Regulace malých průtoků a správné řízení minimálních průtoků v soustavách HVAC
Výkon, potřebný pro vytápění či chlazení budov, se v posledních letech dramaticky snižuje, díky čemuž i významně klesá spotřeba energií a dopad instalací HVAC na životní prostředí. To je bezpochyby dobrá zpráva. V důsledku to znamená mnohem nižší poměry průtoků v soustavách vytápění a chlazení, zejména pokud probíhá na koncových spotřebičích efektivní regulace.
Systémy je třeba projektovat tak, aby byl zajištěn minimální průtok pro nízko objemové vodní kotle a chladicí jednotky a aby se dal regulovat jejich výkon a udržovat jejich spolehlivý chod. To samé platí pro oběhová čerpadla, vyžadující určitou hodnotu minimálního průtoku. V tomto článku se zaměříme na:
- problém malých průtoků v kotlích, chladicích jednotkách a čerpadlech;
- hydronická řešení, zaručující minimální hodnotu průtoku;
- efektivní regulaci soustav s nízkým průtokem;
Hlavním úkolem projektanta HVAC je poskytnout nájemníkům maximální tepelný komfort při minimální spotřebě energie a zároveň zajistit co nejdelší životnost jednotlivých komponent soustavy vytápění a chlazení.
Obrázek 1: Tepelná výměna
K dosažení těchto cílů by měly přispět nové technologie za předpokladu, že udržíme pod kontrolou energii, potřebnou pro zajištění ideální pokojové teploty bez ohledu na venkovní podmínky. A v této chvíli přichází ke slovu regulace soustavy.
Volba typu regulace (On/Off, 3-bodová nebo proměnná) závisí na času odezvy regulované soustavy, ale také na požadované přesnosti a stabilitě teplot.
Vedle přesnosti regulace a stability musí vzít projektant v úvahu celkový výkon soustavy (spotřebu energie) v závislosti na typu regulace, doporučené pro dané koncové spotřebiče.
Obrázek 2: Vzorec pro výpočet výkonu
Výkon Q [W]
Průtok m [l/h]
Teplotní rozdíl ΔT [°K]
Hustota ρ hustota [kg/m3]
Specifické teplo Cp specifické teplo v J/kg.K
Pro vodu při 20 °C je vzorek zjednodušen na:
Obrázek 3: Zjednodušený výpočet pro vodu při 20 °C
Průtokové poměry v soustavě HVAC jsou proto přímo závislé na potřebném výkonu a teplotním rozdílu, na který má také vliv nastavení přívodní teploty topné/chladicí vody vzhledem k aktuální venkovní teplotě.
V současné době je požadovaný výkon soustavy vytápění mnohem nižší než třeba v 70. letech. Koeficient G byl snížen faktorem 4 a je to dáno také zpřísňující se legislativou na tepelné vlastnosti obálky budovy.
Obrázek 4: Změna spotřeby energie v budovách
Průtokový poměr v našich soustavách také souvisí s ΔT (rozdíl mezi teplotou přívodu a zpátečky), použité k dimenzování výměníků.
Zvyšování ΔT umožňuje snížení průtokového poměru, možnost zmenšení průměru potrubí, ventilů a hydraulických doplňků a snížení čerpací práce.
Zvyšování teplotního rozdílu vede ke zvětšování koeficientu termální účinnosti Φ.
Červená křivka na obrázku 5 odpovídá ΔT = 25 °C (70–45 °C). Je patrné, že tato křivka výkonu v závislosti na průtoku není tak strmá jako křivka v modré barvě, odpovídající ΔT = 20 °C (80–60 °C), což je prospěšné s ohledem na regulaci výkonu. Všimněte si na obou křivkách rozdílu ve výkonu např. při průtoku 20 %. Abychom udrželi stejný výkon, musíme nastavit průtok dle modré křivky na cca 12 %. Systémy s většími teplotními spády vyžadují větší pozornost při navrhování regulačních prvků především s ohledem na jejich schopnost řídit menší průtoky.
Obrázek 5: Křivka výkonu jako funkce ΔT
Současným trendem je snižování přívodní teploty v případě vytápění a zvyšování přívodní teploty v případě chlazení s cílem zvýšit efektivitu výroby tepla a chladu a snížit tepelné ztráty/zisky. Tento trend však neumožňuje zvyšovat teplotní rozdíl mezi přívodní a vratnou vodou, protože by to vyžadovalo velké výhřevné plochy s dopadem na estetiku a finanční náročnost takových soustav.
Již jsme se podívali na nominální provozní podmínky, jmenovitě potřebný výkon a ΔT. Průtokový poměr zařízení také závisí na požadovaném výkonu během provozu po celou dobu vytápění či chlazení.
Obrázek 6: Podíl sezóny vytápění nebo chlazení jako funkce požadovaného výkonu
Grafy na obrázku 6 ukazují, že pro 85 % topné sezóny a 73 % chladicí sezóny systém pracuje při zatížení (výkonu) pod 50 %. Samozřejmě budou tyto hodnoty kolísat v závislosti na typu budovy, jejího využití a také klimatické oblasti.
Skutečností ale je, že většinu času naše zařízení pro vytápění či chlazení pracuje na méně než 100 % výkonu. Tohoto výkonu obvykle nedosahuje nikdy, protože zde vstupuje faktor předimenzování zařízení vůči skutečným požadavkům a také odlišné zatížení budovy oproti výpočtům. Většina budov pracuje obvykle s výkonem do 80 %. Mimo nejchladnější/nejteplejší období roku nejsou výjimkou provozní stavy se zatížením do 50 %.
Křivka závislosti výkonu na průtoku (obr. 5) ukazuje, že pro výkon 50 % je zapotřebí průtok do 20 %. Instalace s proměnlivým průtokem s plynulou regulací bude fungovat s malými průtokovými poměry blízko 20 % nominální hodnoty průtoku. Je tedy zřejmé, že regulace se bude pohybovat v rozsahu 0–20 % pro řízení výkonu 0–50 %.
Problém malých průtoků
Malé průtokové poměry ovlivňují celou soustavu HVAC.
Ačkoli je proměnný průtok žádoucí a vede k úspornému provozu, musíme vzít v úvahu, že je třeba zabezpečit minimální průtok požadovaný pro kotle, chladicí jednotky, čerpadla, ale také pro samotné regulační armatury, které nedokážou řídit mikro-průtoky. Volba charakteristiky regulačního a vyvažovacího ventilu musí vzít v úvahu problémy regulace nižších průtokových poměrů, které se regulují obtížněji.
Rovněž samotné tepelné výměníky mají minimální požadavek na průtok, aby dokázaly předat dodané teplo.
Moderní čerpadla fungují s proměnnými otáčkami a pro správný provoz regulace vyžadují určitý minimální průtok. Větší čerpadla vyžadují minimální otáčky, aby se dokázaly uchladit.
Z pohledu potrubní sítě malé průtoky snižují rychlost proudění s následky v podobě usazenin a vzduchových kapes.
Obrázek 7: Dopady nízkých průtoků u soustav vytápění a chlazení
Obrázek 8: Chlazení motoru čerpadla
Minimální průtokové poměry pro čerpadla
Je všeobecně známo, že čerpadlo nesmí běžet bez vody.
Nárůst energie generuje teplo, které může poškodit hřídel, oběžné kolo či mechanickou ucpávku. Přečerpávaná tekutina pomáhá chladit motor (viz obrázek 8).
Minimální průtok, který musí být zajištěn pro zachování chodu závisí na technologiích.
Informace v tabulce (viz obrázek 9) je od firmy Wilo a předkládá příklad poměru minimálního průtoku pro jednotlivé modely čerpadel.
Obrázek 9: Minimální hodnota průtoku podle technologie čerpadla
Minimální průtok pro kotle a chladicí jednotky
Obrázek 10: Chladicí jednotka
Pro chladicí jednotky se běžně uvažují 2 faktory: přijatelný minimální průtok pro výparník a kolísání rychlosti průtoku. Dovolené kolísání rychlosti průtoku se může lišit v závislosti na výkonu regulačního systému jednotky.
Sofistikovanější regulační systémy umožňují rychlé kolísání průtoku až do 30 % za minutu, ale ty jednodušší neakceptují rychlé změny a jejich limit je obvykle 2 % za minutu. Přijatelný minimální průtokový poměr pro výparníky je často mezi 40 % a 60 % nominální hodnoty průtoku. Samozřejmě je třeba držet se doporučení od výrobce.
Obsah vody v kotlích se dramaticky snižuje, aby se dosáhlo lepší efektivity.
Ačkoli kolísání průtoku je možné, je nutné zaručit minimální průtok na topných jednotkách, abychom se vyhnuli nadměrnému mechanickému namáhání a abychom eliminovali přehřívání určitých částí, a tím jsme poskytli stabilní podmínky pro regulaci výkonu.
Někteří výrobci instalují recirkulační čerpadlo pro zajištění doporučeného minimálního průtoku.
Doporučený minimální průtok pro kotle je obvykle mezi 10 % a 30 % nominální hodnoty průtoku.
Usazeniny a vzduchové kapsy
Obrázek 11: Usazeniny
Nízké průtoky znamenají, že tekutina cirkuluje potrubím pomaleji. Vzduch a kyslík, které se dostanou do soustavy, způsobují vznik koroze. Pomalu proudící částice, vzniklé touto korozí, se postupně usazují v potrubí a ucpávají výměníky a ventily. Velmi důležité je věnovat pozornost kvalitě vody, provádět pravidelné kontroly parametrů, provádět kvalitní odplynění a udržovat správný tlak v soustavě, která má vliv na množství uvolňovaných plynů z topné/chladicí kapaliny, což je nejčastěji voda.
Pokles teploty v distribuční soustavě
Pokles teploty v trubce závisí na tepelných ztrátách (ziscích) a průtoku. Pro daný teplotní režim závisí ztráty na síle a materiálu tepelné izolace a především na kvalitě provedení.
Z grafu na obrázku 12 můžeme vidět, že pro řádně izolovanou trubku (modrá křivka) bude pokles teploty při malých průtocích do 20 % zanedbatelný.
U průtoku 20 % je pokles teploty cca 0,2 °C na metr potrubí.
S proměnným průtokem pak průtokový poměr 20 % odpovídá 50 % výkonu, který se často týká většině doby provozu. V tomto bodě už pokles teploty (zisk při chlazení) už není zanedbatelný.
Obrázek 12: Pokles teploty izolovaného a neizolovaného potrubí DN 32 v závislosti na průtoku
Jak zabezpečit minimální průtok?
Obrázek 13: Potrubní zkrat
Jednoduchý a oblíbený způsob, aby průtok nikdy neklesl pod minimální hodnotu, je použít statické propojení obou okruhů potrubí, akumulační nádobou nebo hydraulickým vyrovnávačem dynamických tlaků (viz obrázek 13), zajišťující stálý průtok přes kotle či chladicí jednotky.
Tento „potrubní zkrat“ je dimenzován tak, aby měl malou tlakovou ztrátu, což způsobí hydraulické „oddělení“ primárního a sekundárního okruhu.
Kolísání průtoku na sekundární straně, způsobené například zavíráním regulačních ventilů, nebude mít vliv na průtok cirkulující přes chladicí jednotky.
Nebudeme zde řešit dimenzování tohoto prvku, je třeba mít na paměti, jak je důležité zajistit kompatibilitu průtoků mezi primárním a sekundárním okruhem.
Příklad na obrázku 14 zobrazuje sekundární průtok ve výši 150 % a primární 100 %.
Obrázek 14: Nekompatibilita průtokových poměrů mezi primárním a sekundárním okruhem bypassu
To znamená, že 50 % vody ve zpátečce sekundárního okruhu teče zkratovacím potrubí a míchá se s přívodním médiem o teplotě 6 °C z primárního okruhu chladičů.
Mísení ovlivňuje přívodní teplotu do sekundárního okruhu se spotřebiči, a dosahuje tak hodnoty 7,9 °C místo 6 °C. To často vede ke spínání dalších chladičů, jejich cyklování a celkově k nehospodárnému provozu. Někdy je tato situace špatně vyhodnocena jako nedostatečný výkon chladičů. Vyšší teplota přívodu má zásadní vliv na pokles výkonu celé soustavy. Sekundární průtok by měl být menší než primární do výše 5 %.
Pro lepší efektivitu výroby tepla a chladu se v poslední době objevují na trhu kotle a chladicí jednotky schopné pracovat s proměnným průtokem.
Obrázek 15: „Dynamický“ zkrat
V takovém případě se využívá tzv. „dynamický“ zkrat (viz obrázek 15), který zůstává zavřený do chvíle, dokud průtokový poměr v primárním okruhu nedosáhne minimální hodnoty, předepsané výrobcem chladicí jednotky nebo kotle.
Zkrat je osazen přepouštěcím ventilem, nebo regulačním ventilem s pohonem, nebo regulačním ventilem a průtokoměrem s možností přímého měření průtoku přenášeného do systému MaR.
Jakmile dosáhne průtok v okruhu zdroje limitní hodnoty, dojde k otevírání zkratu se snahou dodržet minimální průtok. Pokud začne průtok stoupat, zkrat se opět uzavírá. Je třeba věnovat zvláštní pozornost pohonu a charakteristice regulačního ventilu, který by se neměl otevírat a zavírat příliš rychle, a tím způsobovat nestabilitu.
Na ochranu čerpadel, udržení stabilní teploty v potrubí a zabránění vzniku vzduchových kapes a usazenin, musí být minimální hodnota průtoku garantována až do koncových oblastí každého okruhu (viz obrázek 16).
Obrázek 16: Minimální hodnota průtoku na konci okruhů
Způsob, jakými můžeme garantovat minimální hodnotu průtoku přes oběhové čerpadla je na obrázku 16.
Zde nabízíme 4 způsoby, jak zajistit minimální průtok zkratem na koncových částech okruhů:
Obrázek 17: Plusy a mínusy zkratů na koncích okruhů
Pevný bypass s vyvažovacím ventilem STAD má tu výhodu, že jej lze snadno nainstalovat a není drahý. Tento bypass je možné nastavit např. na 70 % minimálního průtoku soustavou a předpokládat, že zbylých 30 % bude protékat spotřebiči. Pokud nastane situace, že budou v provozu pouze tyto zkraty, pak naroste jejich tlaková ztráta a bude zkraty protékat 100 %. Průtok zkratem i jeho umístění je nutné zvolit s ohledem na okolní spotřebiče, aby nedocházelo vlivem zkratu k podprůtokům i při běžném provozu. To je zásadní nedostatek těchto pevných zkratů.
Pevný zkrat lze doplnit přepouštěcím ventilem. Správně navržený přepouštěcí ventil se neotevře, dokud není tlak navýšen poté, co se 2-cestné ventily v síti uzavřou. To omezuje náklady na čerpací práci a nechtěné nadprůtoky, a s tím spojené zvýšení teploty zpátečky i za běžného provozu.
Minimální průtokový poměr lze také zajistit použitím 3-cestných přepínacích ventilů na místo 2-cestných pro koncové spotřebiče. Toto řešení se také snadno instaluje. Avšak i zde dochází k vyšší degradaci vratné vody. Průtok koncovým spotřebičem nemusí být dostatečný pro zajištění minimálního průtoku čerpadlem a může se stát, že těchto spotřebičů bude potřeba mít v celém systému více.
Nejlepší řešení je použití zkratu s tlakově nezávislým regulačním ventilem případně i s pohonem. Na ventilu se nastaví požadovaný průtok a pohon otevře tento zkrat reverzně k poslednímu nebo skupině posledních spotřebičů tak, aby byl v provozu jen, pokud ostatní spotřebiče uzavřou. Ventil může být řízen také systémem MaR. Výhodou je snadné nastavení, eliminace nadprůtoků a provoz zkratu jen v nezbytně nutných případech.
Efektivní regulace malých průtoků
Zajištění minimálního průtoku není jediná věc, kterou je třeba řídit v kontextu malých průtoků. Dalším problémem je, jak správně regulovat výkon výměníků fungujících s malými průtoky.
K vyřešení tohoto musí věnovat projektant zvláštní pozornost charakteristice 2-cestných ventilů. Dvě hlavní kritéria jsou charakteristika ventilu a oblast těsně před uzavřením, zpravidla do 5 % průtoku.
Obrázek 18: Charakteristika a vypnutí regulačního ventilu
Pro regulaci „On-Off“ jsou tato kritéria bezpředmětná, protože ventil je buď otevřen nebo uzavřen. I tak je důležité mít lineární charakteristiku, aby kolísání průtoku nebylo moc rychlé.
Pro efektivní plynulou regulaci jsou tato kritéria absolutně nezbytná. EQ regulační charakteristika průtoku je způsob kompenzace nelinearity výměníků (poměr průtoku/výkonu), viz graf na obrázku 5. Tato charakteristika poskytuje mnohem větší oblast zdvihu pro regulaci malých průtoků než lineární charakteristika. Pro regulaci průtoků mezi 0 a 20 % bude ventil pracovat se zdvihem mezi 0 a 50 % (obrázek 18), což je 2,5× více než u lineárního ventilu.
Dalším důležitým kritériem je oblast těsně před uzavřením regulačního ventilu, kterou vyjadřuje tzv. regulační poměr.
Regulační poměr nám umožňuje vypočítat minimální regulovatelný průtok.
Např. hodnota 25 znamená, že minimální regulovatelný průtok je 100/25 = 4 % nominální hodnoty průtoku. To se zdá celkem málo, ale abychom zjistili, co to opravdu znamená, musíme se podívat na minimální regulovatelný výkon.
Obrázek 19: Minimální regulovatelný výkon jako funkce regulačního poměru a autority
Graf na obrázku 19 ukazuje regulovatelný výkon jako funkci autority a regulačního poměru ventilu. Autorita závisí na kolísání tlaku přes regulační ventil při otevření na nominální průtok a při plném uzavření. Autorita závisí na volbě ventilu (Kvs) a dostupného diferenčního tlaku na začátku okruhu během chodu. Autority mezi 0,5 a 0,8 jsou možné s regulátory tlakové diference nebo tlakově nezávislými ventily a je to ideální stav pro kvalitní regulaci.
Modrá křivka v grafu na obrázku 19 nám ukazuje, že pro ventil s autoritou 0,6 a regulačním poměrem 25 je minimální regulovatelný tlak 20 %, což odpovídá asi 30 % provozní doby instalace. Jinými slovy soustava by fungovala v režimu On/Off na 30 % provozní doby navzdory veškerým investicím do sofistikované proměnné regulace.
Regulační poměr 100 nebo více garantuje kvalitní plynulou regulaci pro téměř celou provozní dobu soustav, zvláště pro ventily ve VZT jednotkách nebo tepelných a chladicích výměnících.
Závěr
Soustavy se vyvíjejí a mění a je třeba umět regulovat stále menší a menší průtoky. Naše nároky na komfort se zvyšují, protože trávíme v budovách více času.
Pokud tomu nebudeme věnovat pozornost, budeme riskovat zkracování životnosti komponent (čerpadel, kotlů, chladicích jednotek) a neustále řešit s tím spojené reklamace a stížnosti uživatelů.
Kvalita vody, a zvláště absence vzduchu, je kriticky důležitá ve všech soustavách, které fungují většinu provozní doby s nízkým průtokem.
Ve srovnání s cenou energií nebo předčasným opotřebením je investice potřebná na správnou regulaci minimálních průtoků relativně zanedbatelná.
Projektant HVAC musí věnovat zvláštní pozornost charakteristikám ventilů, a i jejich umístění. Dnešní široká paleta komponentů regulační a vyvažovací techniky umožňuje vyřešit jakýkoliv projektový úkol.
Naší doménou jsou vysoce efektivní řešení pro HVAC soustavy: udržování tlaku a kvality vody; vyvažování, regulace a ovládání; termostatická regulace včetně unikátní technologie AFC® s Eclipse Inside. Produkty značek Heimeier, TA a Pneumatex šetří čas, ...