Soustavy s proměnným průtokem Ing. Rudolf Talian
Soustavy s proměnným průtokem jsou, jak už název příspěvku napovídá, soustavy, kde se množství protékajícího média ve vztahu k měnící se potřebě přenášeného výkonu mění, tj. oběhové množství teplonosné látky není za všech provozních stavů v dané soustavě stejné. Příklady soustav s proměnným průtokem • obecně všechny otopné soustavy (vyjma specifických technologických topných okruhů fungujících na principu chod/stop bez dalších regulačních mechanismů) • většina chladicích soustav (obecně tehdy, jedná-li se o zapojení s dvoucestnými ventily) • některé případy chlazení technologických procesů Tlakové poměry v soustavách s konstantním průtokem Jak je z obecně platných fyzikálních zákonů známo, tlaková ztráta třením (a tudíž potřeba čerpací práce) je úměrná druhé mocnině průtoku. Hodnota kv celé soustavy, která je ve jmenovateli 2 rovnice, je pro jednu konkrétní soustavu konstantou. Jak z výše Q uvedeného vzorce vyplývá, potřeba čerpací práce je dána [kPa, l/h] ∆p = 100 × kv průtočným množstvím a hodnotou (či chcete-li charakteristikou) kv celé soustavy a jelikož hodnota kv je konstantou pro danou konkrétní soustavu a průtočné množství se v závislosti na potřebu přenášeného výkonu mění, mění se tedy i potřeba čerpací práce. Z tohoto faktu je třeba vycházet při volbě řešení takovéto soustavy a samozřejmě i při volbě použitých komponentů. Na obrázku č. 1 je vidět typický příklad topné soustavy s proměnným průtokem. Stoupačka 1
Stoupačka 3
Stoupačka 2
FCU 2NP Spotřebiče n NP
Radiátory n NP
p+
D 901 ∆p
D 93x
DA 518
p+
p-
DAF 516 FCU 1NP Spotřebiče 2 NP
Radiátory n NP
p+
Spotřebiče 1 NP
DM 931
D 93x
DA 518 Radiátory n NP
p+
p+
DA 516
D 93x DA 518
VZT 1
p+
VZT 2
DA 516 Zdroj tepla
E
KTM 512
KTM 512
∆p
OČ DM 900
Obr. 1 Soustava s proměnným průtokem
Jak je z obr. 1 patrné, průtok teplonosného média (topné vody) se bude v celé soustavě spojitě měnit v závislosti na okamžitém výkonu potřebného pro každý jednotlivý spotřebič. Na schématu jsou znázorněny čtyři základní typy řešení, z nichž každé má své opodstatnění, výhody a samozřejmě i svá omezení. Energie pod Vaší kontrolou 2006
11
Jak lze tedy tyto soustavy vhodně řešit, jaké komponenty (armatury) jsou k dispozici a samozřejmě i jaké limity daná řešení mají, jsou otázky, na které se pokusíme odpovědět dále. Nejprve se však musíme zaměřit na základní komponent, který nám umožňuje dopravu teplonosné látky ke spotřebičům, a tím je oběhové čerpadlo. Volba čerpadla K dispozici máme obecně čerpadla s konstantními otáčkami anebo čerpadla s proměnnými otáčkami. K řešení této soustavy můžeme v principu použít oba druhy čerpadel. Podívejme se však, jak se budou v soustavě chovat. Na obrázku č. 2 je pro srovnání vidět rozdíl mezi pracovními body v soustavě s konstantním průtokem a soustavě s proměnným průtokem. Na obrázku č. 2 jsou pro srovnání zobrazeny pracovní body u obou typů soustav (soustava s konstantním průtokem a soustava s proměnným průtokem), jak v poloze regulačních ventilů 100% přenášeného výkonu, tj. plně otevřeno (na obrázku značeno Qmax, Hmax), tak v poloze 0% přenášeného výkonu, tj. úplně uzavřeno (na obrázku značeno Qmin, Hmin). Ze srovnání vyplynou i různé přístupy k řešení obou typů soustav. QminOČ
H
H
QminOČ
Křivka pracovních bodů Charakteristická křivka topné soustavy topné soustavy
Hmax=Hnom
H=konst
QmaxOČ
3. st. 2. st. 1. st.
nmaxOČ Hmin
nminOČ
Qmin~Qnom~Qmax
Q
Qmin
Soustava s konstantním průtokem
Q
Qmax=Qnom
Soustava s proměnným průtokem
Obr. 2 Porovnání pracovních bodů mezi soustavou s konstantním a s proměnným průtokem
Jak je vidět na výše uvedeném obr. 2, zatím co se soustava s konstantním průtokem po hydraulickém vyregulování ustálí v jednom provozním bodě, a proto nám dostačuje použití čerpadla s konstantními otáčkami, v soustavě s proměnným průtokem se nám pracovní bod bude pohybovat po charakteristické křivce soustavy v závislosti na změně požadavku na výkon, a tím i na změnu průtočného množství. Z toho nám vyplývá, že s posunem pracovního bodu soustavy (a tím i čerpadla) dochází zároveň ke změně v požadavku na potřebnou čerpací práci (tj. výtlačnou výšku čerpadla. Jak se bude chovat v soustavě s proměnným průtokem (dynamické soustavě) čerpadlo s konstantními otáčkami, a jak čerpadlo s proměnnými otáčkami, je vidět na obrázku č. 3. QminOČ
H
H
QminOČ
Křivka pracovních bodů Charakteristická křivka topné soustavy topné soustavy
Hmin=Hnom Hmax Hmax=Hnom QmaxOČ
3. st. 2. st. 1. st.
nmaxOČ Hmin
nminOČ
Qmin
Qmax=Qnom
Soustava s proměnným průtokem a čerpadlo s konstantními otáčkami
Q
Qmin
Qmax=Qnom
Q
Soustava s proměnným průtokem a čerpadlo s proměnnými otáčkami
Obr. 3 Porovnání pracovních bodů čerpadel v soustavě s proměnným průtokem
12
Energie pod Vaší kontrolou 2006
I když nám charakteristická křivka topné soustavy (tj. závislost tlakových ztrát v rozvodu na průtočném množství) protíná nulový bod (tlaková ztráta potrubí je úměrná druhé mocnině průtoku), nesmíme zapomenout na skutečnost, že v mnoha případech (obzvláště v rozlehlých soustavách, kde jsou vysoké rychlosti média v potrubí) nám minimální potřeba čerpací práce (výtlačná výška čerpadla) i při minimálním průtoku soustavou, který nemusí být nutné nulový, může nabývat hodnot i desítek kilopascalů. Jako příklad lze uvést chladicí soustavu, kde s ohledem na teplotní zisky projekčně vyšly na konci rozvodu FCU jednotky (fancoily) o velkém výkonu a potřebná minimální tlaková diference na dané poslední odbočce ze stoupačky byla ∆p=80 kPa. Celá soustava potřebovala při plném výkonu 300 m3/h chladné Křivka pracovních bodů Charakteristická křivka vody a potřebná výtlačná výška na čerpadle byla H Q rozvodů chladné vody rozvodů chladné vody 190 kPa. Díky vzdálenosti koncového spotřebiče od zdroje chladu a dimenzí potrubí použitých na dané stavbě (dimenze potrubí byly v jednotlivých Q úsecích mimo jiné limitovány i maximálními H =190 kPa velikostmi průchodů mezi požárními úseky a H =120 kPa n nutnými podchozími výškami stavebních konstrukcí) n
maxOČ
max
maxOČ
min
minOČ
OČ
maxOČ
minOČ
3
min
3
max
Představíme-li si, že tato situace nám nastane na soustavě, která bude identická se soustavou na obr. 1 a inkriminovaným kritickým bodem budou FCU jednotky na 2NP (stoupačka č. 3) zjistíme následující. I když budeme mít na odbočce ze stoupačky č. 3 ve 2NP diferenční tlak pouze 80 kPa (tj. minimální diferenční tlak nutný pro zajištění správné funkce FCU jednotek na 2NP) a celou soustavou nám poteče právě jen minimální průtok 70 m3/h, který je nutný pro chod FCU jednotek na 2NP (stoupačka č. 3) a zajištění minimální cirkulace média v soustavě, bude na patách stoupaček č. 1 i 2 a na odbočkách k VZT1 a VZT2 diferenční tlak vždy větší než 80 kPa. Vzhledem k tomu, že větší část tlakové ztráty v potrubí po trase se v tomto provozním stavu bude realizovat až na stoupačce č. 3, lze předpokládat, že dispoziční tlaková diference na patě stoupačky č. 1, na patrových odbočkách ze stoupačky č. 1, na patě stoupačky č. 2 a na odbočkách k VZT1 a VZT2 se bude blížit 120 kPa (tj. minimální nutné výtlačné výšce nastavené na čerpadle). Výše uvedená situace se nám ve větší či menší míře vždy objeví na jakékoli soustavě s proměnným průtokem. Pokud bychom například na stoupačce č. 2 neměli regulátor ∆p (na obrázku č. 1 je uveden typ DA 518), museli bychom na radiátorových ventilech uzavírat stejný diferenční tlak jako na patě stoupačky č. 2 tj. diferenční tlak blížící se 120 kPa. To ovšem žádný radiátorový ventil bez značných hlukových projevů nezvládne. Nastínili jsme si tedy v základních rysech skutečnosti, se kterými se v soustavách s proměnným průtokem můžeme setkat, a nyní se zaměříme na jednotlivá řešení těchto situací. Volba a umístění armatur Obecně se nám k použití nabízejí jak statické vyvažovací armatury, tak dynamické armatury. Samozřejmě platí, že pro soustavu s proměnným průtokem (dynamickou soustavu) musím používat dynamické armatury. Zároveň však nesmíme zapomenout, že při splnění určitých podmínek nám dostatečnou funkci mohou zabezpečit i statické armatury v kombinaci s dynamickými armaturami. Jak se nám budou oba typy armatur a jejich kombinace v soustavě s proměnným průtokem chovat, si nastíníme dále. K hydraulické stabilizaci soustavy s konstantním průtokem je technicky správným řešením použití dynamických armatur. Zdali mají být armatury umístěny na přívodní potrubí nebo do zpátečky nelze jednoznačně říci a je třeba pro každý jednotlivý případ řešit separátně. Konkrétní řešení je tak obvykle dáno prostorovými možnostmi a technickými parametry. Energie pod Vaší kontrolou 2006
13
Správný návrh a dimenzace armatur Stran dimenzace obecně platí, že se provádí tak, aby skutečný maximální (projektovaný) průtok armaturou byl co možná nejblíže doporučeným maximálním průtokům armaturou při dodržení tlakových a teplotních poměrů v místě instalace. Jako příklad si můžeme ve vztahu k soustavě dle obrázku č. 1 uvést návrh armatury DA 516 pro okruh FCU pro 1NP na stoupačce č. 3. Požadovaný průtok okruhem je 5000 l/h, požadované nastavení tlakové diference na okruhu 70 kPa (instalované ventily na FCU uzavírají jen do diferenčního tlaku 100 kPa). Z katalogového listu nám vyjde, že optimální dimenzí je DN 25/32 (kvs=12) pro rozsah nastavení ∆p 10–100 kPa. Z křivky tlakových ztrát odečteme pro regulátor DN 25/32 a průtok 5000 l/h tlakovou ztrátu ~17,5 kPa. Nastavená tlaková diference 70 kPa v součtu s vlastní tlakovou ztrátou regulátoru (17,5 kPa) nám dá minimální potřebnou tlakovou diferenci, kterou musíme mít k dispozici na odbočce ze stoupačky tj. 87,5 kPa. Vzhledem k tomu, že minimální výtlačná výška nastavená na čerpadle je 120 kPa bude i při minimálním nastavení zajištěna dostatečná tlaková diference na dané odbočce. U každé dynamické armatury je v příslušném katalogovém listě uveden vzorový návrh včetně metodiky zpětné kontroly správnosti návrhu. Pojďme se podívat hlouběji na jednotlivá zapojení podle obrázku č. 1. Zapojení na VZT jednotkách Jak je již z obr. 1 patrné, je zde použito zapojení, kdy regulaci a hydronické vyvážení se provádí pro každý spotřebič separátně. Výhodou tohoto řešení je samozřejmě skutečnost, že reguluji vždy právě jen daný konkrétní spotřebič. Navíc použitá inteligentní armatura (KTM 512) v sobě sdružuje regulační ventil s elektropohonem, integrovaný regulátor tlakové diference a dynamický omezovač maximálního průtoku s odměřenou charakteristikou. Díky integrovanému regulátoru tlakové diference armatura funguje zároveň jako hydraulický oddělovač. Přesné nastavení maximálního průtoku se provádí dle přiložené tabulky, která vychází z odměřených hodnot. Velkou výhodou je skutečnost, že mohu zprovozňovat jednotlivé spotřebiče nezávisle na druhých bez toho, abych byl nucen provádět korekce v nastavení maximálních průtoků u již provozovaných zařízení. Toto zapojení je vhodné zejména pro sólové spotřebiče, které jsou napojeny přímo na hlavní rozvod. Důležité je, že pokud chci zajistit systémové řešení v celé soustavě, musím mít k dispozici armatury, které mi budou schopny regulovat průtok v rozmezí od stovek litrů za hodinu (FCU jednotky) až po cca 30 000 l/h (VZT jednotky pro jednotlivé zóny v kancelářské budově), a to nejlépe v jedné výrobkové řadě od jednoho výrobce. Zapojení na stoupačce č. 3 Dynamický regulátor tlakové diference je instalován na odbočkách na jednotlivá patra a dále jsou jednotlivé spotřebiče (typicky FCU jednotky) doregulovány pouze statickým vyvažovacím ventilem. Toto je ekonomické řešení obvykle dostačující pro rozvody FCU jednotek, kdy je řešen pouze souběh jednotlivých FCU jednotek na patře při maximálním výkonu. V našem případě je v 1NP instalována dynamická armatura ve zpátečce (v závitovém provedení jak vyšlo z výše uvedeného příkladu návrhu) a statická vyvažovací armatura v přívodu je použita jako měřicí armatura (pro kontrolu maximálního průtoku okruhem) a zároveň jako uzavírací armatura. Naproti tomu ve 2NP je instalována armatura do přívodu (patrně ve zpátečce nebyl dostatek prostoru), a jelikož na příkladu na obr. č. 4 je průtok okruhem cca 70 m3/h, jedná se o armaturu přírubovou DN 100). Jako měřicí element je použita měřicí clona, a i když pro uzavření musím instalovat uzavírací klapky, je toto řešení v součtu levnější než použití vyvažovacího ventilu kumulovaně pro obě funkce. Zapojení na stoupačce č. 2 Dynamický regulátor tlakové diference je instalován na patě stoupačky a jednotlivé odbočky na patrech jsou doregulovány pro projektovaný (nominální) průtok statickými vyvažovacími ventily. Funkčně je zapojení shodné se zapojením 1NP a 2NP na stoupačce č. 3. Rozdíl je v tom, že měření průtoku se realizuje na jednotlivých odbočkách přes měřicí místa na vyvažovacích ventilech a průtok celou stoupačkou se dopočítává. 14
Energie pod Vaší kontrolou 2006
Zapojení na stoupačce č. 1. Dynamické regulátory jsou instalovány na jednotlivých patrech na odbočkách ze stoupačky. Funkčně je zapojení shodné se zapojením na stoupačce č. 3. Rozdíl je v tom, že na armatuře DA 518 lze mimo nastavení tlakové diference na okruhu (v rozmezí 5–30kPa) též při instalaci armatury s měřicími vsuvkami též měřit průtok (na Venturiho jevu) a při instalaci uzavírací armatury na kapiláře a současného použití adaptéru „Gardena“, může tato armatura též sloužit jako uzavírací a vypouštěcí. Toto řešení je obvykle dostačující u stoupaček s radiátory vybavenými termostatickými ventily s termohlavicemi. Výhodou tohoto zapojení (oproti zapojení dle stoupačky č. 2), je skutečnost, že se nám v maximální míře otevře možnost manipulovat s tlakovým diagramem a dispozičními tlakovými deferencemi na celé soustavě a potřebná tlaková diference (a tedy i průtok daným okruhem) se reguluje až na daném okruhu (tj. analogicky jako na stoupačce č. 3). Na první pohled by se tedy mohlo zdát, že za předpokladu, kdyby na každém patře (stoupačka č. 1) byl instalován pouze jeden spotřebič, bylo zapojení funkčně stejné jako u zapojení VZT1 a VZT2. Není tomu tak, a to proto, že armatura KT(M) 512 je určena pro montáž s elektropohonem, tlaková diference je udržována na konstantní výši jen v rámci regulačního členu a nikoli na celém okruhu (jak je tomu u armatur řady DA 51x a nebo D 512). Zároveň armatura KT(M) 512 slouží jako regulační ventil, kdežto armatury řady DA 51x jsou „pouze“ přímočinné regulátory bez elektrických či termických pohonů. Zároveň se přímo nabízí tvrzení, že zapojení použité na stoupačce č. 1 (tj. regulátor na každém patře) musí být přece dražší než zapojení použité na stoupačce č. 2 (regulátor na patě a vyvažovací ventily na patrech). Toto tvrzení ovšem NEMUSÍ být nutně pravdivé, a to právě proto, že na stoupačce č. 2 nám vždy vyjde regulátor tlakové diference o větší dimenzi, a zároveň na každé odbočce na patro musíme počítat s instalací vyvažovacího ventilu. Jak jsme si ukázali na výše uvedených příkladech, správným řešením pro soustavy s proměnným průtokem (dynamické soustavy) je systémově použití dynamických armatur a čerpadel s měnitelnými otáčkami. V některých případech je účelné, zejména s ohledem na investiční cenu, zkombinovat armatury dynamické (regulátor diferenčního tlaku na stoupačce) a armatury statické (vyvažovací ventil na odbočce ze stoupačky), neboť je to řešení cenově příznivější než instalace dynamických armatur na každý spotřebič. Úmyslně jsem použil sousloví „v některých případech“ neboť například budeme-li mít 4 patrový dům, kde každé patro bude potřebovat např. 2,5 m3/h, vyjde nám levněji použití 4 ks regulátorů DA 518 na jednotlivá patra než 1 ks regulátoru DA 516 na stoupačku. Další úsporou je skutečnost, že osadím-li na patrech armatury DA 518 s měřicími vsuvkami (zapojení dle stoupačky č. 1) nebudu muset kupovat a instalovat vyvažovací ventily na jednotlivých patrech (stoupačka č. 2). V principu lze tedy doporučit navrhovat vždy soustavu jako důsledně dynamickou (tj. zapojení dle stoupačky č. 1) a v případě ekonomické výhodnosti přejít na zapojení dle stoupačky č. 2. Samozřejmě musí být dodrženy všechny ostatní technické parametry zadání, zejména se jedná o maximální pracovní diferenční tlak působící na regulační ventily na spotřebičích. Dimenzace dynamických armatur Jak je v tendrových dokumentacích (ze kterých se obvykle volí konkrétní typ armatury) obvyklé, specifikace dynamických armatur je uvedena obvykle pouze jako regulátor diferenčního tlaku č. „x“ dimenze „y“. Na rozdíl např. od oběhových čerpadel, které jsou obvykle specifikovány typem a hodnotami Q [m3/h] a H [m], nám pro správnou objednávku (a dodržení správného dimenzování) informace o poptávané dimenzi regulátoru prostě nestačí. Dynamické armatury jsou tedy ve většině případů specifikovány NEDOSTATEČNĚ. Proč tedy volíme takto jasné tvrzení a co z této disproporce ve specifikacích vyplývá? Ve většině montážních firem je volba konkrétního výrobce a typu komponentů (tedy i regulátorů tlakové diference) plně v kompetenci rozpočtáře dané firmy. Rozpočtář dané firmy bude tedy v dobré víře volit mezi armaturami stejné dimenze obvykle pouze jen podle ceny, protože prostě nemá informaci o další zpřesňující specifikaci (tedy hodnotě požadovaného průtoku, kv příp. kvs, požadovaného rozsahu nastavení ∆p). Energie pod Vaší kontrolou 2006
15
Jak vyplývá z níže uvedené tabulky, kvs hodnoty regulátorů tlakové diference se u jednotlivých výrobců liší v některých případech až o stovky procent, a proto není tedy zaručeno, že jakýkoli regulátor tlakové diference o dimenzi „y“ od jakéhokoli výrobce bude tím správným regulátorem tlakové diference a bude správně plnit svoji funkci. výrobce
Hydronic Systems
Honeywell
Oventrop
Tour & Andersson
typová řada
DA 518
DA 516
Combi 3+ s ∆P regulátorem
Hydromat DP
STAP
DN 25
8,0
12,0
3,5
7,5
5,5
DN 40
-
30,0
5,5
15,0
12,8
DN 65 (příruba)
-
60,0
-
-
36,0
Musíme si uvědomit, že má-li jakýkoli regulační člen (a tedy i dynamické armatury jako regulátor diferenčního tlaku, omezovače průtoku, inteligentní armatury) plnit zdárně svoji funkci, musí být správně dimenzován. To ovšem znamená, že dynamická armatura bude dimenzována tak, aby při nominálním stavu nemařila (neškrtila) zbytečně mnoho čerpací práce, a zároveň aby měla šanci regulovat (návrh typu: „potřebuji 1000 l/h, tak tam dám DN 65 [kvs=60], on si s tím poradí“, je samozřejmě špatný). Správný způsob dimenzace je na katalogových listech firmy Hydronic Systems pro dynamické armatury vždy uveden na každém příslušném katalogovém listě včetně vzorového návrhu. Co je tedy nutné zadat, aby se eliminovalo riziko nepřesné interpretace v dokumentacích pro výběry dodavatelů, a tedy i chyb v objednávkách? Dostatečnou specifikací by bylo, aby se již v tendrových specifikacích zároveň s informací o dimenzi armatury objevila též požadovaná (nastavená) hodnota kv dynamické armatury (či chceteli regulátoru) nebo alespoň hodnota kvs. Důvod je nasnadě. Dimenze armatury nám specifikuje armaturu obvykle pouze s ohledem na rychlosti proudění kapaliny v potrubí a hodnota kv nám udává informaci o požadované tlakové ztrátě armatury, což je nezbytný parametr, má-li soustava bez problémů fungovat. Pro zjednodušení práce projektantů jsme s výrobcem softwaru Protech dohodli, že jeho nová verze bude již umět do výpisu materiálu mimo dimenze uvést i požadovanou hodnotu nastavení kv nebo alespoň hodnotu kvs.
16
Energie pod Vaší kontrolou 2006
