Zawory regulacyjne stanowią bardzo ważny element instalacji klimatyzacji i grzewczych. Na poprawny ich dobór składa się procedura wyliczenia określonych wielkości, ale także wybór konkretnego modelu spełniającego poszczególne parametry jakim m.in. jest rozdzielczość regulacyjna.

Rys. 1. A) teoretyczna i rzeczywista liniowa charakterystyka zaworu;
B) obraz powiększonej części charakterystyki tuż nad pozycją zamknięcia

Definicja rozdzielczości regulacyjnej oraz jej krótkie objaśnienie pojawiły się w pierwszej części artykułu [1]. Zakres w jakim parametr ten został opisany nie wyczerpuje jednak tematu. Obecny artykuł ma na celu rozwinąć zagadnienie rozdzielczości oraz przedstawić jej wpływ na jakość regulacji mocy odbiorników.

Rozdzielczość regulacyjna R
Przy procedurze doboru zaworów regulacyjnych duże znaczenie odgrywa rozdzielczość regulacyjna R, zwana także stosunkiem regulacji. Parametr ten jest istotny z uwagi na konieczność zmiany wydajności urządzeń w sposób płynny w przedziale od 0 do 100%.

Rozdzielczość regulacyjna określa relację pomiędzy współczynnikiem kvs a współczynnikiem kvmin. Współczynnik kvmin to najmniejsza wartość kv, czyli najmniejsze otwarcie zaworu, przy którym zachowana jest jeszcze tolerancja nachylenia charakterystyki zaworu.

R = kvs / kv_min

Rozdzielczość regulacyjna zaworu ma duży wpływ na płynność procesu zmiany mocy odbiornika, zwłaszcza przy niewielkich obciążeniach. Gdy zawór jest bliski zamknięcia, teoretyczna charakterystyka zaworu nie jest możliwa do uzyskania. Poniżej pewnej wartości otwarcia zaworu przepływ wody nie może być dłużej kontrolowany, w skutek czego w szybkim tempie spada do zera. Regulacja odbiornika w tym przedziale działa w trybie dwustawnym ON/OFF. Rysunek 1 „A” przedstawia teoretyczną i rzeczywistą liniową charakterystykę przepływu, a także zakres dopuszczalnych odchyleń. Z kolei na ryunku 1 „B” pokazana została w powiększeniu część charakterystyki liniowej przy niskich przepływach tuż nad pozycją zamknięcia – strefa pracy w trybie ON/OFF

Rozdzielczość regulacyjną możemy tym samym określić jako relacja pomiędzy maksymalnym przepływem przy w pełni otwartym zaworze a przepływem minimalnym, dającym się jeszcze kontrolować przy takim samym ciśnieniu różnicowym:

R = przepływ maksymalny przy w pełni otwartym zaworze / minimalny kontrolowany przepływ

Minimalny regulowany przepływ wyznaczamy zatem z zależności:

V_min = V_nom/ R 

Rys. 3. Zależności w procesie regulacji wynikające z rozdzielczości regulacyjnej,
autorytetu oraz braku równoważenia

Rozdzielczość regulacyjna a autorytet zaworu
Rozdzielczość regulacyjna jest parametrem zależnym od charakterystyki zaworu oraz tolerancji fabrycznej.

Dla zaworów o charakterystyce stało procentowej, rozdzielczość regulacyjna może znajdować się przykładowo w zakresie 1:25. Oznacza to, że minimalny regulowany przepływ stanowi dwudziestą piątą część, tj. 4% przepływu maksymalnego (nominalnego) na jaki dobrano zawór. Chcąc określić jak z kolei rozdzielczość objawia się w procesie zmiany mocy, należy minimalną regulowaną moc określić na podstawie wyliczonego przepływu korzystając z charakterystyki odbiornika. Dla przykładu w przypadku chłodnicy o parametrach 7/12/24 (Tz/Tp/Ti) minimalna regulowana wartość mocy dla 4% przepływu wynosi około 15% (rys. 2.).

Rozdzielczość regulacyjna jest parametrem, który w rzeczywistych warunkach pracy zaworu może ulegać modyfikacjom. Jej zmiany głównie zależą od autorytetu zaworu. Termin autorytetu szerzej został opisany w drugiej [2] oraz trzeciej części artykułu [3]. Im niższa jest wartość autorytetu, tym większe zachodzą odkształcenia charakterystyki zaworu, co oczywiście objawia się podwyższeniem dolnej granicy przepływu znajdującej się poza zakresem kontrolowanym.

Dla określenia minimalnego rzeczywistego przepływu który można jeszcze kontrolować należy skorzystać ze wzoru:

Vmin_rzeczyw = 100/(R * √a_z  )

gdzie:
R – rozdzielczość regulacyjna
a_Z – autorytet zaworu

Kontynuując analizę pracy chłodnicy (rys. 2.) załóżmy, że zainstalowany przy niej zawór regulacyjny posiada autorytet 0,5. Minimalny rzeczywisty regulowany przepływ wynosi 100/ (25√—0,5) = 5,7%. Osiągana przy tym przepływie moc, jaką odczytujemy z wykresu, to około 19% (rys. 2.). Reasumując regulacja chłodnicy z zaworem o rozdzielczości regulacyjnej 1:25 i autorytecie 0,5 w przedziale od 0 do 19% będzie zachodzić w trybie dwustawnym ON/OFF. Przy klimatyzacji komfortu sytuacja taka wykracza poza akceptowany poziom. Obciążenie chłodnicze w przedziale do 19% występuje bowiem średnio przez 25% sezonu chłodniczego dla przeciętnego budynku w naszej szerokości geograficznej. W przytoczonym przykładzie zatem przez ¼ czasu użytkowania, klimatyzacja będzie regulowana w trybie ON/OFF, mimo zastosowanych układów dla regulacji płynnej. Dodając do tego np. brak zrównoważenia instalacji na obiekcie, efekt ten zachodzi z jeszcze większą skalą. Brak zrównoważenia instalacji dający 50% nadprzepływu (Vrzecz =1,5 Vnom) doprowadziłby do podniesienia minimalnej mocy chłodnicy, nie podlegającej regulacji do poziomu 28,5%! (rys. 3.).

Rys. 8. Okno kalkulacyjne dla rur (opór, prędkość, rodzaj przepływu) w programie TA Select 4

Zawory regulacyjne o szerokiej rozdzielczości regulacyjnej (...)

Rozdzielczość regulacyjna w kontekście zaworu o charakterystyce liniowej (...)

Rozdzielczość regulacyjna w kontekście zaworu o charakterystyce stałoprocentowej (...)

Minimalna regulowana moc a rozdzielczość regulacyjna (...)

Podsumowanie
Rozdzielczość regulacyjna jest istotnym parametrem pod kątem jakości regulacji odbiorników. Mimo że podczas projektowania, dobierana jest armatura na maksymalne moce grzewcze lub chłodnicze to należy pamiętać, że te same elementy mają zagwarantować płynną regulację także przy minimalnych zapotrzebowaniach.

Artykuł miał za zadanie pokazać w jaki sposób odnieść informacje z kart katalogowych na temat rozdzielczości do konkretnego wymiennika i jak przekłada się to na rzeczywistą minimalną regulowaną moc. Przedstawiona została także relacją pomiędzy rozdzielczością a autorytetem oraz charakterystyką zaworu. Po raz kolejny ukazana została wyższość zaworów o charakterystyce stałoprocentowej nad liniową. Zwrócona została także uwaga na efekt zmiany mocy w konsekwencji zaniku przepływu turbulentnego.

Na zakończenie warto przypomnieć, iż przy doborze elementów regulacji płynnej należy zwrócić uwagę na wszystkie istotne parametry t.j. rozdzielczość, ale także charakterystykę zaworu, bliskość kvs rzeczywistego względem wyliczonego i minimalny autorytet. Zapewnienie każdego z tych elementów gwarantuje wysoką jakość regulacji odbiornika.

LITERATURA
[1] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 1 Ck&K
[2] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 2 Ck&K
[3] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 3 Ck&K
[4] Hydrauliczne równoważenie obwodów regulacyjnych. Zeszyt nr 3, TA Hydronics
[5] Total Hydronic Balancing, Robert Petitjean, TA Hydronics
[6] Hydronic balancing, Karoly Vinkler, Miklos Javori, TA Hydronics
[7] Materiały szkoleniowe TA Hydronics