miały wyższe progi bezszumnej pracy, a po drugie będą poza strefami mieszkalnymi. Takimi elementami są m.in. stabilizatory różnicy ciśnienia i zawory nadmiarowo-upustowe, które omówimy w dalszej części cyklu.

Pomimo faktu, że poziom szumów w zaworze zależy od kombinacji dławionego ciśnienia i przepływu, w praktyce operuje się tylko kryterium maksymalnego dławionego ciśnienia, jako warunkiem bezszumnej pracy urządzenia. Najczęściej przyjmuje się, że nie może to być więcej niż 20-35 kPa. Wychodząc z tego warunku, można sformułować wniosek, że ciśnienie czynne w regulowanej części instalacji nie powinno być większe od przytoczonej wartości. W praktyce za regulowaną, wydzieloną część instalacji uznaje się co najmniej jej pion, choć im mniejsza będzie część objęta regulacją różnicy ciśnienia, a więc mniejsze straty ciśnienia na odcinkach pośrednich od punktu stabilizacji do termoregulatora grzejnikowego, tym lepsze warunki pracy takiego urządzenia.
Ciekawym rozwiązaniem, dostępnym od lat, są termostatyczne zawory grzejnikowe z tzw. „autobalancingiem”. Wbudowany ogranicznik przepływu minimalizuje 3. Charakterystyki hydrauliczne typowego termostatycznego zaworu regulacyjnego, z naniesionymi krzywymi poziomu ciśnienia akustycznego [1] wpływ wahań ciśnienia przed zaworem na jego wahania za zaworem, a tym samym ogranicza przepływ czynnika do wartości zadanej na zaworze. Pamiętać jednak należy, że urządzenie takie może generować dokuczliwy hałas w pomieszczeniu w przypadku dławienia zbyt dużej wartości ciśnienia. Ponadto jest to rozwiązanie droższe niż zwykły zawór termostatyczny.

Literatura:
[1] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2017
[2] Ojczyk G.: Regulacja hydrauliczno-termostatyczna. Połączenie z regulacją komfortu, „Polski Instalator” 06/2014, str.: 18-20
[3] Ojczyk G.: „Równoważenie hydrauliczne dynamiczne. Małe instalacje grzewcze”, „Polski Instalator” 05/2014, str.: 10-11
[4] Ojczyk G.: „Równoważenie hydrauliczne dynamiczne. Regulatory różnicy ciśnienia”, „Polski Instalator” 04/2014, str.: 28-31
[5] Ojczyk G.: „Równoważenie hydrauliczne instalacji. Regulacja statyczna”, „Polski Instalator” 02/2014, str.: 16-20


 

pi