HIDRAULIČKO URAVNOTEŽENJE CEVNE MREŽE U CILJU RAVNOMERNE RASPODELE TOPLOTNE ENERGIJE

Hydraulic Balanced of Heating System with Aim Even Distribution of Energy

Goran Vučković, Mladen Stojiljković, Dejan Mitrović

Mašinski fakultet, Univerzitet u Nišu, A. Medvedeva 14, Niš, Srbija

Abstract: Having in mind further development in the field of energetics as well as legislation in that field

in Serbia, which obliges charging of consumed heating energy according to the measurement, it is

especially important that central heating system has possibility of regulation as well as possibility to

change dynamic of delivered thermal energy. New way of energy charging will orientate beneficiaries to

save the energy with controlled consumption, so in that sense attention has to be paid specifically to

thermal energy plant response, in order to achieve maximum effect of energy saving.

In this paper is presented hydraulic balanced central thermal heating system of consumption with existing

thermal heating devices at faculty of Law and Economy, with basic goal even distribution of energy, as

well as energy saving and achievement of better comfort. On the other side, more effective energy usage

will lead to reduction of primary energy sources (heavy oil) consumption and on that way to the reduction

emission of green house gases. This is strategic direction in development of a modern and effective

economic system all over the world as well as on local level.

Key words: Hydraulic balance, balance valve, energy efficiency, energy saving, environmental

protection.

1. OPIS SISTEMA CENTRALNOG GREJANJA

Postrojenje za proizvodnju toplotne energije (kotlovsko postrojenje), locirano je u prizemlju i podrumskom delu zgrade Pravnog i Ekonomskog fakulteta u Nišu. Kotlovsko postrojenje sastoji se od dva kotla koji kao pogonsko gorivo koriste teško lož ulje – mazut. Toplotni izvor radi u projektnom režimu toplovodnog grejanja 90/70oC, i vrši zagrevanje sledećih objekata - potrošača:

� Pravni i Ekonomski fakultet; � Studenski centar – Paviljon 1; � Železničko - transportno preduzeće.

Cirkulacioni krugovi za pojedine potrošače odvojeni su, i polaze od kotlovskog razdelnika, a završavaju se u kotlovskom sabirniku. Cirkulacija vode u krugu svakog potrošača vrši se posredstvom nezavisnih radnih pumpi, koje su dimenzionisane i usvojene prema potrebama odgovarajućeg grejnog kruga. Pored radnih, instalirane su i rezervne pumpe istih karakteristika kao i radne pumpe svakog potrošača.

Cirkulacioni krugovi svakog potrošača snabdeveni su meračima utroška toplotne energije, koji su starije generacije i nisu u funkciji.

2

Osiguranje od povećanja pritiska u sistemu vrši se pomoću ekspanzionog suda zatvorenog tipa. Ekspanziona posuda locirana je u podrumskom delu neposredno pored toplovodnih kotlova. Održavanje pritiska u ekspanzionoj posudi obezbeđeno je klipnim kompresorom.

Nadoknada radnog fluida – vode u sistemu, obezbeđena je sistemom za automatsku dopunu. Sveža voda koja se dovodi u sistem prethodno se hemijski pripremi – omekša, u sistemu za hemijsku pripremu vode koji se nalazi u podrumskom delu kotlarnice.

Za zagrevanje prostorija na Pravnom i Ekonomskom fakultetu koristi se dvocevni sistem radijatorskog grejanja. Grejna tela su livena, člankastog tipa, dimenzionisana i usvojena za temperaturski režim 90/70oC. U prostorijama na petom spratu, koji je naknadno dograđen, ugrađena su panelna čelična grejna tela.

Unutrašnje temperature u prostorijama usvajane su prema važećim preporukama zavisno od vrste i namene prostorije.

2. PREGLED POSTOJEĆEG STANJA U ZGRADI PRAVNOG I EKONOMSKOG FAKULTETA

Pravni i Ekonomski fakultet nalaze se u zajedničkoj zgradi na Trgu Kralja Aleksandra broj 11, u Nišu. Zgrada je podignuta šezdesetih godina prošlog veka, bez toplotne izolacije omotača zgrade. Prozori su takođe starije generacije, drveni, dvostruki sa jednostrukim zastakljenjem.

Postojeće tehničko rešenje razvoda sistema centralnog grejanja u zgradi Pravnog i Ekonomskog fakulteta, koje je usvojeno prilikom projektovanja i izgradnje objekta, uslovljava da se sistem posmatra kao jedinstvena celina, bez obzira što postoji jasna podela prostora između dva fakulteta.

Iz kotlovskog razdelnika razvodni vod dovodi se u razdelnik, iz koga se dalje vrši razvod po granama u pojedine delove zgrade Pravnog i Ekonomskog fakulteta. Na početku svake grane iz razdelnika (slika 1a) postavljeni su vetili, koji trenutno nisu u funkciji. Povratni vodovi iz različitih delova zgrade dovode se u sabirnik (slika 1b). Na kraju svake grane, na povratnom vodu, neposredno ispred sabirnika ugrađeni su šiber ventili koji nisu u funkciji. Ispred ventila na povratnim vodovima predviđena su mesta za živine merače temperature povratne vode, pri čemu jedan broj merača nedostaje.

a)

b)

Slika 1. Elementi instalacije za Pravni i Ekonomski fakultet a) Radna i rezervna cirkulaciona pumpa i razdelnik, b) Sabirnik i merilo utroška toplotne energije

Iz sabirnika, gledano u pravcu strujanja fluida, vodi se jedinstveni cevovod do kotlovskog sabirnika u kome se sakupljaju povratni vodovi svih potrošača, i dalje ohlađena voda vodi na ponovno zagrevanje u kotlovima.

Cirkulacione pumpe, radna i rezervna, postavljene su u razvodnom vodu, neposredno ispred razdelnika, slika 1a. Pumpe ne poseduju frekventnu regulaciju broja obrtaja.

Horizontalni razvod za najveći deo zgrade smešten je u kanalu koji se nalazi u podrumskom delu. Razvodni i povratni cevovodi u kanalu toplotno su izolovani zasebno staklenom vunom

3

debljine 5cm koja je zaštićena od spoljnih uticaja volirzobutilen trakom. Sa horizontalnog razvoda izvedene su vertikale koje vode do poslednjeg sprata objekta i na kojima su priključena grejna tela, po spratovima. Na početku svake vertikale, i to kako na razvodnom, tako i na povratnom vodu, ugrađeni su šiber ventili, koji trenutno nisu u funkciji. Člankasta livena grejna tela priključena su na cevnu mrežu radijatorskim ventilom (razvodni vod) i holenderskom vezom - bez radijatorskog navijka (povratni vod), slika 2.

a)

b)

Slika 2. Priključenje grejnog tela na cevnu mrežu a) Radijatorski ventil – priključak razvodnog voda, b) Detalj priključka povratnog voda – bez radijatorskog navijka

3. PROBLEM NEBALANSIRANIH INSTALACIJA

Voda uvek prolazi linijom manjeg otpora. Tako, grejna tela sa povoljnijom pozicijom, kao što su ona bliža pumpi, dobijaju preveliku količinu radnog fluida. Pored toga, "lošije" locirana grejna tela ne dobijaju dovoljno vode, pa je toplotni učinak u tim prostorijama nedovoljan, slika 3.

Toplotni učinak različitih grejnih tela mora takođe biti posebno razmotren: Na primer, ako postoji sistem sa dva grejna tela (GT1 i GT2) i dva identična regulaciona

ventila, tada se količina vode koju dobijaju grejna tela reguliše sama zbog malog diferencijalnog

pritiska. Ako je diferencijalni pritisak jednak, jednaka je i količina vode.

Ako se sistem ne stabilizuje, automatski se sužava oblast dejstva termostatskih ventila.

Termostatski ventili na pregrejanom grejnom telu moraju biti zatvoreni konstantno. U suprotnom postalo bi previše toplo u prostorijama, a mogućnost ostvarivanja reguacije u celom objektu bila bi značajno umanjena. Tada bi sistem upravljanja postao nestabilan.

Slika 3. Raspodela toplotne energije po grejnim telima bez hidrauličke regulacije

4

3.1 Svrha hidrauličke regulacije

Hidrauličko balansiranje služi da garantuje stabilnu i tačnu regulaciju grejanja i tople vode. Pored toga garantovano je da će količina vode u tačnom odnosu biti dostavljena različitim prostorijama. Samo distribucijom dovoljne količine tople vode u prostoriji se postiže željena temperatura. Dodatno, sve armature moraju imati dozvoljen ulazni pritisak. Emitovanje neželjene buke može biti sprečeno i svaki termostatski ventil može raditi u svom radnom opsegu.

Pravilnom regulacijom pored očuvanja energije, značajno je povećan i komfor.

4. PRIMENJENO TEHNIČKO REŠENJE

U ovom radu predstavljeno je tehničko rešenje termostatskog regulisanja postojećih grejnih tela i hidrauličko balansiranje usponskih vodova i celog sistema centralnog grejanja na Pravnom i Ekonomskom fakultetu. Radi smanjenja utroška električne energije za rad cirkulacionih pumpi, ali i u cilju rasterećenja pumpi i održanja uravnoteženosti cevne mreže kada termostatski ventili izvrše zatvaranje pojedinih grejnih tela, tehničko rešenje obuhvata i frekventnu regulaciju broja obrtaja radnih pumpi. Postojeća grejna tela se zadržavaju, ali je predviđeno njihovo opremanje termostatskim radijatorskim ventilima sa termostatskim glavama i radijatorskim navijkom. Takođe, dvocevni sistemi razvoda ostaje nepromenjen, ali se cevni vodovi dodatno opremaju regulacionim ventilima i potom hidraulički balansiraju.

Preduslov za kvalitetnu eksploataciju instalacije centralnog grejanja nakon primene predloženog tehničkog rešenja, je korišćenje hemijski pripremljene vode. Sistem za hemijsku pripremu vode postoji i nije predmet ovog rada.

4.1 Neophodne armature

Uz pomoć ventila za regulaciju usponskih vodova (slika 4a), izvestan maskimalni protok može biti regulisan. Ovo je neophodno u svakom slučaju, jer bi u suprotnom vodovi sa nižim otporom bili prekomerno napajani, a sa druge strane bi vodovi sa većim otporom bili nedovoljno snabdeveni. Uz pomoć ventila za regulaciju usponskih vodova pojedinačni usponski vodovi mogu biti hidraulički izbalansirani.

Termostatski ventil je armatura sa regulatorom proporcionalnog dejstva bez posebnog napajanja energijom, slika 4b. Za regulator proporcionalnog dejstva karakteristično je da je veličina izlaza proporcionalna veličini ulaza, tj. svakoj promeni ambijentalne temperature odgovara proporcionalna promena položaja klipa zatvarača termostatskog ventila.

a)

b)

c)

Slika 4. Armatura za regulaciju a) Ventil za regulaciju usponskih vodova, b) Termostatski ventil sa predregulacijom, c) Termostatska glava

Promena položaja zatvarača ventila, direktno utiče na protok grejnog medijuma. Ovo rezultuje prigušnom regulacijom grejnog tela. U tom slučaju, energija iz drugih izvora toplote takođe može biti racionalno iskorišćena, npr, solarna energija, toplota ljudi ili toplota emitovana radom električnih uređaja.

Ako, na primer, više osoba boravi u prostoriji, to je veće zagrevanje prostorije njihovom

telesnom toplotnom. U slučaju da ne postoji termostatska glava (slika 4c), grejno telo bi i dalje

dobijalo pun protok, a temperatura u prostoriji bi porasla iznad granica termičkog komfora.

5

Slika 5. Rad termostatskog ventila sa termostatskom glavom

Termostatski ventil međutim automatski smanjuje emitovanje energije sa grejnog tela. Tako se ambijentalna temperatura održava na željenom nivou komfora, uz istovremenu uštedu energije.

Na slici 5 dat je uprošćeni prikaz principa funkcionisanja termostatskog ventila sa termostatskom glavom. Ventil podešen na 20°C, u potpunosti je zatvoren pri temperaturi od 23°C (otvorenost ventila 0%), dok je na tempertauri od 17°C potpuno otvoren (otvorenost ventila 100%).

Senzor može biti ispunjen tečnošću, gasom ili voštanom masom. Porastom temperature izaziva se širenje tečnosti, gasa ili voštane mase, odnosno porast pritiska gasa pomoću čega se pomera konus ventila ka zatvorenom položaju. Smanjenjem temperature, događa se inverzni proces, tj. pomeranje ka otvorenom položaju. Imajući u vidu da je najveći broj grejnih tela u zgradi Pravnog i Ekonomskog fakulteta izrađen od livenog gvožđa, te su samim tim velike mase i toplotne inercije, predlaže se ugradnja termostatskih glava sa osetljivijim senzorom, tj. sa malom vremenskom konstanom.

4.2 Izvršenje regulacije usponskih vodova

Ukoliko je objekat opremljen regulacionim ventilima za usponske vodove, moguće je obezbediti preciznu distribuciju radnog fluida, slika 6a.

a)

b)

Slika 6. Regulacija usponskih vodova a) Ugrađeni ventili za regulaciju, b) Prethodno podešavanje ventila za regulaciju usponskih vodova

Nakon instaliranja regulacionih ventila na usponskim vodovima neophodno je svaki podesiti na prethodno određenu vrednost, tj izvršiti pretpodešavanje, slika 6b. Nakon toga, protok vode naknadno se proverava pomoću mernog kompijutera i po potrebi se koriguje položaj regulacionog ventila.

6

5. ZAKLJUČAK

U radu je stavljen akcenat na pravilno regulisanje sistema centralnog grejanja. Troškovi za regulaciju su veoma niski u poređenju sa bilo kojom drugom merom renoviranja (npr. zamena stolarije ili toplotno izolovanje omotača zgrade).

Sanacijom i regulacijom sistema za centralno grejanje treba očekivati sledeće efekte: � Povećanje komfora pravilnom distribucijom radnog fluida; � Ušteda toplotne energije; � Manja potrošnja energenta i time značajna finansijska ušteda; � Grejna tela na krajevima cevne mreže dobijaju dovoljnu količinu radnog fluida; � Smanjena emisija gasova koji zagađuju životnu sredinu; � Izvršena pravedna raspodela računa između pojedinih potrošača; � Smanjena potrošnja električne energije; � Realniji računi za grejanje;

Bez sumnje, cilj izvođenja svake vrste sanacije je povećanje pouzdanosti u radu i ušteda što je moguće više energije. Međutim, finansijska sredstva su uglavnom veoma ograničena. Prilikom razmatranja mogućnosti investiranja u hidrauličku optimizaciju, ugradnja termostatskih ventila i regulacija na prvom su mestu.

Opravdanost ugradnje regulacije promene broja obrtaja pumpe može se zaključiti iz podatka da smanjenjem protoka za samo 10%, potrošnja električne energije pumpe se smanji za 27%.

Pravilnom eksploatacijom sistema centralnog grejanja, nakon predložene sanacije očekivana vrednost uštede toplotne energije je na nivou 20-25% u odnosu na period pre sanacije.

Efikasnije iskorišćenje toplotne energije, neminovno će dovesti do manje potrošnje primarnog energenta, a samim tim i do manje emisije gasova koji izazivaju efekat staklene bašte. U vremenu kada je čovečanstvo suočeno sa problemom globalnog otopljavanja, zaštita životne sredine i smanjenje emisije štetnih gasova predstavljaju strateški pravac razvoja modernog i efikasnog privrednog sistema, kako u svetskim tako i u lokalnim okvirima.

LITERATURA [1] Voronjec D, Kozić Đ: Vlažan vazduh, SMEITS, Beograd, 2002; [2] Jaćimović B, Genić S: Toplotne operacije i aparati, Mašinski fakultet Beograd, 1992; [3] Jaćimović B, Genić S, Nađ M, Laza J: Problemi iz toplotnih operacija i aparata, Mašinski fakultet Beograd,

1996; [4] Ilić G, Radojković N, Stojanović I: Termodinamika II-osnove prostiranja toplote, Mašinski fakultet Niš,

1996; [5] Recknagel, Sprenger, Schramek, Čeperković: Grejanje i klimatizacija, Interklima, Vrnjačka Banja, 2002; [6] Todorović B: Projektovanje postrojenja za centralno grejanje, Mašinski fakultet Beograd, Beograd, 1996; [7] Todorović B: Klimatizacija, SMEITS, Beograd, 1998; [8] Radni materijal sa kursa: "Gazdovanje energijom u industriji", LDK, Beograd, 2005.