W ostatnim czasie zauważalny jest trend polegający na podnoszeniu wymagań stawianych nowoprojektowanym systemom HVAC. Zapewnienie optymalnego komfortu w pomieszczeniach przy zminimalizowanych kosztach eksploatacyjnych to główne cele w projektowaniu systemów grzewczych i chłodniczych.

Przy realizacji nowych inwestycji coraz ważniejszą rolę odgrywają certyfikaty BREEAM oraz LEED, które podnoszą wartość budynku, co ma znaczenie w obrocie nieruchomościami. Nie mniej ważne jest również wyeliminowanie problemów eksploatacyjnych, które mogłyby spowodować wymierne straty ekonomiczne. W teorii, dostępne nowoczesne technologie regulacyjne umożliwiają spełnienie najbardziej surowych wymogów dla zapewnienia komfortu w pomieszczeniach, przyczyniając się jednocześnie do zmniejszenia energochłonności obiektu. Jednak w praktyce zadanie to nie jest takie proste.
Do najczęściej spotykanych problemów eksploatacyjnych instalacji HVAC możemy zaliczyć następujące przypadki:
- przegrzewanie jednych oraz nadmierne wychłodzenie innych pomieszczeń,
- dobrana moc chłodnicza źródła nie zapewnia optymalnego komfortu podczas średniego/maksymalnego obciążenia,
- zbyt długi okres oczekiwania na wymaganą temperaturę w pomieszczeniu po porannym rozruchu instalacji,
- duże wahania temperatury w regulowanych pomieszczeniach,
- uszkodzenie pomp obiegowych poprzez nie zapewnienie minimalnego przepływu,
- niska wydajność chillerów z uwagi na niską temperaturę powrotu,
- podwyższona energochłonność budynku i związane z tym wysokie koszty eksploatacyjne.

Rys. 1. System dystrybucji ze stałym przepływem

Aby wyeliminować podobne problemy eksploatacyjne należy spełnić 3 kluczowe warunki, niezbędne do prawidłowej regulacji instalacji chłodniczych:
1. Projektowany przepływ musi być osiągalny we wszystkich odbiornikach końcowych przy pełnym obciążeniu.
2. Ciśnienie różnicowe na zaworze regulacyjnym nie powinno się zbyt mocno zmieniać.
3. Przepływy w obwodach hydraulicznych, współpracujących ze sobą, powinny być odpowiednio dobrane.

Z uwagi na rozpiętość tematu, skupimy się w tym artykule na podkreśleniu znaczenia tylko pierwszego warunku.
Określenie wymaganej mocy grzewczej i chłodniczej dla poszczególnych pomieszczeń jest jedną z pierwszych czynności wykonywanych podczas projektowania systemów HVAC. Na ich podstawie wymiaruje się odbiorniki końcowe oraz źródło. Bardzo często, pomimo doboru w/w urządzeń z niewielką rezerwą wydajności, nie jesteśmy w stanie zapewnić odpowiedniego komfortu. W związku z powyższym nasuwają się pytania: Co może być przyczyną niewłaściwego funkcjonowania instalacji i w jaki sposób uporać się z tym problemem? Może należałoby zwiększyć wysokość podnoszenia pompy obiegowej, czy też obniżyć temperaturę czynnika w instalacji chłodniczej albo podwyższyć w przypadku instalacji grzewczej? Wykonanie takich czynności na pewno wpłynie na wzrost energochłonności systemu, a nie koniecznie zagwarantuje wymagany poziom komfortu. Odpowiedź jest zupełnie inna i dotyczy najczęściej nie dopełnienia pierwszego fundamentalnego warunku prawidłowej regulacji systemów HVAC.
Aby zagwarantować projektowy przepływ we wszystkich odbiornikach przy ich pełnym obciążeniu konieczne jest równoważenie hydrauliczne, które zapobiega powstawaniu nadprzepływów w niektórych obwodach oraz podprzepływów w innych. Ilość energii przekazywanej do odbiornika końcowego w danym pomieszczeniu zależy od temperatury i przepływu czynnika. Jedynie regulacja owych parametrów istotnie wpływa na uzyskanie właściwej temperatury. Regulowanie ilości przepływającego przez odbiornik końcowy czynnika znajduje uzasadnienie tylko wtedy, gdy zagwarantujemy odpowiednią wartość przepływów we wszystkich obwodach hydraulicznych. Skuteczną metodą jest wykonanie odpowiednich pomiarów i dostosowanie uzyskanych wartości do parametrów wymaganych. Spełnienie pierwszego warunku jest niemożliwe bez równoważenia hydraulicznego instalacji.
Równoważenie hydrauliczne instalacji daje wymierne korzyści dzięki temu, że umożliwia m.in. identyfikację problemu przewymiarowania pomp oraz zdiagnozowanie innych usterek przed przekazaniem budynku do użytkowania. Możemy zadać pytanie: czy możliwe jest wnikliwe zaprojektowanie systemu, który nie wymagałby procedur równoważenia? Jest to zadanie osiągalne tylko i wyłącznie w teorii, a w rzeczywistości szanse na to są iluzoryczne. Związane jest to ze specyfiką wymiarowania instalacji i doboru poszczególnych jej komponentów na etapie projektowania. Ich prawidłowy dobór ma zagwarantować przekazanie wymaganej mocy do poszczególnych odbiorników. Aczkolwiek dobór odbiorników końcowych, czy pomp obiegowych dla warunków obliczeniowych sprowadza się do wyboru urządzeń z katalogu producenta o parametrach najbardziej zbliżonych. Takie działania mają istotny wpływ na funkcjonowanie całego systemu. Wystarczy, że jeden element nie będzie precyzyjnie zwymiarowany, a cały układ nie będzie prawidło funkcjonował. W konsekwencji nie zostaną spełnione warunki projektowe, co spowoduje obniżenie komfortu.
Często zdarza się, że pewne elementy systemu nie mogą być dobrane na etapie projektowania, lecz dopiero na etapie budowy. Wówczas niezbędna jest weryfikacja założeń projektowych. Równoważenie hydrauliczne daje możliwość dostosowywania przepływów projektowych do warunków rzeczywistych, co gwarantuje poprawność funkcjonowania systemu. Dlatego procedura równoważenia hydraulicznego instalacji jest tak ważna, a koszty z nią związane znajdują uzasadnienie.

Rys. 2. System dystrybucji ze zmiennym przepływem

Zalety i wady systemów stałoi zmiennoprzepływowych
Instalacje grzewcze i chłodnicze bazują na systemach ze stałym lub zmiennym przepływem. Zarówno jedno, jak i drugie rozwiązanie ma swoje zalety i wady.

System dystrybucji ze stałym przepływem
Zalety:
- korzystne warunki pracy dla pętli regulacyjnych,
- stały autorytet zaworów regulacyjnych,
- łatwy dobór zaworów regulacyjnych,
- temperatura wody zasilającej bardziej jednolita w całej instalacji.

Wady:
- wysokie koszty pompowania,
- temperatura wody powrotnej nie jest minimalizowana przy grzaniu, ani maksymalizowana przy chłodzeniu,
- niemożliwe jest uwzględnienie czynnika niejednoczesności,
- syndrom niskiego ΔT.

Rys. 3. Zwiększone zużycie energii przez instalację niezrównoważoną spowodowane koniecznością wcześniejszego uruchomienia

Rys. 4. Zawór równoważący STAD

Odpowiedni wybór systemu powinien uwzględniać przeznaczenie instalacji oraz przede wszystkim przewagę głównych zalet nad wadami. Instalacja hydrauliczna, pracująca ze stałą wartością przepływu, opiera się na regulacji jakościowej, polegającej na ingerencji w parametry pracy instalacji. Parametrami regulowanymi jest wartość temperatury czynnika zasilającego odbiornik końcowy oraz powracającego do źródła chłodu. Powszechnym sposobem regulacji jakościowej w systemach stałoprzepływowych (rys. 1a) jest zastosowanie zaworów trójdrogowych. Dobór takiego zaworu nie jest kłopotliwym zadaniem. Głównym założeniem przy jego doborze jest wymagana wartość autorytetu zaworu na poziome 0,5, co w praktyce oznacza, iż spadek ciśnienia w pętli odbiornika C powinien odpowiadać spadkowi ciśnienia na dobranym zaworze. W przypadku, gdy suma spadków ciśnienia w pętli odbiornika wynosi 10 kPa, to sumaryczna strata ciśnienia w obwodzie odbiornika i na zaworze będzie równa 20 kPa. Załóżmy, że w regulowanym obwodzie dysponujemy różnicą ciśnień na poziomie 80 kPa – wówczas różnica 60 kPa powinna być odłożona za zaworze równoważącym STAD 1.
W przypadku braku równoważenia regulowanego obwodu (brak zaworu równoważącego), osiągamy dwukrotnie większy przepływ niż wymagany, co w konsekwencji skutkuje problemami podczas regulacji oraz negatywnym oddziaływaniem na pozostałą część instalacji.

Rys. 5. Nastawa cyfrowa zaworu STAD

Rys. 6. Korpus zaworu STAD wykonany z Ametalu

Systemy zmiennoprzepływowe
Zalety:
- obniżenie kosztów pompowania,
- możliwość uwzględnienia czynnika niejednoczesności,
- temperatura wody powrotnej jest minimalizowana przy grzaniu i maksymalizowana przy chłodzeniu.

Wady:
- zmienny autorytet zaworów regulacyjnych (zmienne warunki pracy),
- trudny dobór zaworów regulacyjnych,
- przy małych przepływach różna temperatura w instalacji,
- obwody wzajemnie oddziaływują na siebie.

Niższe koszty eksploatacyjne, większa precyzja regulacji oraz jej stabilność, a w konsekwencji wyższa jakość komfortu, powodują zwiększoną popularność przyjmowania takiego schematu nowoprojektowanych instalacji HVAC. Pomimo, że układ może wydawać się trochę bardziej skomplikowany do zaprojektowania, względy merytoryczne przemawiają za nim. Głównymi elementami regulacji ilościowej w systemach zmiennoprzepływowych (rys. 2) są dwudrogowe zawory regulacyjne, ograniczające wielkość przepływu zgodnie z sygnałem sterującym. (...)

Rys. 7. Przyrząd TA SCOPE do równoważenia hydraulicznego

Rozruch instalacji po nocnym obniżeniu (...)

Niezbędne narzędzia do równoważenia hydraulicznego (...)

Podsumowanie – Równoważenie jest proste (...)

Podsumowując, przedstawiona analiza podstawowych problemów eksploatacji systemów grzewczych i chłodniczych ma na celu uświadomić czytelnika o istniejącym zagrożeniu związanemu z brakiem równoważenia hydraulicznego instalacji oraz o jego konsekwencjach. Treść artykułu powinna prowokować do głębszej analizy funkcjonowania systemów zmiennoprzepływowych, a w konsekwencji stosowania układów zapewniających najwyższą jakość komfortu przy minimalnych kosztach.

AUTORZY: Grzegorz ONYSZCZUK, Sławomir ŚWIĄTECKI
– TA HYDRONICS