W poprzedniej, pierwszej części cyklu (Polski Instalator 1-2/2024 [1]), omówiłem kilka pierwszych zakładek, jakie należy zdefiniować w danych ogólnych w programie Audytor SET 7.2, rozpoczynaj pracę nad projektem instalacji ogrzewczej. W tej części będziemy kontynuować, zamykając ten wątek i tym samym zamykając nasz „zarys wstępu do podstaw”.

▶ Kolejna zakładka ma nazwę „Armatura”. Dane, jakie należy w niej uzupełnić, pokazano na rysunku 1.

• Pierwsze 3 okienka służą do zdefiniowania minimalnych spadków ciśnienia na zaworach, kolejno – (grzejnikowych) termostatycznych, regulacyjnych, stabilizujących ciśnienie. Potrzeba taka wynika czasem z wymogów producentów – niektóre zawory, zwłaszcza regulacyjne i stabilizujące ciśnienie/przepływ, pracują prawidłowo dopiero od pewnej wartości spadku ciśnienia. Producenci zwykle podają te wartości. Podobnie, jak poprzednio, wpisane tutaj wartości mają wpływ także na niektóre inne parametry i są z nimi powiązanie.
  
  

Rys. 1. Definiowanie danych dotyczących armatury

• Kolejna funkcjonalność pozwala zdefiniować, czy przy obliczeniach ma być uwzględniana minimalna wartość autorytetu (grzejnikowych) zaworów termostatycznych. Wpływa to m.in. na wartość dobieranej przez program nastawy wstępnej i wymaganego ciśnienia czynnego w instalacji. Mówiąc w uproszczeniu – im wyższą wartość tutaj zdefiniujemy, tym niższą wartość nastawy wstępnej program będzie starał się dobrać, aby uzyskać większe dławienie na zaworze i tym wyższa będzie wymagana wartość ciśnienia pompowego. Ten tematjest zagadnieniem dość obszernym i szczegółowe informacje znaleźć można w opracowaniach [2, 7, 11]. Z praktycznego punktu widzenia, co może być zaskakujące dla wielu projektantów, wartość tego parametry jest mało istotna, a narzucanie tutaj wysokich wartości „na siłę” może znacząco utrudniać proces projektowania, nie dając korzyści w praktyce, tj. w działającej instalacji. Wynika to z tego, że postawiony w taki sposób warunek i tak nie jest w praktyce spełniony [2, 7, 11]. Jeśli więc, po wykonaniu obliczeń, pojawiają się problemy z licznymi błędami dotyczącymi zbyt niskich wartości autorytetu zaworów termostatycznych, to w większości przypadków można takie komunikaty zignorować, albo po prostu opcję tę odznaczyć. Analogiczna analiza dotyczy zaworów w mieszających modułach pompowych.
• Kolejna funkcjonalność pozwala zdefiniować, czy przy obliczeniach program ma redukować wartość współczynnika przepływu k_v zaworów termostatycznych. Każdej nastawie wstępnej zaworu odpowiada pewna jego przepustowość, definiowana wartością k_v . Program, dokonując obliczeń, wybiera konkretną wartość nastawy z zakresu zdefiniowanego przez producenta. A co jeśli wymagana wartość współczynnika przepływu leży pomiędzy dwiema sąsiednimi nastawami? Program wybierze wartość wyższą, a więc teoretycznie skutkującą zbyt dużą przepustowością. Taka sytuacja w praktyce powodowałaby nadprzepływ czynnika przez dany grzejnik i oddawanie przez niego zbyt wysokiej mocy. Ponadto przełożyłaby się na brak zrównoważenia hydraulicznego i niezgodną z warunkami projektowymi pracę pozostałych obiegów, tj. przez pozostałe grzejniki. Czy problem ten jest faktycznie taki poważny i w praktyce powoduje aż tak duże kłopoty?Nie. Powodów tego „złagodzenia” jest oczywiście więcej, ale w tym przypadku chodzi o to, że zawór grzejnikowy z założenia pracuje z głowicą, zwykle termostatyczną. Jest to element, który steruje pracą zaworu w oparciu o pomiartemperatury otoczenia i stara się przymknąć zawór tak, aby płynąca przez niego ilość czynnika skutkowała oddawaniem przez grzejnik mocy takiej, by w otoczeniu głowicy (w założeniu – w danym pomieszczeniu) zachowanabyłatemperatura ustawiona na tej głowicy. Jeśli więc przepływ jest zbyt duży i przez to w pomieszczeniu robi się zbyt ciepło, to głowica przymyka zawór, odpowiednio redukując ten przepływ, a więc też redukując współczynnik przepływu kv. Program umożliwia uwzględnienie tego faktu, właśnie przez pozostawianie tej opcji niezaznaczonej. W praktyce działanie dokładnie takie, jak opisałem, nie jest możliwe z uwagi na charakter działania głowicy termostatycznej (tzw. regulator proporcjonalny), ale to temat na inną historię [2, 7, 11].
• Kolejna funkcjonalność pozwala zdefiniować, czy przy obliczeniach autorytetu zaworów termostatycznych program ma uwzględniać opór źródła ciepła. Abstrahując od tego, co napisałem wcześniej w temacie autorytetu zaworu, to ta funkcjonalność pozwala uwzględnić np. „odsprzęgnięcie” instalacji. Instalacja nie musi być hydraulicznie podłączona bezpośrednio do źródła ciepła, np. kotła. Może być połączona przez np. bufor, albo sprzęgło hydrauliczne, które to urządzenia uniezależniają hydraulicznie obie części – instalacyjną i kotłową. Ponadto zastosowanie np. zaworów nadmiarowo-upustowych skutkuje w podobny sposób.
• Kolejna funkcjonalność dotyczy minimalnego oporu hydraulicznego działki z grzejnikiem, przy określaniu nastaw na zaworach grzejnikowych. Dotyczy to krótkiego odcinka przewodów łączących grzejnik z przewodami rozprowadzającymi. Przed laty, gdy powstawały te rekomendacje, popularne były piony grzewcze i system rozprowadzenia pionowego czynnika – w tym przypadku działka to połączenie grzejnika z tym pionem [6, 8]. Upraszczając – przy uwzględnieniu tego warunku program będzie brał pod uwagę ciśnienie grawitacyjne, jakie powstaje pomiędzy najniżej i najwyżej położnym grzejnikiem w obrębie instalacji, lub jej strefy. Ma to zapewnić stateczność hydrauliczną. Obecnie ten warunek nie ma uzasadnienia praktycznego i dotyczy ręcznych zaworów regulacyjnych, tj. niewyposażonych w głowice termostatyczne.
• Kolejna funkcjonalność, tj. optymalizacja doboru średnicy armatury regulacyjnej, nie jest może częścią teorii – powiedzmy – szkoły projektowania, ale jest to opcja przydatna i często stosowana w praktyce. Nierzadko można spotkać na instalacji zawory regulacyjne/równoważące o średnicach przyłączy mniejszych, niż rury, na których są zainstalowane. Czasem wynika to z oszczędności, ale często z przesłanek technicznych. Im większy zawór, tym mniej dokładnie dławi on i reguluje mały przepływ. Jeśli zatem w instalacji występuje taka potrzeba, to korzystniej jest dać mniejszy zawór z danego typoszeregu. Podobnie, jeśli zachodzi konieczność zdławienia dużej wartości ciśnienia.

▶ Kolejna zakładka ma nazwę „Źródła ciepła”. Dane, jakie należy w niej uzupełnić, pokazano na rysunku 2. W tej zakładce definiujemy parametry źródeł ciepła, jakie mogą zostać użyte w projekcie. Dotyczy to kotłów, wymienników ciepła, zasobników, itp. Przy czym pamiętać należy, że program nie wykonuje obliczeń i doboru instalacji i urządzeń kotłowych w sensie stricte, a wykonuje „jedynie” obliczenia cieplno-hydrauliczne instalacji. Pewne dane wynikowe z programu są pomocne w wykonywaniu dodatkowych obliczeń związanych z doborem urządzeń kotłowych i innych (np. pompy, zawory bezpieczeństwa, naczynia wzbiorcze), ale te obliczenia i procedury doborowe nie są częścią tego oprogramowania i należy je wykonać dodatkowo.

Rys. 2. Definiowanie danych dotyczących źródeł ciepła

• W pierwszej kolejności należy zdefiniować czynnik, na jakim będzie pracować instalacja. Można tutaj wybrać między wodą, lub roztworem glikolu – propylenowego, lub etylenowego. Różnice między nimi, z punktu widzenia parametrów pracy instalacji, można przeanalizować zapoznając się np. z pracami [9, 10]. Generalnie, praca na takim roztworze jest bardziej kosztowna (inwestycyjnie i eksploatacyjnie), niż na wodzie.
• W dalszej kolejności należy zdefiniować temperaturę zasilania instalacji i projektowe wychłodzenie czynnika, jakie chcemy, aby program utrzymał, dobierając urządzenia i ich parametry. Co ważne – temperatura zasilania to temperatura ze źródła ciepła, a nie np. na wlocie do grzejników. Ta druga jest niższa, gdyż woda ulega wychłodzeniu płynąc w rurach. Projektowe ochłodzenie czynnika, z kolei, to wychłodzenie na odbiornikach ciepła, a nie na całej instalacji. Jeśli więc ktoś w oparciu o te dwie wielkości będzie chciał np. „na szybko” dobrać wielkość grzejników z tabel dostarczanych przez ich producentów i porówna wyniki takiego doboru z wynikami obliczeń w programie, to może się mocno zdziwić, bo czasem różnice będą rzędu kilkudziesięciu procent. Oczywiście nie ma tu błędu – dobór „tabelaryczny” to tak naprawdę tylko wstępny, orientacyjny wskaźnik, co szerzej opisałem w pracach [3-5], a prawidłowe wyniki dają obliczenia wykonane w programie.

Co do samych wartości tych temperatur, to tutaj również pole manewru jest szerokie i – wraz innymi, opisanymi wcześniej parametrami – może służyć do optymalizacji pracy instalacji, niwelowania błędów wyników obliczeń zwracanych przez program, itp. Istnieje podejście mówiące, że dla grzejników wysokotemperaturowych, np. konwekcyjnych (płytowe, członowe, itp.) definiować należy wartości 75^oC/10^oC, co oznacza temperaturę zasilania na poziomie 75^oC, a temperaturę powrotu na poziomie 65^oC. Dla grzejników niskotemperaturowych, np. dla „podłogówki” definiować należy wartości 55^oC/10^oC, co oznacza temperaturę zasilania na poziomie 55^oC, a temperaturę powrotu na poziomie 45^oC. Dlaczego? Ano dlatego, że takie właśnie wartości są zawarte w normach przedmiotowych (np. [12, 13]) w punktach dotyczących wydajności cieplnej grzejników i dla takich wartości producenci są zobligowaniu podawać te osiągi. Tyle tylko, że – jak już wcześniej wspomniałem – wartości na grzejniku to nie to samo, co wartości na źródle ciepła. Poza tym – samo źródło ciepła może mieć inne zalecenia dotyczące temperatur pracy. Wspomniane 55^oC, chociaż nie jest wartością bardzo wysoką, to jednak w praktyce jest wartością mało optymalną dla np. pompy ciepła. Podobnież wychłodzenie czynnika na poziomie 10^oC. Co więcej, dla „podłogówki” takie wychłodzenie też nie jest specjalnie korzystne, bo co do zasady tego typu grzejnik powinien charakteryzować się małymi różnicami temperatury poszczególnych fragmentów podłogi. Itp., itd...Zagadnień można by tu mnożyć i sugerowanie się takim czy innym podejściem może nie być najlepsze, ale można sformułować pewną ogólną wskazówkę – wysokie temperatury pracy i duże wychłodzenia (np. owe 80^oC/20^oC) odeszły do lamusa wraz z kotłami stałopalnymi i gazowymi kotłami niekondensacyjnymi, które takie parametry „lubiły”, a obecnie stosuje się niższe ich wartości. Ale też bez przesady – wychłodzenie czynnika ma np. wpływ na wartości strumienia czynnika i zadając niską wartość tego wychłodzenia zwiększamy wartość strumienia czynnika, co skutkuje np. zwiększeniem mocy pompowania, a więc też kosztów eksploatacyjnych. W przypadku „podłogówki” wychłodzenia czynnika z zakresu 5-10^oC będą OK, a dla „zwykłych” grzejników dobrze poruszać się w zakresie 10-15^oC. Jeśli zaś chodzi o temperaturę zasilania, to zależy ona głównie od źródła ciepła (aczkolwiek są też prawne i normowe wytyczne co do maksymalnych temperatur pracy grzejników). Dla gazowych kotłów kondensacyjnych standardem jest obecnie przyjmowanie wartości z zakresu 50-55^oC, a dla typowych (tj. nie wysokotemperaturowych) pomp ciepła z zakresu 35-40^oC. Tak więc znów – optymalizacja i kompromisy.

• W dalszej kolejności należy zdefiniować (domyślne, można je później modyfikować w projekcie niezależnie do każdego z urządzeń) parametry hydrauliczne źródła ciepła – opór hydrauliczny, pojemność i wytwarzane ciśnienie czynne.

Opór hydrauliczny należy tu rozumieć umownie, bo program nie umożliwia zdefiniowania tego parametru w sensie stricte (poza tym ten parametr nie jest powszechnie znany i używany w praktyce), ale umożliwia zdefiniowanie trzech parametrów pokrewnych, alternatywnie. Są to: strata ciśnienia w Pascalach, współczynnik lokalnych strat ciśnienia (pojęcie powszechnie używane w mechanice płynów) i współczynnik przepływu (parametr powszechnie używany w technice HVAC). Co do zasady, pierwszy z tych parametrów jest dość kłopotliwy, bo strata ciśnienia zależy od wartości strumienia czynnika, a tej nie znamy, dopóki program nie wykona pełnych obliczeń.

Wartości te są zwykle niewielkie w porównaniu z pozostałymi stratami ciśnienia w instalacji i nie ma tu ryzyka popełnienia rażącego błędu przyjmując jakąś wartość orientacyjną, ale jednak. Dwa pozostałe parametry są co do (uproszczonej) zasady stałe i korzystniej jest posługiwać się właśnie nimi. Inna rzecz, że podawanie takich danych nie jest powszechną praktyką producentów źródeł ciepła i jeśli ich nie znamy, trzeba sobie radzić inaczej, posługując się tym, co producent podaje – np. przeliczać z wykresów strat ciśnienia w funkcji przepływu, albo ze wzorów wiążących te parametry. Gorzej, jeśli producent w ogóle nie podaje tego typu parametrów – wówczas trzeba zdać się na wiedzę i doświadczenie innych, albo po prostu pozostawić to pole puste.

W przypadku definiowania pojemność wodnej nie ma to wpływu na obliczenia cieplno-hydrauliczne. Ten parametr istotny jest jednak z punktu widzenia np. doboru naczynia wzbiorczego – pojemność źródła ciepła jest bowiem składnikiem całkowitej pojemności instalacji, którą program wyznacza, a której znajomość potrzebna jest do doboru wielkości tego naczynia.

Domyślne ciśnienie dyspozycyjne również można pozostawić bez definiowania – wówczas program obliczy minimalną wymaganą wartość tego ciśnienia. Można je zdefiniować – wówczas program porówna je z obliczoną wartością minimalną wymaganą dla prawidłowej pracy instalacji i zwróci stosowny komunikat – np. o zbyt niskiej jego wartości, np. niezapewniającej projektowych przepływów czynnika, albo zbyt wysokiej, powodującej np. szumy na termoregulatorach grzejnikowych, itp.

Rys. 3. Definiowanie modelu pompy obiegowej i parametrów punktu pracy instalacji

Można również podejść do zagadnienia bardziej praktycznie i zdefiniować konkretny model pompy, jaka ma być później w projekcie użyta, jak pokazano na rysunku 3. Definiuje się to w zakładce „Urządzenia”, na dole okna danych ogólnych, w którym są też wszystkie wcześniejsze zakładki. Wówczas automatycznie zadajemy nie stałą wartość ciśnienia,tylko konkretny jego przebieg, podany przez producenta dla danej pompy i tę charakterystykę (charakterystyki) program bierze pod uwagę. Ponadto w oknie tym można samodzielnie zdefiniować wartości parametrów punktu pracy instalacji, zadając strumień objętościowy czynnika i stratę ciśnienia przeliczoną na wysokość podnoszenia w metrach słupa wody. Program automatycznie kreśli wówczas charakterystykę hydrauliczną instalacji i wyznacza parametry faktycznego punktu pracy sieć przewodów-pompa, jako punkt przecięcia się tych charakterystyk.

• Na końcu możemy zdefiniować maksymalną stratę ciśnienia w instalacji (w programie nazwane jest to oporem hydraulicznym), na jaką możemy sobie pozwolić. Z definicji jest to wartość dotycząca tzw. obiegu najbardziej niekorzystnego.

Rys. 4. Definiowanie danych dotyczących grzejników (nie płaszczyznowych)

Jeśli zdefiniujemy ten parametr, to program, wyznaczając minimalną wartość ciśnienia wymaganą dla prawidłowej pracy instalacji, porówna ją z wartością zdefiniowaną przez nas i jeśli ta będzie niższa, to zwróci stosowny komunikat.

Opcja ta jest niekiedy przydatna, bo w praktyce zdarza się, że mamy różnorakie ograniczenia co do maksymalnej wartości ciśnienia czynnego i chcemy tak zaprojektować instalację, żeby jej nie przekroczyć. Może też być swego rodzaju „czujnikiem” grubych błędów – wiadomo, że typowe wartości wymaganych ciśnień czynnych w instalacjach np. w budynkach jednorodzinnych, czy nawet blokach mieszkalnych, nie przekraczają wartościrzędu kilkudziesięciu tysięcy Pascali (kilka metrów słupa wody). Jeśli więc w tego typu projekcie wyjdzie nam wartość znacząco większa, to znaczy, że gdzieś zrobiliśmy poważy błąd.

▶ Kolejna zakładka ma nazwę „Grzejniki CO”. Dane, jakie należy w niej uzupełnić, pokazano na rysunku 4.

• Pierwsza funkcjonalność pozwala zdefiniować, czy program ma zwiększać rozmiar dobranych grzejników i jeśli tak, to o ile procent (do 50%), jeśli są one wyposażone w termoregulatory grzejnikowe. Co do zasady dodawanie tego naddatku nie jest uzasadnione, gdyż obliczenia z definicji dokonywane są dla warunków projektowych, których wynikiem są także projektowe (tj. maksymalne dla danego obiektu budowlanego i zadanych warunków) wielkości grzejników. Ta opcja jest dodana m.in. z uwagi na wytyczne branżowe, jakie sformułowane zostały w przeszłości (np. w [14]), a które wyni kały z chęci uwzględnienia bezwładności działania termoregulatora grzejnikowe go, wpływającej na opóźnienie w uzyski waniu przez grzejnik wymaganej mocy. Większy grzejnik szybciej uzyska założo ną (tj. w tym przypadku mniejszą od swo jej nominalnej) moc cieplną.

Rys. 5. Definiowanie zabudowy i osłonięcia grzejnika

– Druga opcja pozwala zdefiniować w jakim zakresie wychłodzenia czynnika w odbior niku ciepła (np. grzejniku) program ma się poruszać, dokonując obliczeń i dobierając parametry urządzeń. W zakładce „Źródła ciepła CO” definiujemy oczekiwane, projektowe wychłodzenie, ale to niemal zawsze jest inne, niż wartość faktyczna (rzeczywista, tj. nie tylko na rzeczywistej instalacji, ale także w obliczeniach w pro gramie). Wynika to z wielu czynników, ale m.in. stąd, iż wielkości grzejników wystę pują w określonych typoszeregach, z okre ślonymi skokami długości/wysokości i nie da się dobrać wielkości idealnie pasującej do wymaganej. Większa wielkość skut kuje większym wychłodzeniem czynnika, mniejsza – mniejszym. Poza tym występu ją straty ciepła i temperatury czynnika na rurach, zyski ciepła, itp. Tak więc w tym punkcie możemy np. zadać zakres kontro lny, aby program sprawdzał, czy wychło dzenie czynnika mieści się w zdefinio wanym przez nas przedziale. Zarówno za duże, jak i za małe wychłodzenie czynnika nie jest korzystne, m.in. z punktu widze nia jakości regulacji hydraulicznej (małe przepływy np. kiepsko się reguluje, a duże powodują szumy, itp.) obiegów i dobory ar matury regulacyjnej.

– Ostatnia (istotna) opcja pozwala zdefinio wać domyślne warunki pracy grzejników – m.in. usytuowanie, osłonięcie i maksymalną, dopuszczalną (dla nas) długość. Oczywiście dane te, jak i wszystkie inne dane w zakładce „Dane ogólne”, które są dziedziczone, można później w projekcie indywidualnie modyfikować. Usytuowa nie i osłonięcie wpływa na moc grzejni ka, a więc także na dobór jego wielkości. Generalnie typowe i spotykane w prak tyce usytuowanie i osłonięcie zmniejsza jego moc nominalną, wyznaczoną zgodnie z warunkami normy przedmiotowej [12, 13]. Zatem uwzględnienie tych czynników skutkuje przemnożeniem dobranej przez program wielkości grzejnika przez współ czynniki korekcyjne. Jakie współczynniki? – to można prześledzić na rysunku 5. Wskazówki te także można znaleźć w leci wych już wytycznych branżowych [14].

Materiały źródłowe:
[1] Muniak D.: Akademia projektanta. Instalacje ogrzewcze. Część I – za rys wstępu do podstaw. Definiowanie danych ogólnych w programie Sankom Audytor SET 7.2, część I, Polski Instalator, 1-2/2024 (316), str.: 10-14
[2] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzew czych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, War szawa 2017
[3] Muniak D.: Dobór wielkości grzejnika do pomieszczenia, Polski Insta lator, 6/2019 (280), str.: 20-23
[4] Muniak D.: Grzejniki w budynkach po renowacji, Polski Instalator, 3/2022 (301), str.: 31-35
[5] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstruk cja, dobór i charakterystyki cieplne. Wydanie II (rozszerzone i popra wione), PWN, Warszawa 2019
[6] Muniak D.: Podłączenie grzejników: rozwiązania systemowe, zestawy podłączeniowe, Polski Instalator, 9/2021 (297), str.: 18-23
[7] Muniak D.: Regulation fixtures in hydronic heating installations. Types, structures, characteristics and applications, Springer, Cham 2019
[8] Muniak D.: Stacje mieszkaniowe. Czyli jak smakuje tort, gdy ma za dużo warstw, Polski Instalator, 6/2023 (311), str.: 23-27
[9] Muniak D.: The impact of the use of antifreeze substances on the he ating installation thermohydraulic parameters and energy use, Heat Transfer Engineering , 3-4/2021 (42), str.: 347-353
[10] Muniak D.: Wpływ stosowania środków przeciwzamrożeniowych na parametry cieplno-hydrauliczne instalacji ogrzewczej, Polski Instala tor, 3/2019 (277), str.: 10-15
[11] Muniak D.: Zawórregulacyjny w sieci przewodów. Siła autorytetu, Polski Instalator, 9/2022 (305), str.: 18-21
[12] Polska norma PN-EN 442-1:2015-02: Grzejniki i konwektory Część 1: Wymagania i warunki techniczne
[13] Polska norma PN-EN 442-2:2015-02: Grzejniki i konwektory Część 2: Moc cieplna i metody badań
[14] Wymagania techniczne COBRTI Instal, zeszyt 2: Wytyczne projekto wania instalacji centralnego ogrzewania, Warszawa 2001