Regulacja instalacji – ilość czy jakość?

23 listopada 2020
| Jeden komentarz

Czy zastanawiałeś się kiedyś, co wpływa na to, że poszczególne odbiorniki ciepła mogą pracować ze swoją nominalną mocą grzewczą lub chłodniczą? Oczywiście odpowiedzią na to pytanie jest regulacja instalacji. Ale co to dokładnie znaczy oraz przede wszystkim, na czym ona konkretnie polega?

Regulacja instalacji to tak naprawdę regulacja mocy poszczególnych urządzeń. Co więcej, możemy tutaj mówić zarówno o regulacji ilościowej jak i jakościowej. Oczywiście obydwie te metody w znaczny sposób się od siebie różnią. Dlatego właśnie, będę chciał, abyśmy w poniższym artykule wspólnie sobie je przeanalizowali.

Zanim jednak przejdziemy do pierwszego sposoby, czyli do regulacji instalacji w sposób ilościowy, to zaznaczmy jedną rzecz. Aby regulacja była skuteczna, zawór, który jest za nią odpowiedzialny musi posiadać wysoki autorytet. Więcej o samym autorytecie możesz przeczytać tutaj.

Ale to nie wszystko… Regulacja instalacji musi być zgodna z całą instalacją. Część takich instalacji jest zmiennoprzepływowa, a część stałoprzepływowa. Dlatego też, nie możemy regulować mocy poszczególnych urządzeń w sposób, który byłby niezgodny z jej pozostałą częścią.

Regulacja ilościowa

No dobra, teraz możemy już przejść do pierwszego sposobu regulowania mocy urządzeń w instalacji. Kiedy mówimy o regulacji ilościowej, to mamy do czynienia z regulacją strumienia czynnika grzewczego o stałej temperaturze (zarówno na zasilaniu jak i powrocie), który przepływa przez odbiornik ciepła. Oczywiście im ilość takiego strumienia będzie większa, tym większa energia cieplna zostanie dostarczona do urządzenia. Schemat takiego rozwiązania przedstawia poniższy rysunek.

1 – zawór odcinający; 2 – dwudrogowy zawór regulacyjny; 3 – zawór równoważący

Oczywiście tak jak łatwo zauważyć, w tym przypadku do podłączenia odbiornika został wykorzystany zawór regulacyjny dwudrogowy. Jeżeli chciałbyś poznać inne sposoby wykorzystania takiego zaworu to znajdziesz je tutaj.

No dobra, ale możesz się teraz zastanawiać, w jaki konkretnie sposób, moc takiego odbiornika będzie regulowana przy pomocy tego zaworu. Czyli na czym dokładnie będzie polegać regulacja instalacji w tym miejscu. Aby było nam łatwiej to zrozumieć, przeprowadźmy sobie obliczenia, oczywiście na konkretnym przykładzie. 🙂 Na jego potrzeby, przyjmijmy następujące założenia:

  • moc grzewcza odbiornika: 97,3 kW
  • temperatura zasilania wody: 80°C
  • temperatura powrotu wody: 60°C

Ok, teraz, abyśmy mogli obliczyć konkretną ilość strumienia wody, jaka musi przepłynąć przez wymiennik ciepła w naszym odbiorniku, czyli np. przez nagrzewnicę powietrza w centrali wentylacyjnej, musimy skorzystać z poniższego wzoru:

    \[ V = \frac{Q}{C_{w} \cdot ( t_{z} - t_{p} ) \cdot \rho} \]

  • V – objętościowy strumień wody grzewczej, m3/s
  • Q – moc grzewcza odbiornika, kW
  • Cw – ciepło właściwe wody grzewczej w średniej temperaturze, kJ/(kg · K)
  • tz – temperatura zasilania wody grzewczej, °C
  • tp – temperatura powrotu wody grzewczej, °C
  • ρ – gęstość wody grzewczej w średniej temperaturze, kg/m3

    \[ V = \frac{97,3}{4,19 \cdot ( 80 - 60 ) \cdot 977,68} = 0,001188 \ \frac{m^{3}}{s} = 4,275 \ \frac{m^{3}}{h} \]

Zgodnie z powyższymi obliczeniami, aby moc odbiornika ciepła wynosiła 97,3 kW, jak sobie wcześniej założyliśmy, zawór regulacyjny musi przepuścić do niego 4,275 m3/h wody. Ale… co by się stało, gdyby sytuacja wyglądała nieco inaczej? Jaka byłaby rzeczywista moc takiego odbiornika, gdyby ilość wody grzewczej za zaworem regulacyjnym była o 25% mniejsza?

    \[ Q = V \cdot C_{w} \cdot ( t_{z} - t_{p} ) \cdot \rho \]

    \[ Q = 0,75 \cdot 0,001188 \cdot 4,19 \cdot ( 80 - 60 ) \cdot 977,68 = 72,98 \ kW \]

W takim przypadku, jeżeli urządzenie będzie zasilane strumieniem wody grzewczej w ilości mniejszej o 25%, moc nagrzewnicy spadnie i będzie wynosić 72,98 kW. Oczywiście, im strumień czynnika grzewczego przepływającego przez dany odbiornik, przy stałej temperaturze zasilania oraz różnicy temperatur pomiędzy zasilaniem, a powrotem będzie mniejszy, tym mniejsza będzie moc samego urządzenia. Na tym właśnie polega regulacja instalacji w sposób ilościowy.

Regulacja jakościowa

Skoro już wiemy jak działa regulacja ilościowa mocy grzewczej odbiornika końcowego, przejdźmy teraz do regulacji instalacji w sposób jakościowy. W tym przypadku, moc urządzenia jest regulowana poprzez ustawienie odpowiedniej temperatury czynnika grzewczego na zasilaniu, przy założeniu, że ilość wody grzewczej, przepływającej przez wymiennik ciepła w odbiorniku jest stała.

Aby instalacja mogła w ogóle regulować temperaturę zasilania, musi być ona wyposażona, albo w jeden zawór trójdrogowy, albo np. w dwa zawory dwudrogowe, dzięki którym osiągniemy dokładnie taki sam rezultat. My, na potrzeby dalszych obliczeń wykorzystamy zawór regulacyjny trójdrogowy, zgodnie z poniższym schematem. Gdybyś chciał poznać inne sposoby wykorzystania takich zaworów to kliknij tutaj.

1 – zawór odcinający; 2 – zawór zwrotny; 3 – trójdrogowy zawór regulacyjny; 4 – zawór równoważący; 5 – pompa

Ok, przeanalizujmy teraz jak taka pętla grzewcza będzie w ogóle działać. Załóżmy, że temperatura zasilania instalacji będzie wynosić 80°C, a powrotu 60°C, czyli dokładnie tak samo, jak miało to miejsce w poprzednim przykładzie. Dodatkowo przyjmijmy, że moc nominalna odbiornika również będzie wynosić tyle samo co ostatnio, czyli 97,3 kW.

W momencie, kiedy zapotrzebowanie na moc cieplną przez nagrzewnicę będzie maksymalne, wówczas, zawór regulacyjny powinien mieć w pełni otwarty przelot, a zamknięty by-pass. Dzięki temu, czynnik grzewczy znajdujący się za tym zaworem, będzie posiadać maksymalną temperaturę.

Oczywiście, jeżeli byśmy chcieli wyliczyć dokładny strumień wody grzewczej, który powinien zasilić nasz odbiornik to możemy skorzystać dokładnie z tych samych obliczeń co w poprzednim przykładnie.

    \[ V = \frac{97,3}{4,19 \cdot ( 80 - 60 ) \cdot 977,68} = 0,001188 \ \frac{m^{3}}{s} = 4,275 \ \frac{m^{3}}{h} \]

Dzięki powyższym obliczeniom, znamy objętościowy strumień czynnika grzewczego, który zawsze będzie przepływał przez wymiennik ciepła w nagrzewnicy powietrza i to niezależnie od aktualnego zapotrzebowania na ciepło. No dobra, w takim razie sprawdźmy, co się będzie musiało wydarzyć w momencie, kiedy urządzenie będzie potrzebować np. 30% swojej nominalnej mocy. Zacznijmy od wyliczenia wymaganej różnicy temperatur pomiędzy zasilaniem i powrotem.

    \[ \Delta t = \frac{Q}{V \cdot C_{w} \cdot \rho} \]

    \[ \Delta t = \frac{0,3 \cdot 97,3}{0,001188 \cdot 4,19 \cdot 977,68} = 6,0\ ^{\circ} C \]

Skoro znamy już różnicę temperatur w obiegu zasilającym wymiennik ciepła w nagrzewnicy, czyli w obiegu wtórnym instalacji, obliczmy teraz temperaturę zasilania, przy założeniu, że temperatura powrotu będzie stała, tzn. równa 60°C.

    \[ t_{z} = t_{p} + \Delta t \]

    \[ t_{z} = 60 + 6 = 66\ ^{\circ} C \]

Zatem zgodnie z powyższymi obliczeniami, aby nasz odbiornik pracował z mocą, która odpowiada 30% jego nominalnej wydajności, temperatura wody grzewczej, która go zasila powinna wynosić 66°C. Ale jak taką wartość możemy osiągnąć? Oczywiście przy pomocy trójdrogowego zaworu regulacyjnego, który zmiesza w odpowiednich ilościach strumienie czynnika grzewczego, jakie do niego dopływają. Dzięki temu, że ilość strumienia czynnika grzewczego w obiegu wtórnym będzie zawsze taka sama, a zmianie będzie ulegać tylko i wyłącznie jego temperatura to regulacja instalacji odbywa się właśnie w sposób jakościowy.

Obliczmy teraz konkretne strumienie wody grzewczej, które powinny zostać zmieszane w zaworze regulacyjnym. Zaczniemy od wyznaczenia strumienia czynnika grzewczego, który powraca z odbiornika i który trafia do zaworu poprzez by-pass. Ale zanim to zrobimy, to wprowadźmy sobie na nasz schemat dodatkowe oznaczenia, dotyczące przepływów na poszczególnych odcinkach, dzięki czemu będzie nam później łatwiej.

qp,s – przepływ na zasilaniu po stronie pierwotnej; qs,s – przepływ na zasilaniu po stronie wtórnej; qb – przepływ przez by-pass; qp,r – przepływ na powrocie po stronie pierwotnej; qs,r – przepływ na powrocie po stronie wtórnej

Teraz wyznaczmy wymagany przepływ przez by-pass, aby nasz odbiornik mógł pracować z mocą na poziomie 29,19 kW, co stanowi 30% jego mocy nominalnej.

    \[ q_{b} = q_{s,s} \cdot \frac{t_{s,s} - t_{s,r}}{t_{p,s} - t_{s,r}} \]

  • tp,s – temperatura czynnika grzewczego na zasilaniu po stronie pierwotnej, °C
  • ts,s – temperatura czynnika grzewczego na zasilaniu po stronie wtórnej, °C
  • tp,r – temperatura czynnika grzewczego na powrocie po stronie pierwotnej, °C
  • ts,r – temperatura czynnika grzewczego na powrocie po stronie wtórnej, °C

    \[ q_{b} = 4,275 \cdot \frac{66 - 60}{80 - 60} = 1,283 \ \frac{m^{3}}{h} \]

Dzięki temu, teraz możemy określić wymagany strumień czynnika grzewczego, pochodzący ze strony pierwotnej naszej instalacji. Możemy to zrobić na 2 sposoby i zaczniemy od metody łatwiejszej. Ponieważ ilość czynnika grzewczego w obiegu wtórnym, czyli za zaworem regulacyjnym jest stała, wystarczy, że od tego przepływu, tzn. od przepływu w tym obiegu, odejmiemy strumień wody grzewczej przepływający przez by-pass.

    \[ q_{p,s} = q_{s,s} - q_{b} \]

    \[ q_{p,s} = 4,275 - 1,283 = 2,992 \ \frac{m^{3}}{h} \]

Zatem tak jak łatwo zauważyć, ilość czynnika grzewczego o temperaturze 80°C, pochodząca z obiegu pierwotnego dla naszego przypadku powinna wynosić 2,992 m3/h. Ale tak jak już wspomniałem, aby określić ten strumień możemy skorzystać z dwóch sposobów. Skoro pierwszą metodę już poznałeś, to teraz przejdźmy do drugiej. 🙂

    \[ q_{p,s} = q_{s,s} \cdot \frac{t_{p,s} - t_{s,s}}{t_{p,s} - t_{s,r}} \]

    \[ q_{p,s} = 4,275 \cdot \frac{80 - 66}{80 - 60} = 2,993 \ \frac{m^{3}}{h} \]

Tak jak widzisz obydwa wyniki są niemalże identyczne, a minimalna różnica pomiędzy nimi związana jest z zaokrągleniami poszczególnych wyników.

Podsumowanie

W powyższym artykule poznałeś dwie metody regulacji mocy grzewczej dla odbiorników ciepła. Oczywiście obydwie metody są od siebie różne, bo jakżeby mogło być inaczej? 🙂 W przypadku regulacji ilościowej, moc odbiornika jest ustalana w oparciu o strumień przepływającego czynnika grzewczego o stałej temperaturze. Z kolei w przypadku regulacji jakościowej, ilość wody, która przepływa przez wymiennik ciepła jest zawsze taka sama, ale zmianie ulega jej temperatura.

Zatem, która metoda jest lepsza? Niestety nie ma na to jednoznacznej odpowiedzi. Zarówno regulacja instalacji jakościowa jak i ilościowa ma swoje plusy i minusy, dlatego każdy przypadek powinien być rozpatrywany indywidualnie oraz dokładnie przeanalizowany.

Categories: Baza wiedzy, Instalacja chłodnicza, Instalacja ogrzewcza, Instalacje wewnętrzne, Projektowanie
| Tags: , ,