We współczesnym świecie większość budynków o charakterze komercyjnym cechuje się bardzo małym obciążeniem po godzinach pracy biur, obłożenia pokoi hotelowych czy w weekendy. Specyfika tych obiektów jest powodem wymiernych trudności zwiazanych z prowadzeniem efektywnego i energooszczędnego równoważenia i regulacji systemów wodnego ogrzewania oraz chłodzenia.

Do analizy pracy systemu wodnego ogrzewania i chłodzenia w tym artykule posłużmy się budynkiem 10 kondygnacyjnym, w którym pomieszczenia są użytkowane od rana do późnego popołudnia. Jeśli w godzinach wieczornych jedno z pięter jest dłużej użytkowane, wówczas centralna wentylacja, która w normalnych warunkach doprowadza uzdatnione powietrze do całego budynku, musi pracować tylko dla jednego piętra. 

Rys. 1. Przykładowe wymagane obciążenie budynku

Wymagania nowoczesnych budynków nie dopuszczają stosowania dodatkowych urządzeń klimatyzacji indywidualnej, które byłyby widoczne na zewnątrz budynku. Dlatego w tej sytuacji prowadzenie oddzielnej mniejszej instalacji klimatyzacji jest raczej niemożliwe.

System zmiennoprzepływowy w obiegu pierwotnym wody lodowej (VPF) 

System zmiennoprzepływowy w obiegu pierwotnym wody lodowej (VPF) po raz pierwszy został zaprezentowany w 1990 r. System ten jest alternatywą dla powszechnie stosowanych systemów ze stałym przepływem w obiegu pierwotnym oraz zmiennym przepływem w obiegu wtórnym.

Rys. 2. Agregat wody lodowej chłodzony wodą

Wzrastające zainteresowanie efektywnością energetyczną instalacji HVAC spowodowało, iż niektórzy inżynierowie zaczęli dochodzić do wniosku, że system zmiennoprzepływowy w obiegu pierwotnym wody lodowej może pracować dużo lepiej przy bardzo niskim obciążeniu instalacji. Generalnie, system ten posiada niższe koszty inwestycyjne jak również koszty eksploatacyjne w porównaniu do systemu ze stałym przepływem w obiegu pierwotnym oraz zmiennym przepływem w obiegu wtórnym. 

Oszczędności inwestycyjne:
1) Brak pompy w obiegu wtórnym;
2) Nie ma konieczności przełączania agregatów;
3) Mniej połączeń hydraulicznych;
4) Mniej połączeń elektrycznych;
5) Wymagana mniejsza przestrzeń;
6) Mniejsze wymiary na by-passie.

Oszczędności eksploatacyjne:
1) Pompy o regulowanej prędkości obrotowej;
2) Sprężarki ze zmienną prędkością obrotów/ilość sprężarek/ilość agregatów;
3) Wydajna praca agregatu chłodniczego nawet przy zmiennym obciążeniu.

Z powyższych zalet oczywiście możemy skorzystać, jednakże występują pewne ograniczenia, które są wysoce uzależnione od skuteczności regulacji i równoważenia instalacji. Na rysunku 3 przedstawiony został typowy układ systemu zmiennoprzepływowego w obiegu pierwotnym wody lodowej. W układzie tym możemy wyróżnić:
1) Zawór regulacyjny do regulacji temperatury w pomieszczeniu; 
2) Zawór regulacyjny dla zapewnienia minimalnego przepływu w zmiennym obiegu agregatu chłodniczego;
3) Cyfrowy przepływomierz;
4) Czujnik ciśnienia różnicowego;
5) Zanurzeniowy czujnik temperatury wody;
6) Pompa ze zmienna prędkością obrotową;
7) Zawór odcinający z napędem w celu zabezpieczenia przed napływem czynnika z innej pompy przy małym obciążeniu instalacji;
8) Ręczny zawór równoważący/ Ogranicznik przepływu czyli automatyczny zawór równoważący.

Czujnik do pomiaru ΔP pompy w zmiennoprzepływowym obiegu pierwotnym

Czujnik pomiaru ΔP pompy, to rozwiązanie powszechnie stosowane w większości systemów o zmiennym przepływie. Szczególnie typowe jest zastosowanie w obiegu dystrybucyjnym zaworów ręcznych oraz zaworów regulacyjnych. W większych instalacjach ręczne zawory równoważące mogą być stosowane na pionach, odgałęzieniach w celu umożliwienia równoważenia metodą proporcjonalną. Czujnik do pomiaru ΔP pompy w zmiennoprzepływowym obiegu pierwotnym daje następujące korzyści: 
1) Łatwa lokalizacja awarii; 
2) Krótszy przewód podłączeniowy;
3) Nie ma potrzeby kalibracji czujnika ΔP.

Rys. 3. Schemat systemu zmiennoprzepływowego w obiegu pierwotnym wody lodowej

Podczas częściowego obciążenia systemu (rys. 5.), nawet w najdalej położonym obiegu wartość ΔP staje się stosunkowo bliska wysokości podnoszenia pompy. 

Rys. 5. Częściowe obciążenie systemu

W takiej sytuacji charakterystyka zaworu regulacyjnego zostaje zniekształcona w stosunku do zaprojektowanej. Kiedy zawór regulacyjny zmienia swój autorytet, odpowiedź na zmianę temperatury będzie niestabilna i niedokładna. W większości przypadków, układ będzie dążył do osiągnięcia żądanej temperatury, ale średnia wartość przepływu będzie większa niż jest to konieczne. Jeżeli w systemie występują tak duże nadprzepływy, wówczas wymiana ciepła przez chłodnicę jest nieefektywna. Większość czynnika przepływa przez chłodnicę z dużą prędkością przez co nie zachodzi efektywna wymiana ciepła. Zjawisko to jest znane jako syndrom niskiego ΔT.

Syndrom niskiego ΔT powoduje, że agregaty chłodnicze nie będą pracowały prawidłowo oraz może nie pracować ich odpowiednia ilość, ponieważ nie będzie odpowiedniej różnicy temperatur.

Odkładanie ΔP w stosunku do natężenia przepływu Jeżeli przyjmiemy obciążenie chłodnicze na poziomie 70%, wówczas wymagany przepływ to około 40%. W przypadku, kiedy przepływ osiągnie 40% to spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym wynosi 84%, zaś 16% pozostaje na połączeniach (rys. 6.).

Rys. 6. Nadwyżka ciśnienia odłożona na zaworze regulacyjnym przy częściowym obciążeniu system

Jak widać, nieduże zmiany obciążenia chłodniczego powodują duże przeniesienie strat z połączeń na zawór regulacyjny. Przez większość czasu zapotrzebowanie na chłód jest w okolicach 80% lub poniżej w zależności od wielkości oraz wydajności wymienników ciepła. Jeżeli projekt jest wykonany zgodnie z obowiązującymi normami to nie jest przewymiarowany tylko policzony dla warunków projektowych.

Czujnik do pomiaru ΔP na najbardziej oddalonym odbiorniku

Przy tym sposobie regulacji czujnik do pomiaru ΔP instalowany jest na odbiorniku o największym oporze. Odbiornik ten jest określany jako: odbiornik krytyczny lub odbiornik referencyjny. Praktyka ta umożliwia zmieniać prędkość pompy proporcjonalnie do wysokości podnoszenia pompy. 

Teraz kiedy wiemy, że wysokość podnoszenia pompy będzie się zmieniać w zależności od obciążenia instalacji, niemożliwym jest żeby ręczne zawory równoważące reagowały na te zmiany.

Na przykład, w obiegu 1 ręczny zawór równoważący został dobrany dla spadku ciśnienia 230kPa przy pełnym obciążeniu instalacji. Przy częściowym obciążeniu dostępne ΔP w obiegu wynosi tylko 80kPa. Stąd, ręczny zawór równoważący stanowi większy opór niż jest potrzebny, podczas gdy odbiornik wymaga pełnego przepływu. Powoduje to niedostateczny przepływ przy częściowym obciążeniu.

Rys. 8. Tradycyjne ustawienie zaworów przy częściowym obciążeniu z czujnikiem do pomiaru ΔP na najbardziej oddalonym odbiorniku

Projektanci najbardziej obawiają się niedostatecznych przepływów, które bezpośrednio wpływają na osiągnięcie głównych założeń jakimi jest komfort i wydajność. 

Zawory PIB CV w systemie zmiennoprzepływowym w obiegu pierwotnym wody lodowej 

Na rysunku 9 przedstawiony został najczęściej projektowany układ zmiennoprzepływowy z zaworami PIBCV, gdzie:
1) PIBCV – charakterystyka logarytmiczna (wymiana ciepła: woda-powietrze)
2) PIBCV – charakterystyka liniowa (bez wymiany ciepła)
3) Cyfrowy przepływomierz
4) Czujnik ciśnienia różnicowego
5) Zanurzeniowy czujnik temperatury wody
6) Pompa ze zmienna prędkością obrotową
7) Zawór odcinający z napędem w celu zabezpieczenia przed napływem czynnika z innej pompy przy małym obciążeniu instalacji

Rys. 9. Schemat systemu VPF z zaworami PIBCV

Porównując go ze schematem na rysunku 3 możemy zauważyć brak ręcznego zaworu równoważącego (ogranicznika przepływu czyli automatycznego zaworu równoważącego poz. 8). W tym przypadku nie jest on wymagany, ponieważ PIBCV pełni również rolę zaworu równoważącego.

Rozwiązanie dedykowane dla nowoczesnych instalacji zmiennoprzepływowych

Na rysunku 10 przedstawiono budowę zaworu PIBCV, który zapewnia równoważenie i regulację na najwyższym poziomie. Zawór równoważąco-regulacyjny posiada wbudowany regulator ciśnienia, który utrzymuje charakterystykę zaworu regulacyjnego na stałym poziomie, zapewniając w ten sposób niezmienny autorytet zaworu na poziomie 1. 

Rys. 10. Niezależny od ciśnienia zwór równoważąco-regulacyjny (PIBCV)

W połączeniu z odpowiednim napędem zawór posiada możliwość zmiany krzywej charakterystyki (nastawa wartości alfa), aby dopasować do istniejącej nieliniowej charakterystyki wymiennika, a w rezultacie otrzymując liniową charakterystykę regulacji. Liniowość oznacza stabilność i dokładność.

Połączenie PIB CV z innymi elementami

Każdy odrębny obiekt w systemie posiada własną charakterystykę. Prawidłowy dobór odpowiednich elementów układu regulacji, z odpowiednimi nastawami powoduje prawidłową odpowiedź regulatora. Nie tylko prawidłowa odpowiedź regulatora jest atutem, ale też oszczędność energii. Zrozumienie podstaw algorytmu sterowania pomaga jeszcze bardziej zoptymalizować system wody lodowej.

Przykładowo, zadana temperatura na wyjściu z agregatu powoduje zmniejszenie temperatury w celu zmniejszenia przepływu. 

Rys. 11. Zamknięta pętla regulacji systemu klimatyzacji (ACMV)

Analiza obciążenia agregatów może być stosowana w celu określenia wartości zadanej na wyjściu. W instalacji, w której są np. 4 identyczne agregaty połączone równolegle, trzy agregaty pracujące średnio są obciążone na poziomie 60% każdy. Wartość temperatury zadanej na agregacie może być obniżona w celu zwiększenia obciążenia agregatów, co umożliwi zmniejszenie średniej prędkości przepływu.

Na rysunku 12 przedstawiono elastyczną zmianę krzywej regulacji napędu, która może być dopasowana do charakterystyki wymiennika. Większość napędów dostępnych na rynku posiada liniową charakterystykę regulacji oraz logarytmiczną charakterystykę zaworu. Przy różnych temperaturach wody przepływającej przez wymiennik ciepła charakterystyki te mogą być nie dopasowane. Zostanie to dokładniej omówione w drugiej części tego artykułu.

Rys. 12. Fragment pętli regulacyjnej z rysunku 11

Autorytet zaworu regulacyjnego

Autorytet zaworu regulacyjnego można obliczyć na podstawie zależności: 

ΔPz100 – różnica ciśnienia na zaworze całkowicie otwartym
ΔPz0 – różnica ciśnienia na zaworze całkowicie zamkniętym.

Większość producentów wytwarza dwa rodzaje zaworów regulacyjnych z różnymi typami charakterystyk, przedstawionych na rys. 13. Charakterystyka w kolorze zielonym oznacza najbardziej pożądaną charakterystykę, która nie ma zmian ΔP, dlatego też nie ma zakłóceń. Stabilna i dokładna regulacja będzie wymagać autorytetu zaworu zbliżonego do 1.

Rys. 13. Typowe charakterystyki zaworów regulacyjnych

Aby bardziej zrozumieć te zależności posłużmy się pewnym porównaniem. Kiedy autorytet zaworu jest niski, jest to podobne do napełniania szklanki wodą za pomocą węża strażackiego. Jeśli zostanie otwarty pod dużym ciśnieniem szklanka się przepełni. Analogicznie jeżeli autorytet zaworu jest wysoki, możemy porównać to do napełniania szklanki wodą z kranu. Pełny zakres regulacji umożliwia precyzyjne napełnienie szklanki dokładnie taką ilością jaka jest wymagana.

Autorytet zaworu regulacyjnego w praktyce

Powszechnie stosowane jest dobieranie autorytet zaworu z tolerancją do minimalnej wartości 0,5. Poniżej mamy typowy przykład na podstawie rysunku 14.:

Rys. 14. Spadek ciśnienia w obiegu chłodnicy

Powyższe równanie nie jest kompletne ponieważ spadki ciśnienia na połączeniach nie zostały uwzględnione w obliczeniach. W rzeczywistości, w zależności od aplikacji agregat z pełnym obciążeniem pracuje jedynie w 2%, zaś w 98% czasu pracy na częściowym obciążeniu. Do dalszych rozważań weźmy pod uwagę najgorszy scenariusz w oparciu o odbiornik 4 przedstawiony na schematach na rysunku 15a i 15b.

Rys. 15a. Pełne obciążenie systemu

Rys. 15b. Częściowe obciążenie systemu

Wyliczony autorytet zaworu a = 0,11 jest nie do zaakceptowania, ponieważ temperatura będzie niestabilna. Zadana temperatura nie zostanie osiągnięta (rys. 17a).

PIB CV, niezależny od zmian ciśnienia

Zastosujmy teraz w takim samym układzie zawór PIBCV (rys. 16). 

Rys. 16. Równoważenie instalacji z zaworem PIBCV: a) pełne obciążenie systemu, b) częściowe obciążenie systemu

Wbudowany regulator ciśnienia, DPC, reaguje na zmiany parametrów w instalacji. Niezależnie od zmiennych warunków instalacji utrzymuje stały, dobry autorytet zaworu. Stąd, autorytet zaworu może być wyrażony w sposób następujący:

Przy autorytecie zaworu a = 1 przepływ będzie taki jak wymagany dla danych warunków przez co temperatura będzie bardzo stabilna, zgodna z wymaganą (Rys. 17b).

Rys. 17. Kształtowanie się temperatury w czasie przy autorytecie zaworu: a) a = 0,11; b) a = 1

Podsumowanie

Na tym kończymy cześć pierwszą, mającą na celu przybliżenie zasad regulacji za pomocą ręcznych zaworów i PIBCV. W drugiej części artykułu przyjrzymy się bliżej budowie niezależnego od zmian ciśnienia zaworu równoważącego i regulacyjnego oraz omówiona zostanie zasada działania takich zaworów (PIBCV).

Derek FOONG
MinstMC(UK)
Global Technical Support Manager, Danfoss