Regulace topných a chladicích systémů (I)
AKTUALIZACE ČLÁNKU 5/2014
Hlavním účelem balančních ventilů je vyvážení hydraulických okruhů soustav vytápění a chlazení. Dosažení hydraulické rovnováhy umožňuje ostatním komponentům okruhů, jako jsou regulační ventily nebo výměníky tepla a chladu, pracovat za optimálních podmínek. Čímž se vytvoří optimální klima v pracovních nebo obytných prostorech.
U rozvodů teplé vody s cirkulací pro domácnosti je cílem dosažení cirkulujícího průtoku odpovídajícího aktuální spotřebě a tím snížení energetických ztrát, vyšší energetická efektivita zdroje, zvýšení komfortu odběru teplé vody, zvýšení hygenického standardu a ostranění problémů s fakturací za vodu o kolísající teplotě.
Tento článek je úvodním dílem k seriálu vzorových řešení topných, chladicích a vodovodních instalací.
V vytápění, chlazení a rozvodech teplé vody jsou použity tyto armatury:
Doporučené řešení pro topné systémy a pro cirkulaci teplé vody
Doporučené řešení pro systémy chlazení
Soustava s proměnným průtokem, typické využití pro fan-coilové jednotky vytápěcích-chladicích soustav a všech druhů koncových jednotek (např. AHU)
V této aplikaci je proměnný průtok v rozvodném potrubí a regulátor průtoku (či regulace) v celé koncové jednotce funguje nezávisle na oscilaci tlaku v soustavě. Tak se eliminuje riziko nadprůtoku po celou dobu provozu
Systémová analýza
1. Návrh
- JEDNODUCHÁ METODA VÝPOČTU: není nutný výpočet Kvs, autority či hydraulického nastavení
- Autorita 100 % – tlakově nezávislá regulace
- Zjednodušený výpočet nastavení průtoku podle spotřeby tepla
- Výpočet výtlačné výšky čerpadla podle min Δp na ventilu a tlakové ztráty soustavy při nominálním průtoku
2. Provozní náklady
- NEJNIŽŠÍ čerpací náklady F) (odpadá problém s nadprůtokem)
- Tepelné ztráty i tepelné zisky v potrubí jsou minimální
- NEJNIŽŠÍ požadavek na požadovanou výtlačnou výšku čerpadla
- Doporučená optimalizace výtlačné výšky čerpadla J)
- Regulační ventily – 100% AUTORITA a nejvyšší účinnost – minimální oscilace teploty v místnosti K)
- Není zapotřebí opakovaně systém uvádět do provozu C)
3. Investice
- Investiční náklady I) – DOBRÉ (jen 2 porty PIBCV)
- Žádný hydraulický prvek v systému
- Nejnižší počet ventilů v systému (nižší instalační náklady I))
- Není zapotřebí soustavu uvádět do provozu B)
- Doporučený je pohon s proměnlivou rychlostí S) (proporcionální charakteristika)
4. Navrženo pro rychlou instalaci
- Hydraulická regulace jen u koncových jednotek se 100% AUTORITOU
- Vyvážení při plné i částečné zátěži – VYNIKAJÍCÍ
- Není zapotřebí žádné uvedení do provozu
- Čerpadlo s proměnnými otáčkami zajišťuje nejefektivnější úsporu energie T)
5. Jiné
- PIBCV dokáže uzavřít i při 6 bar
- Nulový nadprůtok L)
- Optimalizace pro obvyklé čerpadlo
- Minimální celková spotřeba energie
- MAXIMÁLNÍ ÚSPORA ENERGIE
Soustava s proměnným průtokem, typické využití pro fan-coilové jednotky (chladicích) soustav a jednotky AHU
V této aplikaci je proměnný průtok v rozvodném potrubí a konstantní diferenční tlak na obou větvích či AHU nezávisle na oscilacích tlaku v soustavě. Tak se eliminuje většina zbytečného problému s nadprůtokem a hlukem při částečné zátěži.)
Systémová analýza
1. Návrh
- JE ZAPOTŘEBÍ TRADIČNÍ VÝPOČET A): Kvs ventilu, autorita MCV
- Podle implikovaného hydraulického výpočtu (můžete soustavu rozdělit podle regulační smyčky)
- Je zapotřebí výpočet nastavení v rámci regulační smyčky
- Výpočet výtlačné výšky ventilu podle nominálního průtoku
2. Provozní náklady
- NÍZKÉ čerpací náklady F) (omezená délka kvůli riziku nadprůtoku)
- Tepelné ztráty i tepelné zisky v potrubí jsou nízké
- Vyšší potřeba dopravního tlaku ventilu – je třeba větší tlaková ztráta Δp regulátoru
- Hodí se optimalizace dopravního tlaku čerpadla J)
- Regulační ventily – lze dosáhnout dobré autority E) a lepší účinnosti – nižší oscilace teploty v místnosti K)
- Není třeba uvádět soustavu znovu do provozu C) (leda v případě dlouhé regulační smyčky)
3. Investice
- Investiční náklady I) – DOBRÉ („levný“ 2cestný ventil s ABPC smyčkami)
- Nákladné velké automatické regulátory tlakové diference (ABPC)
- Vyvážení soustavy není třeba B), leda v případě dlouhé regulační smyčky
- Doporučuje se čerpadlo s proměnnými otáčkami S) (konstantní tlaková charakteristika)
- Do smyčky v koncové jednotce je třeba umístit manuální seřizovací ventil, aby bylo možno nastavit průtok i pro dlouhé smyčky.
4. Navrženo pro rychlou instalaci
- Hydraulická regulace jen na koncových jednotkách (radiátorech), jejichž Δp na nejbližším regulačním ventilu je konstantní
- Vyvažování při plné i částečné zátěži – DOBRÉ
- Uvedení do provozu není nutné, leda v případě dlouhé regulační smyčky (je třeba nastavení ventilu)
- Čerpadlo s proměnnými otáčkami zajišťuje úspory energie T)
5. Jiné
- Uzavírací tlak zónových ventilů by měl být 50 % nad nastavením tlaku v regulátoru ΔP
- Mírný nadprůtok při částečné zátěži (manuální vyvažování ve smyčce)
- Obvykle je čerpadlo předimenzováno a přetěžováno, aby se dosáhlo normální autority u MCV.
Soustava s konstantním průtokem, typické využití v FCU vytápěcích-chladicích soustavách a v AHU
U této aplikace je zaručen 100% konstantní průtok v rozvodném potrubí. Tato aplikace nabízí automatické vyvážení a odstraňuje nadbytečný nadprůtok při práci s částečným zatížením.
Systémová analýza
1. Návrh
- JE ZAPOTŘEBÍ TRADIČNÍ VÝPOČET A): Kvs ventilu, autorita MCV
- Zjednodušený hydraulický výpočet s regulátorem průtoku (není třeba přednastavení, pouze nastavení průtoku)
- Výpočet dopravního tlaku ventilu podle nominálního průtoku
2. Provozní náklady
- VYSOKÉ čerpací náklady F)
- Tepelné ztráty i tepelné zisky v potrubí jsou vysoké
- Není možná optimalizace dopravního tlaku čerpadla J), pokud je mimo charakteristiku čerpadla
- Regulační ventily – dobrá autorita E) a vysoká efektivita se nedá docílit K) (v případě modulační kontroly)
- PROBLÉMY S NÍZKÝM ΔT H) – v případě, že neregulujeme teplotu vratné vody, nízká efektivita boileru a chladícího stroje
3. Investice
- Investiční náklady I) – VELMI VYSOKÉ (3cestný ventil + PIBV)
- Hydraulická regulace pouze na otopných tělesech
- Méně ventilů než u 2.1.4. aplikace, nižší instalační náklady
- Uvedení soustavy do provozu B) není nutné
4. Navrženo pro rychlou instalaci
- Vyvažování při plné i částečné zátěži – VELMI DOBRÉ, po celou dobu konstantní průtok
- Uvedení soustavy do provozu není nutné ani když je rozšiřována či vyměňována
- Spotřeba energie čerpadla stálá, mnohem vyšší než u soustavy s proměnným průtokem O)
5. Jiné
- Uzavírací tlak zónových ventilů by měl být stejný jako dopravní tlak čerpadla při nulovém průtoku, tlak se nesníží
- Vyvažování při částečném zatížení – přijatelné až DOBRÉ, závisí na kapacitě čerpadla
- Obvykle je čerpadlo předimenzováno, ale tlak je podle nastavené hodnoty na regulátoru průtoku
- SOUSTAVA S REÁLNÝM KONSTANTNÍM TOKEM
Soustava s konstantním průtokem, typické využití v FC vytápěcích-chladicích soustavách a AHU
U této aplikace je zajištěn přibližně konstantní průtok v rozvodném potrubí. Jedná se o okamžité řešení, kde je levná energie, ale automatické balanční ventily nejsou k dispozici.
Systémová analýza
1. Návrh
- JE ZAPOTŘEBÍ TRADIČNÍ VÝPOČET A): Kvs ventilu, autorita MCV, přednastavení MBV
- Jednoduchý hydraulický výpočet s regulátorem průtoku (není třeba žádné přednastavení, pouze nastavení průtoku)
- Výpočet dopravního tlaku čerpadla při částečném provozu (nadprůtok v obtoku)
2. Provozní náklady
- VELMI VYSOKÉ čerpací náklady F) 3.2 (kvůli nadprůtoku)
- Tepelné ztráty a tepelné zisky v potrubí jsou vysoké
- Optimalizace dopravního tlaku čerpadla J) NENÍ MOŽNÁ. Pouze pokud jsou použity partnerské ventily N) (MBV).
- Regulační ventily – nelze docílit dobrou autoritu a vysokou účinnost E), vyšší oscilace teploty v místnosti K) (v případě modulační regulace)
- SYNDROM NÍZKÉHO ΔT H) nemá kontrolu nad teplotou vratné vody, nižší efektivita boileru a chladícího zařízení
- Čas od času je nutné znovu seřídit soustavu C) (dle úlohy EPBD R) ) – zajistí zkušený zprovozňovací tým
3. Investice
- Investiční náklady I) – VYSOKÉ (3cestný ventil + MBV + uvedení do provozu)
- Jsou nutné velké dimenze partnerských ventilů N)
- Více ventilů – vyšší instalační náklady I) (zvláště u extra přírub pro větší ventily!)
- Uvedení soustavy do provozu B) nutné
4. Navrženo pro rychlou instalaci
- Vyvažování při plném zatížení – VELMI DOBRÉ, při částečném zatížení pouze PŘIJATELNÉ
- Uvedení soustavy do provozu je nutné
- Při částečné zátěži bude průtok o 20–40 % vyšší než navržený průtok, je třeba větší čerpadlo
- Čerpací náklady F) jsou daleko vyšší při částečném zatížení
5. Jiné
- Uzavírací tlak zónových ventilů by měl být stejný s dopravním tlakem čerpadla při nulovém průtoku, tlak není snížen
- Obvykle je čerpadlo předimenzováno a přetíženo, aby se zajistil správný stav pro MBV
- soustavě není konstantní reálný průtok G), pokud v obtoku není MBV P) (např. na FCU)
Poznámky
*Doporučená – správná funkce, vysoká efektivita
**Přijatelná – správná funkce, méně účinné
A Tradiční výpočet: Pro správnou regulaci musíme vzít v úvahu dvě hlavní charakteristiky; autoritu regulačního ventilu a tlakovou ekvivalenci před každou koncovou jednotkou. Z tohoto důvodu musíme spočítat požadovanou hodnotu Kvs regulačních ventilů a brát celou hydraulickou soustavu jako jednu jednotku.
B Uvedení do provozu: Musíme spočítat požadované nastavení manuálního a automatického seřizovacího ventilu tradičním výpočtem, nežli předáme budovu uživateli. Musíme se ujistit, že průtok odpovídá požadovaným hodnotám. Proto (kvůli nepřesnosti instalace) musíme zkontrolovat průtok v měřících bodech a případně provést nápravu.
C Znovuuvedení soustavy do provozu: Občas je třeba provést znovu kontrolu (např. v případě změny funkce a velikosti místnosti, regulace ztráty tepla a tepelných zisků).
D Kompenzační metoda uvedení do provozu: Speciální zprovozňovací procedura, pokud je použit partnerský ventil ke kompenzování výkyvů manuálního seřizovacího ventilu (pro více informací kontaktujte Danfoss).
E Dobrá autorita: Autorita je velikost deferenčního tlaku, který zpomaluje úbytek tlaku v regulačním ventilu a porovnává se s dostupným diferenčním tlakem
a = Δp MCVΔp MCV + Δp potrubí/jednotek
Autorita je dobrá, pokud je hodnota min. 0,5–0,6.
F Čerpací náklady: Výdaje, které musíme zaplatit za spotřebovanou energii čerpadla.
G Konstantní průtok: Průtok v soustavě či jednotce, který se po celé období provozu nemění.
H Syndrom nízkého ΔT: Je výrazný hlavně u soustav chlazení. Pokud nelze zajistit potřebné ΔT v soustavě, účinnost chlazení dramaticky klesá. Tento symptom se ale může objevit i v soustavách vytápění.
I Investiční (instalační) náklady: celá fi nanční částka, kterou musíme zaplatit za danou část instalace (v případě srovnání musíme vzít do úvahy veškeré náklady na implementaci včetně instalace a jiných příslušenství).
J Optimalizace čerpadla: případě elektricky řízené spotřeby čerpadla lze redukovat dopravní tlak čerpadla do bodu, kde je zajištěn v celé soustavě požadovaný průtok, ale spotřeba energie klesne na minimum.
K Oscilace teploty v místnosti: Reálná teplota v místnosti se po celou dobu odchyluje od nastavené teploty. Oscilace je velikost této odchylky.
L Není nadprůtok: průtok koncovou jednotkou odpovídá žádoucímu průtoku, bez nadprůtoku.
M DHW: Rozvody teplé vody (Domestic Hot Water).
N Partnerský ventil: Dodatečný manuálně seřizovací vetil je dobé využít pro zajištění správného vyvážení ve všech větvích.
O Proměnný průtok: Průtok v soustavě soustavně kolísá podle aktuální zátěže. Závisí na externích okolnostech jako je sluneční svit a interní tepelné zisky či obsazenost místnosti.
P Chybějící obtok: případě aplikace FCU s 3 či 4 cestným ventilem, MBV na obtokové větvi chybí. Tak není možné vyrovnávat tlakovou ztrátu v FCU v obtokové větvi. Průtok pak nebude stejný.
Q Termální desinfekce: V systémech DHW se dramaticky zvyšuje počet bakterií Legionella při teplotě blízké výtokové teplotě. Ta způsobuje nemoci a může vést i k úmrtí. Proto je nutná pravidelná desinfekce. Nejjednodušším způsobem je zvýšit teplotu v DHW nad ~60–65 °C. Při takové teplotě se bakterie zničí.
R EPBD: Energetický výkon dle stavební směrnice (Energy Performance of Building Directive) – podle doporučení 2002/91/EK, které je v EU povinné od 2. ledna 2006. Tento předpis pojednává o úsporách energie a o revizích soustav.
S Pohon s proměnnými otáčkami (Variable Speed Drive, VSD): Oběhové čerpadlo je vybaveno vestavěným či externím elektronickým regulátorem, který zajišťuje konstantní, proporční (či paralelní) diferenční tlak v soustavě.
T Úspora energie: Snížení nákladů na elektrickou a nebo tepelnou energii.
V Skupina: 2–4 ks koncových jednotek řízených jedním teplotním signálem.
W Přepínání: V soustavách, kde vytápění a chlazení nemůže fungovat současně, musí soustava přepínat mezi těmito režimy provozu.
X Třída „A“: Místnosti jsou klasifi kovány podle toho, jaké poskytují pohodlí (norma EU). „A“ je nejvyšší třída s nejmenší oscilací teploty a nejlepším pohodlím.
Y Stabilní teplota v místnosti: Lze jí dosáhnout proporčním přímočinným či elektronickým regulátorem. Tato aplikace brání oscilacím teploty v místnosti díky hysterezi on/off termostatu.
Z Výtoková teplota: Teplota, která se okamžitě objeví, jakmile se otevře kohoutek.
Danfoss nabízí: regulační prvky pro CZT, termostatické hlavice, ventilová tělesa a šroubení, armatury pro vyvážení soustav v rezidenčních a komerčních budovách, produkty pro chytré vytápění - ovládání radiátorů a podlahového vytápění vzdáleně přes ...