WĘZŁY CIEPLNE PORADNIK PROJEKTOWANIA

Kazimierz Żarski

www.danfoss.pl

Kazimierz Żarski

WĘZŁY CIEPLNE

PORADNIK PROJEKTOWANIA

2014 r.

Redakcja techniczna: Kazimierz Żarski

by Danfoss

All rights reserved

ISBN 978-83-929422-5-2

Wydawca: Danfoss HVAC PROJECT

Wydanie pierwsze, 2014 r.

Druk:

Projekt okładki: Danfoss

Rysunki: Danfoss, opracowanie autora

3

WĘZŁY CIEPLNE – PORADNIK PROJEKTOWANIA

SPIS TREŚCI 3 Wykaz ważniejszych oznaczeń 6 1. PODSTAWY TEORETYCZNE PRZEPŁYWU MASY I CIEPŁA 8 1.1. Bilans masy i ciepła w otwartym układzie termodynamicznym 1.2. Mechanizmy wymiany ciepła 1.3. Klasyfikacja wymienników ciepła 1.4. Bilans wymiennika ciepła w stanie nieustalonym i ustalonym 1.5. Procedury doboru wymienników przepływowych 1.6. Komputerowe algorytmy obliczeń wymienników ciepła 1.7. Strata ciśnienia w wymienniku przy przepływie nośników ciepła 1.8. Program komputerowy do doboru i obliczeń płytowych wymienników ciepła 1.9. Statyczne i dynamiczne charakterystyki płytowych wymienników ciepła

8 11 21 23 25 29 30

31 35

2. KLASYFIKACJA I CHARAKTERYSTYKA WĘZŁÓW CIEPLNYCH 43 2.1. Klasyfikacja węzłów cieplnych 2.2. Węzeł cieplny bezpośredniego połączenia 2.2.1. Węzeł cieplny bezpośredniego połączenia bez zmiany temperatury wody zasilającej 2.2.2. Węzeł zmieszania pompowego 2.3. Wymiennikowe węzły cieplne 2.3.1. Wymiennikowy węzeł cieplny do celów ogrzewania 2.3.2. Wielofunkcyjny wymiennikowy węzeł cieplny 2.3.3. Mieszkaniowe węzły cieplne 2.4. Celowość stosowania dwustopniowego przygotowania ciepłej wody

43 45

46 47 51 51 52 53 55

3. BILANS CIEPLNY WĘZŁA CIEPLNEGO 3.1. Bilans ciepła do celów ogrzewania 3.2. Bilans ciepła do celów przygotowania ciepłej wody 3.3. Bilans ciepła do celów wentylacji 3.4. Bilans ciepła do celów technologii

60 60 61 69 71

4

4. STRUMIEŃ MASY NOŚNIKA CIEPŁA W OBWODACH WĘZŁA CIEPLNEGO 4.1. Strumień masy nośnika ciepła w pierwotnym i wtórnym obwodzie ogrzewania 4.2. Strumień masy nośnika ciepła w pierwotnym i wtórnym obwodzie przygotowania ciepłej wody 4.3 Strumień masy nośnika ciepła w pierwotnym i wtórnym obwodzie wentylacji 4.4. Strumień masy nośnika ciepła w pierwotnym i wtórnym obwodzie technologii 4.5. Strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wspólnym (przyłączeniowym)

73

73

74

75

77 77

5. DOBÓR ŚREDNICY PRZEWODÓW. OBLICZENIE STRAT CIŚNIENIA W PRZEWODACH 5.1. Charakter przepływu cieczy 5.2. Kryteria doboru średnicy przewodu 5.3. Liniowa strata ciśnienia 5.4 Miejscowa strata ciśnienia 5.5. Materiał przewodów, jakość wody

83 83 85 87 90 92

6. DOBÓR ELEMENTÓW WĘZŁA CIEPLNEGO 95 6.1. Dobór wymiennika ciepła 6.1.1. Dobór wymiennika ciepła w obwodzie ogrzewania, wentylacji i technologii 6.1.2. Dobór wymiennika ciepła w obwodzie przygotowania ciepłej wody 6.2. Obliczenie strat ciśnienia i dobór pomp w węźle zmieszania pompowego 6.3. Obliczenie strat ciśnienia i dobór pomp w obwodach wtórnych wymiennikowego węzła cieplnego 6.3.1. Dobór pompy w obwodzie wtórnym ogrzewania i wentylacji (technologii) 6.3.2. Dobór pompy w obwodzie wtórnym przygotowania ciepłej wody 6.4. Dobór zaworów odcinających i filtrów 6.5. Dobór elementów zabezpieczenia, stabilizacji ciśnienia, zespołów uzupełniania i urządzeń pomocniczych 6.5.1. Dobór zaworów bezpieczeństwa 6.5.2. Dobór naczynia wzbiorczego 6.5.3. Dobór zespołów uzupełniających 6.5.4. Dobór elementów pomocniczych 6.6. Dobór stabilizatora temperatury i zasobnika ciepłej wody 6.7. Dobór izolacji cieplnej rurociągów i armatury węzła cieplnego

95 95 98

102

106 106 107 108

111 111 120 124 125 126 130

5

7. DOBÓR ELEMENTÓW POMIAROWYCH I AUTOMATYCZNEJ REGULACJI W WĘŹLE CIEPLNYM 7.1. Pomiar temperatury - dobór czujników pomiarowych 7.2. Pomiar ciśnienia 7.3. Pomiar objętości i strumienia objętości 7.4. Pomiar ciepła 7.5. Dobór zaworów regulacji temperatury 7.5.1. Dobór zaworów regulacji temperatury w obwodach ogrzewania i wentylacji 7.5.2. Dobór zaworów regulacji temperatury w obwodzie przygotowania ciepłej wody. 7.6. Dobór zaworu regulacji różnicy ciśnienia i ograniczenia przepływu 7.7. Możliwości zapobiegania kawitacji i oscylacji ciśnienia w systemie ciepłowniczym 7.8. Regulacja temperatury nośnika ciepła w systemie ciepłowniczym 7.9. Regulatory węzłów ciepłowniczych – charakterystyka i dobór

134 136 137 137 138 141 149 152 153

163 171 179

8. OBLICZENIE DYSPOZYCYJNEJ RÓŻNICY CIŚNIENIA W OBWODZIE PIERWOTNYM WĘZŁA CIEPLNEGO 8.1. Dyspozycyjna różnica ciśnienia w węźle zmieszania pompowego 8.2. Dyspozycyjna różnica ciśnienia w wymiennikowym węźle cieplnym

187 187 188

9. PRZYKŁADY OBLICZEŃ WĘZŁÓW CIEPLNYCH 9.1. Obliczenie węzła zmieszania pompowego 9.2. Obliczenie wymiennikowego węzła cieplnego do celów ogrzewania i przygotowania ciepłej wody za pomocą programu e-Quotation

190 190

193

10. DOSTOSOWANIE PARAMETRÓW WĘZŁA CIEPLNEGO DO ZMIANY MOCY ZAMÓWIONEJ

199

11. WSPÓŁPRACA WĘZŁÓW CIEPLNYCH Z SIECIĄ CIEPŁOWNICZĄ I ŹRÓDŁEM CIEPŁA 11.1. Zrównoważenie hydrauliczne sieci ciepłowniczej. Współpraca źródła ciepła i sieci z węzłami cieplnymi 11.2. Znaczenie regulatorów różnicy ciśnienia w systemie ciepłowniczym 11.3. Ograniczenie mocy cieplnej i przepływu nośnika ciepła w źródle ciepła

210

211 221 222

12. POMIESZCZENIA WĘZŁÓW CIEPLNYCH – WYMAGANIA 227 13. LITERATURA 231

6

Wykaz najważniejszych oznaczeń:

Oznaczenia zostały wyjaśnione dodatkowo w tekście przy każdym wzorze.

A – pole powierzchni, m2,

b – współczynnik poprawkowy do przepustowości zaworu bezpieczeństwa,

cp – ciepło właściwe, J/(kg K), kJ/(kg K),

d – średnica, m

e – względne zwiększenie objętości,

g – przyspieszenie ziemskie, równe 9.80665 m/s2,

G – transmitancja bloku regulacji,

h – entalpia właściwa, J/kg, kJ/kg,

h – współczynnik przejmowania ciepła, W/(m2 K),

j, k, m, n – liczba porządkowa,

K – współczynnik strat miejscowych,

K – współczynnik wzmocnienia (proporcjonalności) w regulacji,

Kdr – deklarowany współczynnik wypływu zaworu bezpieczeństwa,

l – chropowatość bezwzględna ścianki przewodu, mm,

l – wymiar charakterystyczny, m,

LMTD – średnia logarytmiczna różnica temperatury, K,

m – masa, kg, t,

m – strumień masy, kg/s, t/h,

m – wykładnik charakterystyki grzejnika,

NTU – liczba jednostek wymiany ciepła, -,

p – ciśnienie, Pa, kPa, MPa, bar,

Q – ciepło, J, kJ, MJ, GJ,

q – gęstość strumienia ciepła, W/m2,

q, V – strumień objętości, dm3/s, m3/s, m3/h,

Qm – przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/h,

r – ciepło parowania, J/kg,

T – temperatura, K,

t – temperatura, oC,

U – współczynnik przenikania ciepła, W/(m2 K),

v –prędkość przepływu, m/s,

7

X – wielkość wejściowa w automatycznej regulacji,

Y – wielkość wyjściowa w automatycznej regulacji,

∆T , ∆t – różnica temperatury, K,

Φ – strumień ciepła, moc cieplna, W, kW, MW,

Λ – współczynnik oporów liniowych (tarcia),

β – współczynnik rozszerzalności cieplnej, 1/K,

η – sprawność,

λ – współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K),

µ – „równoważnik” wodny w wymienniku ciepła,

ν – współczynnik lepkości kinematycznej, m2/s,

ν – objętość właściwa, m3/kg,

ρ – gęstość, kg/m3,

τ – czas, s.

Liczby podobieństwa:

- liczba Grashofa 2

3 TglGr

ν∆⋅β⋅⋅=

- liczba Nusselta λ⋅= lh

Nu

- liczba Prandtla λ

⋅ρ⋅ν= pcPr

- liczba Reynoldsa ν⋅= dv

Re

8

1. PODSTAWY TEORETYCZNE PRZEPŁYWU MASY I CIEPŁA

1.1. Bilans masy i ciepła w otwartym układzie termodynamicznym

Dział termodynamiki zwany „wymianą ciepła” zajmuje się opisem mechanizmów i

procesów zachodzących między dwoma (lub więcej) systemami (izolowanymi) w stanie

zróżnicowanej energii wewnętrznej. Zasady wymiany ciepła są pomocne przy projektowaniu

urządzeń wymieniających ciepło w przemyśle i w ciepłownictwie.

Pojęcie „ciepło” jest trudne do zdefiniowania. W podręcznikach termodynamiki [7, 8,

17, 31, 32] występuje szereg definicji, ale żadna z nich nie jest w pełni poprawna. Ciepło nie

jest substancją, nie jest procesem i nie jest oddziaływaniem między ośrodkami. Dokładniej

możemy sprecyzować pojęcia pochodzące od „ciepła”: strumień ciepła i gęstość strumienia

ciepła. Ilość ciepła jest określona za pomocą równania (1.1):

TcmQ p ∆⋅⋅= (1.1)

gdzie:

Q – ciepło (ilość ciepła), J,

m – masa ciała, kg,

cp – ciepło właściwe ciała (najczęściej zależne od temperatury), J/(kg K),

∆T – różnica temperatury, K.

Temperatura może być mierzona w stopniach Celsjusza (oC) albo w kelwinach (K).

Strumień ciepła jest to ilość ciepła wymieniona w czasie. Wyraża to formuła:

τ=Φ Q

(1.2)

gdzie:

Φ – strumień ciepła, W,

Q – ilość ciepła, J,

τ – czas, s.

W stanie nieustalonym symbole we wzorze (1.2) są zastępowane przez wielkości

nieskończenie małe dQ i dτ.

Układ otwarty w termodynamice jest to układ, który wymienia z drugim układem lub

otoczeniem masę i ciepło. Płyn w wymienniku ciepła jest traktowany jako otwarty układ

wymieniający masę i ciepło z drugim płynem. Płyny noszą nazwę „nośników ciepła”.

9

Bezpośrednia wymiana ciepła zachodzi z wymianą masy, pośrednia (w wymienniku

przeponowym) – bez wymiany masy. W procesie wymiany ciepła (bezpośredniej lub

pośredniej) zakłada się stałe ciśnienie (przemiana izobaryczna). Schemat wymiany masy i

ciepła pokazano na rys. 1.1.

m1

mk-1

mk

mn

Q1

Qk-1

Qk

Qn

∆∆

Qm

Rys. 1.1. Schemat wymiany masy i ciepła w wymienniku

Równania bilansu masy i ciepła mają następującą postać: [31, 32]

m mi

i

n

+ ==∑ ∆

1

0 (1.3)

Q Qi

i

n

+ ==∑ ∆

1

0 (1.4)

gdzie:

mi – masa nośnika ciepła i, masa dopływająca ma znak “+”, masa wypływająca “-“, kg,

∆m – masa zakumulowana, kg,

Qi – ciepło unoszone przez nośniki, J, znaki – zasada j.w.,

∆Q – ciepło zakumulowane, J.

Zjawisko akumulacji ciepła jest brane pod uwagę tylko w przypadku wymienników o

znacznej masie zgromadzonego płynu. Ciepło doprowadzone przez nośnik ciepła oblicza się

za pomocą wzoru (1.1). Strumień ciepła wyznacza się z wzoru (1.5).

ipiii tcm ⋅⋅=Φ (1.5)

gdzie:

Φi – strumień ciepła doprowadzony przez nośnik ciepła i, W,

mi – strumień masy nośnika i, kg/s,

cpi – ciepło właściwe nośnika i, J/(kg K),

ti – temperatura płynu, K lub oC.

albo, w przypadku zmiany stanu skupienia, jako

10

iii hm ⋅=Φ (1. 6)

gdzie: hi – entalpia właściwa nośnika ciepła i, J/kg.

Entalpia jest parametrem stanu, którego wartość w warunkach odniesienia jest przyjmowana

w drodze konwencji – jako 0 w temperaturze 0 oC (najczęściej) lub w temperaturze 0 K.

Iloczyn entalpii właściwej i strumienia masy nosi nazwę strumienia entalpii i jest oznaczany

jako „H”. Temperatura każdego nośnika ciepła wypływającego z układu jest jednakowa.

Pośrednia wymiana ciepła zachodzi bez mieszania nośników ciepła. Zmiana ciśnienia

każdego czynnika jest niewielka, stąd przemiana może być traktowana jako izobaryczna. Ideę

pośredniej wymiany ciepła ilustruje rys. 1.2. [31, 32].

Rys. 1.2. Pośrednia wymiana ciepła - schemat

Równanie bilansu ciepła jest następujące:

( ) 0QQQn

1i

2i1i =∆++∑=

(1.7)

gdzie:

Qi1 – ciepło dostarczone przez wpływający nośniki1, J, znak “+”,

Qi2 – ciepło odebrane przez wpływający nośniki2, J, znak “-”,

∆Q – ciepło zakumulowane.

W przypadku pośredniej wymiany ciepła płyny nie wymieniają masy – następuje

jedynie zmiana entalpii. Zmiana temperatury występuje w przypadku czynników

niezmieniających stanu skupienia, w przypadku czynników zmieniających stan skupienia

temperatura może być stała lub może się zmieniać, np. przy ochładzaniu skroplin

powstających w wyniku wykroplenia pary wodnej. Strumień ciepła wymieniany między

płynami (doprowadzony lub odprowadzony do każdego z nośników ciepła) określa wzór

∆Q

Q11

m1

Q12

m1

11

( )2i1piii tticm −⋅⋅=Φ (1.8)

gdzie:

Φi – strumień ciepła doprowadzony (odprowadzony)do (z) medium i, W,

mi – strumień masy, kg/s,

cpi – ciepło właściwe, J/(kg K),

ti1 – temperatura wlotowa płynu, K lub oC,

ti2 – temperatura wylotowa płynu, K lub oC.

albo – w przypadku zmiany stanu skupienia:

( )2i1iii hhm −⋅=Φ (1. 9)

gdzie: hi1 – entalpia właściwa wlotowa płynu, J/kg,

hi2 – entalpia właściwa wylotowa płynu, J/kg.

Ciepło właściwe najczęściej się przyjmuje jako wartość średnią arytmetyczną w

przedziale temperatury. Właściwości fizyczne płynów są wyznaczane w oparciu o procedury

numeryczne [13, 32], będące częścią modułów kalkulacyjnych komputerowych programów

wspomagających projektowanie węzłów cieplnych [38, 64].

1.2. Mechanizmy wymiany ciepła

Istnieją trzy podstawowe mechanizmy wymiany (przekazywania) ciepła: przewodzenie,

przejmowanie i promieniowanie cieplne [31, 32].

Przewodzenie ciepła jest to przekazywanie ciepła w ciele bez zmiany (trwałej)

położenia cząsteczek ciała. Przewodzenie ciepła może zachodzić w ciele stałym, cieczy i w

gazie. Prawo przewodzenia ciepła jest znane jako Prawo Fouriera:

T gradq λ−= (1.10)

gdzie:

q – gęstość strumienia ciepła, W/m2, wielkość wektorowa,

grad T – gradient temperatury, K/m, wielkość wektorowa,

λ – współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K), wielkość skalarna.

12

Współczynnik przewodzenia ciepła jest parametrem należącym do grupy właściwości

fizycznych substancji. Jego wielkość jest zależna od stanu skupienia ciała. W zagadnieniach

techniki cieplnej zakłada się zmienność współczynnika przewodzenia ciepła w zależności od

temperatury [13]. Przewodność cieplna gazów jest najmniejsza, metali – największa.

Jednowymiarowe zagadnienie przewodzenia ciepła może być opisane równaniem (rys.

1.3):

x

T(x)-T(o)λq −= (1.11)

gdzie:

q – gęstość strumienia ciepła, W/m2, wartość liczbowa wektora,

T(0), T(x) – wartość temperatury w punkcie o współrzędnej 0 i x, K,

λ – współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K).

q(o) q=q(x)

T=T(x)T(o)

x=0 x x

Rys. 1.3. Jednowymiarowe przewodzenie ciepła w stanie ustalonym

Wzór (1.11) w przypadku wielowarstwowej ścianki płaskiej w stanie ustalonym

przyjmuje formę:

∑=

λ

−−=n

1mm

12

R

TTq (1.12)

gdzie:

T1 – temperatura na granicy warstwy1, K,

T2 – temperatura na granicy warstwy 2, K,

Rλm – opór przewodzenia warstwy m, równy

m

mm

dR

λ=λ (1.13)

gdzie:

dm – grubość warstwy materiału, m,

13

λm – współczynnik przewodzenia ciepła warstwy materiału, W/(m K).

Strumień ciepła Φ [W] jest obliczany z wzoru:

Aq ⋅=Φ (1.14)

gdzie:

A – powierzchnia wymiany ciepła, m2.

W przypadku wielowarstwowej ścianki cylindrycznej wygodnie jest operować liniowym

oporem przewodzenia ciepła, obliczonym z wzoru (patrz rys. 1.6):

m

1m

mml

d

dln

2

1R

+λ

πλ= (1.15)

gdzie:

Rlλm – liniowy opór przewodzenia ciepła warstwy m, W/(m K),

dm+1 – zewnętrzna średnica ograniczająca warstwę materiałum, m,

dm+1 – wewnętrzna średnica ograniczająca warstwę materiału m, m.

Liniowa gęstość strumienia ciepła przewodzonego przez ściankę cylindryczną jest

równa

∑=

λ

−−=n

1mml

12l

R

TTq (1.16)

gdzie:

ql – liniowa gęstość strumienia ciepła, W/m,

inne oznaczenia jak we wzorach (1.15) I (1.16).

Strumień ciepła Φ [W] jest iloczynem gęstości liniowej przewodzenia ciepła i długości drogi

wymiany ciepła

lql ⋅=Φ (1.17)

gdzie:

l – długość drogi wymiany ciepła, m.

14

Przejmowanie ciepła (konwekcja) jest to wymiana ciepła między powierzchnią i

otaczającym płynem. Powierzchnia może być powierzchnią cieczy lub ciała stałego, płyn

może być cieczą lub gazem. Rys.1.4 ilustruje ideę przejmowania ciepła.

Rys. 1.4. Przejmowanie ciepła

Gęstość strumienia ciepła wymienianego w drodze przejmowania określa Prawo Newtona:

( )wf TThq −⋅= (1.18) gdzie:

h – współczynnik przejmowania ciepła, W/(m2 K),

Tf – temperatura płynu, w pewnej odległości od powierzchni, K,

Tw – temperatura powierzchni, K.

Strumień ciepła jest obliczany z wzoru analogicznego do (1.14) (symbole mają inne znaczenie

– jest to ciepło wymieniane w drodze przejmowania)

Aq ⋅=Φ (1.19)

Opór przejmowania ciepła jest odwrotnością współczynnika przejmowania ciepła. W

przeciwieństwie do przewodzenia ciepła współczynnik przejmowania ciepła nie jest

właściwością fizyczną płynu – opisuje zjawisko zachodzące między płynem i powierzchnią.

h

1Rh = (1.20)

Współczynnik przejmowania ciepła zależy od wielu parametrów, takich jak: kształt

powierzchni, temperatura powierzchni, prędkość przepływu płynu, właściwości fizyczne

płynu w warstwie przyściennej, właściwości fizycznych płynu w pewnej odległości od

Tw

Tf

15

powierzchni. Współczynnik przejmowania ciepła przyjmuje inną wartość w przypadku

konwekcji swobodnej, inną w przypadku konwekcji wymuszonej, np. za pomocą pompy lub

wentylatora. W zagadnieniach wymiany ciepła w wymiennikach ciepłowniczych występuje

konwekcja swobodna lub wymuszona, w zależności od rodzaju wymiennika. Konwekcja

swobodna ma miejsce w wymiennikach pojemnościowych ciepłej wody, wymuszona – w

wymiennikach płytowych lub płaszczowo-rurowych. Można wymienić następujące parametry

mające wpływ na wartość współczynnika przejmowania ciepła [17, 31, 32]:

l – charakterystyczny parametr geometryczny, m,

v – prędkość ruchu płynu, m/s,

∆T – różnica temperatury płynu i ścianki, K,

cp – ciepło właściwe płynu, J/(kg K),

ν – współczynnik lepkości kinematycznej płynu, m2/s,

λ – współczynnik przewodzenia ciepła płynu, W/(m K),

β – współczynnik rozszerzalności objętościowej płynu, 1/K,

ρ – gęstość płynu, kg/m3,

g – przyspieszenie ziemskie, równe 9.80665 m/s2.

W spójnym układzie jednostek fizycznych można sformułować równanie określające wartość

współczynnika przejmowania ciepła [31]:

9x8x7x6x5x4x

p3x2x1x TgclwCh ∆⋅β⋅⋅ρ⋅λ⋅⋅ν⋅⋅⋅= (1.21)

Jednostki wielkości fizycznych we wzorze (1.21) muszą spełniać zależność:

J s m K⋅ ⋅ ⋅ =− − −1 2 1

m s m m s J kg K J s m K kg m m s K Kx x x x x x x x x x x x x x x x x x1 1 2 2 3 3 4 4 4 5 5 5 5 6 3 6 7 2 7 8 9⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅− − − − − − − − − −

W wyniku pogrupowania odpowiednich wielkości otrzymamy równanie: J s m K J s m K kgx x x x x x x x x x x x x x x x x x⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅− − − + − − − − + + − − + − − − + − +1 2 1 4 5 1 3 5 2 7 1 2 2 3 5 3 6 7 4 5 8 9 4 6

16

które wyrażone w formie macierzowej ma postać:

0 0 0 1 1 0 0 0 0

1 0 1 0 1 0 2 0 0

1 1 2 0 1 3 1 0 0

0 0 0 1 1 0 0 1 1

0 0 0 1 0 1 0 0 0

1

1

2

1

0

− − − −− −

− − −−

⋅ =−−−

X

z rozwiązaniem

7x7x7x4x4x14x

p7x21x4x7x31x11x TgclvCh ∆⋅β⋅⋅ρ⋅λ⋅⋅ν⋅⋅⋅= −−−++−

lub, po przekształceniach:

7x

2

34xp

1xTgdcdw

Cd

ν∆⋅β⋅⋅⋅

λρ⋅⋅ν

⋅

ν⋅⋅=

λ⋅α

(1.22)

Wielkości w nawiasach są bezwymiarowe. Można zdefiniować następujące liczby

podobieństwa:

- liczba Nusselta:

λ⋅= lh

Nu (1.23)

- liczba Reynoldsa:

ν⋅= lv

Re (1.24)

- liczba Prandtla:

λ

⋅ρ⋅ν= pcPr (1.25)

- liczba Grashofa:

2

3 TglGr

ν∆⋅β⋅⋅= (1.26)

Po ich wprowadzeniu równanie (1.22) przyjmie postać: Nu C GrC C C= ⋅ ⋅ ⋅Re Pr1 2 3 (1.27) W przypadku dużej różnicy temperatury powierzchni ścianki i otaczającego płynu wprowadza

się czynnik zwany współczynnikiem kierunkowym wymiany ciepła:

C4

w

f

PrPr

- indeks w oznacza temperaturę na powierzchni ścianki, f – temperaturę płynu.

17

C4

w

fC3C2C1

Pr

PrGrPrReCNu

⋅⋅⋅⋅= (1.28)

Wartości stałych i wykładników potęgi zostały wyznaczone przez wielu badaczy w drodze

eksperymentów [17].W przypadku ruchu laminarnego w wymiennikach ciepła często ma

zastosowanie wzór Michiejewa [17, 31]:

Nu Gr f

w

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

017 0 33 0 43 0 1

0 25

. . . .

.

Re PrPr

Pr (1.29)

W przypadku ruchu burzliwego najbardziej znanym wzorem jest wzór Mc Adamsa: [31, 32]:

Nu m= ⋅ ⋅ ⋅0023 0 8 0 43. Re Pr. . (1.30)

gdzie:

m – współczynnik poprawkowy, przy liczbie Reynoldsa mniejszej niż 10000, równy:

m = − ⋅ ⋅ −1 6 105 18Re . przy 10000 > Re ≥ 2300

m=1 przy liczbie Reynoldsa większej niż 10000.

Wymiar charakterystyczny w przypadku wymienników w węzłach cieplnych jest równy

średnicy hydraulicznej, w przypadku wymiennika płytowego jest to w przybliżeniu

dwukrotna szerokość szczeliny (odległość między płytami wymiennika). Przy przepływie

wewnątrz przewodu o przekroju okrągłym średnica hydrauliczna jest równa średnicy

geometrycznej (wewnętrznej) przewodu. Właściwości fizyczne wody w zależności od

temperatury można określić z następujących wzorów [13]. W literaturze [38] spotyka się inne

wzory, ale wartości otrzymane w wyniku ich zastosowania niewiele się różnią.

• gęstość, [kg/m3]

według [13]:

ρ = 999.732 + 0.07935⋅ − ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ + ⋅ ⋅− − −t t t t t0 00857 583 10 2 677 10 4 843 102 5 3 7 4 10 5. . . . (1.31a)

według [38]:

352 t100000233.0t0073.0t0.0866999= ⋅⋅+⋅−⋅+ρ − (1.31b)

• ciepło właściwe [kJ/(kg K)]

c t t t tp = 4.214 - 0.00220⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅− − −4 21 10 2 817 10 8 4525 105 2 7 3 10 4. . . (1.32)

18

• współczynnik przewodzenia ciepła W/(m K)]

λ = 0.5678 + 0.0019355⋅ − ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅− − −t t t t9 857 10 2 149 10 4 5165 106 2 8 3 11 4. . . (1.33)

• współczynnik lepkości kinematycznej [m2/s]

ν =1

556406.7+ 19689.27⋅ + ⋅ − ⋅t t t1246096 0 37837922 3. . (1.34)

• liczba Prandtla

Pr =1

0.0752+ 0.002909⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅− −t t t2 827 10 7 928 105 2 8 3. . (1.35)

Promieniowanie cieplne jest to wymiana ciepła w drodze emisji fal

elektromagnetycznych (o długości fali mniejszej niż promieniowanie widzialne: 0.4÷400 µm)

między powierzchniami ciał. Gęstość strumienia ciepła wymienianego w wyniku

promieniowania między powierzchniami dwóch ciał jest wyznaczana z wzoru Stephana-

Boltzmana [17].

( )42

4101221 TTq −σ⋅ε=− (1.36)

Strumień ciepła jest równy:

12121 Aq ⋅=Φ −− (1.37)

gdzie:

ε1-2 – emisyjność zastępcza układu 2 ciał, zależna od wzajemnego usytuowania ciał i

emisyjności (stosunku energii pochłoniętej do padającej) każdego z nich,

σo – stała Stephana-Boltzmann, 81068.5 −⋅ W/(m2 K4),

A1 - powierzchnia ciała 1, m2.

Promieniowanie ciepła nie występuje w przypadku wymienników w ciepłownictwie. Ma

znaczenie w przypadku kotłów oraz grzejników do ogrzewania pomieszczeń w budynkach.

Przenikanie ciepła jest połączeniem przejmowania ciepła po obydwu stronach

przegrody i przewodzenia w przegrodzie, wymianą ciepła pomiędzy dwoma płynami

rozdzielonymi ścianką. Jest to podstawowy mechanizm wymiany ciepła w wymiennikach

ciepłowniczych. Zjawisko przenikania ciepła przez wielowarstwową ściankę płaską ilustruje

rys. 1.5.

19

Rys. 1.5. Przenikanie ciepła przez wielowarstwową ściankę płaską

Gęstość strumienia przenikającego ciepła określa wzór

( )1f2f TTUq −⋅= (1.38)

gdzie:

Tf1 – temperatura płynu 1 , K,

Tf2 – temperatura płynu 1 , K.

U – współczynnik przenikania ciepła, W/(m2 K), równy:

2

n

1m m

m

1 h

1d

h

1

1U

+λ

+=

∑=

(1.39)

gdzie:

h1 – współczynnik przejmowania ciepła od strony płynu1 , W/(m2 K),

h2 – współczynnik przejmowania ciepła od strony płynu 2 , W/(m2 K),

inne oznaczenia – patrz wzór (1.12).

Strumień ciepła jest obliczany z wzoru (A – powierzchnia wymiany ciepła, m2):

AU ⋅=Φ (1.40)

W przypadku wielowarstwowej ścianki cylindrycznej (patrz rys. 1.6) liniowy

współczynnik przenikania ciepła można obliczyć z wzoru:

Fluid 1 1 2 n

q

Fluid 2

Tf1

Tf2

m

λm

dm

20

22

n

1m 1m

m

m11

L

dh

1

d

dln

1

2

1

dh

1

1U

π+

λπ+

π

=

∑− −

(1.41)

gdzie:

h1 – współczynnik przejmowania ciepła od strony płynu 1 , W/(m2 K),

h2 – współczynnik przejmowania ciepła od strony płynu 2 , W/(m2 K),

inne oznaczenia – patrz wzór (1.16).

Rys. 1.6. Przenikanie ciepła przez wielowarstwową ściankę cylindryczną

Strumień ciepła jest równy (l – długość drogi wymiany ciepła – długość wymiennika, m):

lUl ⋅=Φ (1.42)

płyn 1

d1

dn+1

λm, dm+1, dm

płyn 2

ql

21

1.3. Klasyfikacja wymienników ciepła

Wymienniki ciepła można klasyfikować według różnych kryteriów [34]. Jednym z nich

jest podział ze względu na stan skupienia nośników ciepła (jako pierwszy jest wymieniony

nośnik oddający ciepło):

• ciecz – ciecz,

• gaz – ciecz,

• ciecz – gaz,

• gaz – gaz.

Mogą to być wymienniki, przykładowo:

• woda– woda,

• woda – wodny roztwór glikolu,

• para – woda,

• woda – powietrze,

• spaliny – woda, itd.

Ze względu na pojemność wodną wymiennika rozróżniamy:

• wymienniki pojemnościowe,

• wymienniki bezpojemnościowe (przepływowe).

Przykładowy wymiennik pojemnościowy pokazano na rys. 1.7.

Rys.1.7. Wymiennik pojemnościowy [61]

Wymienniki przepływowe można podzielić na:

• wymienniki płytowe (lutowane lub skręcane),

• wymienniki płaszczowo-rurowe.

Przykładowe rozwiązania pokazano na rys. 1.8.

22

Rys. 1.8. Przykłady wymienników płytowych i płaszczowo-rurowych [60, 61]

Nowoczesne wymienniki ciepła charakteryzuje wysoka efektywność wymiany ciepła na

jednostkę masy, znacznie wyższa niż rozwiązania stosowane w Polsce w latach 70. (WCO,

WCW, PRPA).

Kolejna klasyfikacja dotyczy konfiguracji przepływu nośników wymieniających ciepło.

Wymienniki dzielą się na:

• współprądowe,

• przeciwprądowe,

• o prądzie krzyżowym.

Rys. 1.9. przedstawia przepływ czynników przy współprądzie i przeciwprądzie. Kolorem

czerwonym oznaczono czynnik oddający ciepło.

Rys. 1.9. Współprądowy i przeciwprądowy przepływ czynników wymieniających ciepło

Przy współprądzie króćce wlotowe są umieszczone obok siebie, podobnie króćce

wylotowe. Przy przepływie przeciwprądowym króciec wlotowy czynnika 1 jest umieszczony

obok króćca wylotowego czynnika 2. Wymiana ciepła w przeciwprądzie jest bardziej

efektywna ze względu na możliwość ogrzania czynnika ogrzewanego do temperatury wyższej

niż końcowa temperatura czynnika ogrzewającego. Dodatkowo, średnia logarytmiczna

różnica temperatura czynników jest wyższa niż w przypadku przepływu współprądowego

23

(patrz dalej).Prąd krzyżowy ilustruje rys. 1.10. Jest to układ spotykany często w wentylacji

Fig. 1.10.

Rys. 1.10. Przykład prądu krzyżowego w nagrzewnicy wentylacyjnej

Wymienniki ciepła w węzłach ciepłowniczych można podzielić ze względu na funkcje (rodzaj

potrzeb cieplnych) na:

• wymienniki do ogrzewania,

• wymienniki do przygotowania ciepłej wody,

• wymienniki do podgrzania powietrza wentylacyjnego,

• wymienniki do celów technologicznych (przemysł, baseny kąpielowe).

1.4. Bilans wymiennika ciepła w stanie nieustalonym i ustalonym

W stanie nieustalonym wymiany ciepła należy zbilansować ciepło doprowadzone do

wymiennika, ciepło odprowadzone z wymiennika i ciepło zakumulowane w nośniku ciepła i

materiale wymiennika. Na rys. 1.11. pokazano składowe bilansu masy i ciepła [31].

Rys. 1.11. Składowe bilansu wymiennika ciepła w stanie nieustalonym

Ciepło dostarczone do układu: opisują równania:

woda

woda

powietrze

m1, t11

t12 m2, t21

t22

mw

m22

m11

24

τ⋅⋅⋅= dctmdQ 11p11111

τ⋅⋅⋅= dctmdQ 21p21221

ciepło odprowadzone z układu:

τ⋅⋅⋅= dctmdQ 12p12112

τ⋅⋅⋅= dctmdQ 22p22222

ciepło zakumulowane w nośnikach ciepła (cieczy):

1p1111ac ctdmdQ ⋅⋅=

2p2222ac ctdmdQ ⋅⋅=

ciepło zakumulowane w materiale wymiennika:

wwwacw ctdmdQ ⋅⋅=

gdzie (jednostki zgodne z układem SI):

m1,m2 – strumień masy nośników ciepła,

ml1, m22 – masa cieczy w wymienniku ciepła,

mw – masa wymiennika ciepła,

Q – ciepło,

t – temperatura,

cp1,2 – ciepło właściwe nośników ciepła,

cw2 – ciepło właściwe materiału wymiennika ciepła,

τ – czas,

dX – różniczka wielkości bilansowych.

Przyjmując konwencję znaku ciepła (+ doprowadzone, - odprowadzone) można zapisać

równanie:

0dQdQdQdQdQdQdQ acw2ac1ac22122111 =+ +++++ (1.43)

W stanie ustalonym można pominąć ciepło zakumulowane w nośnikach ciepła i w materiale

wymiennika. Równanie (1.43) upraszcza się do postaci:

0dQdQdQdQ 22122111 =+ ++ (1.44)

25

lub

( ) ( ) 0ttcmttcm 22212p2212111p11 =−⋅⋅+−⋅⋅ (1.45) Ciepło właściwe jest najczęściej przyjmowane jako określone w funkcji średniej arytmetycznej temperatury każdego z nośników ciepła(1 lub2).

1.5. Procedury doboru wymienników przepływowych

Na rys. 1.12. pokazano przebieg zmiany temperatury nośników ciepła przy wymianie ciepła we współprądzie i w przeciwprądzie [31, 34].

Rys. 1.12. Zmiana temperatury nośników ciepła przy przeciwprądzie (z lewej) i przy współprądzie (z prawej)

Przyjmijmy następujące oznaczenia:

m1 – strumień masy nośnika oddającego ciepło, kg/s,

m2 – strumień masy nośnika ogrzewanego, kg/s,

c1 – ciepło właściwe nośnika oddającego ciepło, kJ/(kg K),

c2 – ciepło właściwe nośnika ogrzewanego, kJ/(kg K),

t11 – temperatura początkowa nośnika oddającego ciepło, oC,

t12 – temperatura końcowa nośnika oddającego ciepło, oC,

t21

– temperatura początkowa nośnika ogrzewanego, oC,

t22 – temperatura końcowa nośnika ogrzewanego, oC,

A – powierzchnia wymiany ciepła, m2,

U – współczynnik przenikania ciepła, kW/(m2 K),

Φ – strumień ciepła wymieniany między nośnikami ciepła, kW,

dX – różniczka wielkości bilansowej.

26

Zakłada się niezmienność współczynnika przenikania ciepła wzdłuż drogi wymiany ciepła

(powierzchni wymiany ciepła). W przekroju “x”, w przypadku przepływu przeciwprądowego

można zapisać następujące równania bilansu ciepła [31]:

( ) x111xx2x1 dtcmdAttU ⋅⋅−=−

( ) x222xx2x1 dtcmdAttU ⋅⋅−=−

po uproszczeniu: dt

dt

m c

m cx

x

1

2

2 2

1 1= ⋅

⋅

W wyniku całkowania wzdłuż drogi wymiany ciepła otrzymamy:

− ⋅⋅

=∫ ∫m c

m cdt dtx

t

t x

xt

t x1 1

2 21

11

1

222

2

wprowadzając:

t tm c

m c

m c

m ct tx x2 11

1 1

2 2

1 1

2 21 22= − ⋅

⋅+ ⋅

⋅+

po przekształceniach możemy równania doprowadzić do postaci:

⋅−⋅⋅−⋅

−⋅⋅⋅⋅−⋅

−=1122

11112222x1

2211

2211

x

x1

cmcm

cmtcmtt

cmcm

cmcmU

dA

dt

⋅−⋅⋅−⋅

−⋅⋅⋅⋅−⋅

−=1122

11112222x2

2211

1122

x

x2

cmcm

cmtcmtt

cmcm

cmcmU

dA

dt

Wprowadźmy następujące oznaczenia:

22112211

1122

cm

1

cm

1

cmcm

cmcm

⋅−

⋅=

⋅⋅⋅⋅−⋅=µ (1.46)

oraz

1122

11112222

cmcm

cmtcmtt

⋅−⋅⋅−⋅

=∞ (1.47)

gdzie:

∞t – teoretyczna temperatura końcowa nośników ciepła (w nieskończoności),

27

µ – różnica odwrotności tzw. „równoważników wodnych”, będących iloczynami strumienia

masy i ciepła właściwego.

W przypadku współprądu do równań (1.56) i (1.47) należy w miejsce „m2” podstawić

“-m2” W wyniku następnych przekształceń można wyznaczyć zmianę temperatury nośników

ciepła w funkcji współrzędnej geometrycznej (długość lub powierzchnia, jako część

całkowitej powierzchni wymiany ciepła), jednakowo w przeciwprądzie i współprądzie:

• czynnika oddającego ciepło:

( ) xAU11x1 etttt µ−

∞∞ −=− (1.48)

• czynnika ogrzewanego:

xAU22x2 e)tt(tt µ−

∞∞ −=− (1.49)

Różnica temperatury nośników ciepła w przekroju “x” jest opisana wzorem:

xAU2211x e)tt(t µ−−=∆ (1.50)

Charakter zmiany temperatury jest wykładniczy (patrz rys. 1.12).

Wykładnik potęgi w równaniach (1.48)..(1.50) jest ten sam. Po przekształceniach

otrzymamy:

12

2211

NTUNTUcm

UA

cm

UAAU −=

⋅+

⋅−=µ−

gdzie „NTU” jest liczbą jednostek wymiany ciepła (number of transfer unit).

Średnia logarytmiczna różnica temperatury nośników ciepła (LMTD) jest obliczana z

wzoru:

w przypadku przeciwprądu:

2112

2211

21122211

tt

ttln

)tt()tt(LMTD

−−

−−−= (1.51)

28

w przypadku współprądu:

2212

2111

22122111

tt

ttln

)tt()tt(LMTD

−−

−−−= (1.52)

Wymienniki w węzłach ciepłowniczych są łączone w układzie przeciwprądu.

Strumień ciepła przekazywanego w wymienniku można obliczyć z wzoru:

LMTDAU21 ⋅⋅=Φ − (1.53)

oznaczenia jak w powyższych wzorach.

W zagadnieniach doboru lub sprawdzenia wymiennika ciepła w węźle ciepłowniczym

muszą być spełnione równania:

)tt(cm 1211111 −⋅⋅=Φ (1.54)

)tt(cm 2122222 −⋅⋅=Φ (1.55)

równanie (1.53) i

2121 −Φ=Φ=Φ (1.56)

Współczynnik przenikania ciepła jest wyznaczony w oparciu o zasady opisane w

podrozdziale 1.2. Jego wartość zależy, w głównej mierze, od prędkości przepływu nośników

ciepła oraz od oporu cieplnego przewodzenia ścianki (z warstwą zanieczyszczeń).

W węźle ciepłowniczym występują przypadki obliczeń wymienników ciepła pokazane

na rys. 1.13.

Rys. 1.13. Przypadki obliczeń wymienników ciepła w węzłach ciepłowniczych

(oznaczenia jak w powyższych wzorach)

t11 t22

t12 t21

m1 m2 Znane Obliczone

1 Φ , t11, t12, t21, t22 A, m1, m2

2 Φ,t11, t21, t22, A m1, m2, t12

3 m1,t11, m2, t21, A Φ,t12, t22

Φ

A

29

Pierwszy model jest typowym przypadkiem doboru płytowego wymiennika ciepła w

projektowanym węźle ciepłowniczym. Drugi model jest odpowiedni do obliczeń istniejącego

wymiennika przy zmianie mocy zamówionej lub parametrów instalacji i sieci. Trzeci model

obliczeniowy jest przydatny przy sprawdzeniu działania wymiennika ciepłej wody przy

zmianie strumienia masy wody instalacyjnej. Każdy z modeli jest możliwy do obliczenia przy

pomocy programów doboru wymienników ciepła [64,70].

1.6. Komputerowe algorytmy obliczeń wymienników ciepła

Pierwszy model obliczeń pokazany na rys. 1.13. obejmuje sekwencję następujących

kroków :

Krok 1 – wybór typu wymiennika ciepła (zgodnie z z akresem mocy cieplnej),

Krok 2 – obliczenie wła ściwo ści fizycznych no śników ciepła, obliczenie LMTD,

Krok 3 – zało żenie pocz ątkowej liczby płyt (najmniejsza warto ść),

Krok 4 – obliczenie: strumienia masy, pr ędko ści przepływu (medium 1i 2),

obliczenie liczb podobie ństwa,

Krok 5 – obliczenie współczynnika przenikania ciep ła,

Krok 6 – sprawdzenie równania (1.53),

Krok 7 – je żeli strumie ń ciepła jest zgodny z zało żeniem – koniec oblicze ń,

– je żeli strumie ń ciepła jest za mały – zwi ększ liczb ę płyt i wró ć do

kroku 3.

W drugim modelu występuje następująca sekwencja:

Krok 1 – przyj ęcie wybranego wymiennika

Krok 2 – zało żenie ko ńcowej temperatury t 12, n.p. t 12=t1 21+0.01,

Krok 3 – obliczenie wła ściwo ści fizycznych no śników ciepła, obliczenie LMTD,

Krok 4 – obliczenie: strumienia masy, pr ędko ści przepływu (medium 1i 2),

obliczenie liczb podobie ństwa,

Krok 5 – obliczenie współczynnika przenikania ciep ła,

Krok 6 – sprawdzenie równania (1.53),

Krok 7 – je żeli strumie ń ciepła jest zgodny z zało żeniem – koniec oblicze ń,

– je żeli strumie ń ciepła jest za mały – zwi ększ temperatur ę ko ńcową i

wró ć do kroku 3.

Trzeci model składa się z następujących kroków:

Krok 1 – zało żenie ko ńcowej temperatury t 12, n.p. t 12=t 21+0.01,

Krok 2 – obliczenie: mocy cieplnej, ko ńcowej temperatury t 22,

Krok 2 – obliczenie wła ściwo ści fizycznych no śników ciepła, obliczenie LMTD,

Krok 4 – obliczenie: strumienia masy, pr ędko ści przepływu (medium 1i 2),

obliczenie liczb podobie ństwa,

Krok 5 – obliczenie współczynnika przenikania ciep ła,

30

Krok 6 – sprawdzenie równania (1.53),

Krok 7 – je żeli strumie ń ciepła jest zgodny z zało żeniem – koniec oblicze ń,

– je żeli strumie ń ciepła jest za mały – zwi ększ temperatur ę ko ńcowąt 12i

wró ć do kroku 3.

W algorytmach obliczeniowych można wykorzystać metodę połowienia przedziałów,

charakteryzującą się bardzo dużą zbieżnością.

1.7. Strata ciśnienia w wymienniku przy przepływie nośników ciepła

Straty ciśnienia przy przepływie nośników ciepła przez wymienniki wyznacza się

zwykle w oparciu o dane eksperymentalne, wyrażone w postaci charakterystyk

hydraulicznych wymienników ciepła, zwykle w postaci:

• po stronie pierwotnej (sieci):

1a

111 mCp ⋅=∆ (1.57) gdzie:

∆p1 – strata ciśnienia w obwodzie pierwotnym, kPa,

C1 – stała, zależna od temperatury wody,

m1 – strumień masy w obwodzie pierwotnym, kg/s,

a1 – wykładnik potęgi, ustalony eksperymentalnie.

• po stronie wtórnej (instalacja):

2a

222 mCp ⋅=∆ (1.58) gdzie:

∆p2 – strata ciśnienia w obwodzie wtórnym, kPa,

C2 – stała, zależna od temperatury wody,

m2– strumień masy w obwodzie wtórnym, kg/s,

a2 – wykładnik potęgi, ustalony eksperymentalnie.

W przypadku dużej liczby płyt w wymienniku płytowym strata ciśnienia w króćcu

wlotowym (wylotowym) może stanowić istotną wartość, np. 30÷50% całkowitej straty

ciśnienia. W programach doboru wymienników [64] pojawia się odpowiedni komunikat

informujący użytkownika.

31

1.8. Program komputerowy do doboru i obliczeń płytowych wymienników ciepła

Użytecznym narzędziem do doboru i obliczeń (symulacja) płytowych wymienników ciepła

jest “HEXACT” [64]. Program jest dostępny na stronie http://hexact.danfoss.com lub

www.ogrzewanie.danfoss.pl. Na rysunku 1.14. pokazano ekran z danymi wejściowymi do

doboru wymiennika (model 1 rys. 1.13), na rys. 1.15. wyniki doboru.

Przy doborze wymiennika należy podać maksymalną wielkość straty ciśnienia. W

wymiennikach w sekcji ogrzewania i wentylacji przyjmuje się najczęściej 20 kPa.

Rys. 1.14. Ekran programu HEXACT z danymi do doboru wymiennika [64]

32

Rys. 1.15. Najważniejsze wyniki doboru wymiennika za pomocą program HEXACT–

Dane do doboru na rys. 1.14. [64]

Wymiennik ciepła można wybrać z listy. Można również wstępnie wybrać typ wymiennika

zamiast opcji „Optymalny XB”. Wielkość opisana jako „współczynnik ceny” oznacza

nadmiar powierzchni wymiany ciepła. Przy doborze wymiennika ciepła o dużym nadmiarze

powierzchni wymiany ciepła należy określić rzeczywiste parametry wody sieciowej:

rzeczywisty strumień objętości (masy) i rzeczywistą temperaturę wody powracającej z

wymiennika ciepła. Umożliwia to opcja „Oblicz temp. rzeczywistą”. Przy niewielkim

nadmiarze powierzchni można pozostawić parametry obliczeniowe po stronie sieciowej,

przyjęte do doboru. Rys. 1.16. pokazuje możliwości symulacji działania wymiennika w

innych warunkach – przy zmianie mocy cieplnej i zmianie parametrów instalacji wewnętrznej

ogrzewania. Taka sytuacja występuje często przy termomodernizacji budynków.

\

33

Rys. 1.16. Ekran programu HEXACT przy symulacji działania wymiennika w odmiennych warunkach,

podkreślono wartości zmienione [64]

34

Rys. 1.17. Fragment ekranu programu HEXACT z wynikami symulacji – dane na rys. 1.16.[64]

Na rysunku 1.18. przedstawiono możliwe przypadki obliczeniowe przy symulacji działania

wymiennika w zmienionych warunkach pracy.

Rys. 1.18. Możliwe przypadki symulacji w programie HEXACT [64]

Przedostatnia opcja jest przydatna przy 3. modelu obliczeń pokazanym na rys. 1.13.,

gdzie przy dobranej wielkości wymiennika sprawdza się działanie przy innej wielkości

zapotrzebowania na ciepłą wodę. Będzie to wyjaśnione w dalszej części książki.

35

1.9. Statyczne i dynamiczne charakterystyki płytowych wymienników ciepła

Wymiennik ciepła może być rozpatrywany jako blok regulacji z szeregiem wielkości

wejściowych (wejść - X) i wielkości wyjściowych (wyjść - Y). Charakterystyką statyczną

bloku regulacyjnego nazywamy funkcję odwzorowującą wartości wejściowe na wartości

wyjściowe. (Input/Output, I/O funkcje). Zespół wielkości wejściowych i wyjściowych tworzy

wielowymiarową przestrzeń stanu o rzędzie będącym iloczynem liczby wejść i wyjść. Na rys.

1.19. pokazano wymiennik ciepła z zaznaczonym zespołem wejść (4) i wyjść. Oznaczenia –

jak w powyższych zależnościach [20, 32, 34].

Rys. 1.19. Wymiennik ciepła jako blok regulacji z zespołem wejść i wyjść[20]

Wielkościami wejściowymi (zakłócającymi) X są:

• temperatura początkowa wody sieciowej, t11,

• temperatura początkowa wody instalacyjnej t21,

• strumień masy wody sieciowej, m1,

• strumień masy wody instalacyjnej, m2.

Wielkości wyjściowe (odpowiedzi na zakłócenia) Y są następujące:

• temperatura końcowa wody sieciowej, t12,

• temperatura końcowa wody instalacyjnej, t22.

Na podstawie zespołu danych można określić strumień ciepła Φ jako odpowiedź wymiennika.

Zespół charakterystyk statycznych może być zapisany w formie macierzowej:

=

)X(Y)X(Y

)X(Y)X(Y

)X(Y)X(Y

)X(Y)X(Y

4241

3231

2221

1211

Y(X) (1.59)

t21

m1

m2

t12

t22

t11

36

Za pomocą programu HEXACT [64] można wyznaczyć wszystkie charakterystyki

wymiennika ciepła. Charakterystyki statyczne wybranego wymiennika (XB51L-30) ilustrują

poniższe rysunki:

• A. ( )1mf=Φ , ( )112 mft = , ( )122 mft = , t11, t21, m2 = idem; (przykłady na rys.. 1.20..1.22

[64])

Rys. 1.20. Charakterystyka: Φ=f(m1) HE: XB 51L-1 30, t11=120 oC, t21=55 oC, m2=2.47 kg/s

Rys. 1.21. Charakterystyka: t21=f(m1) HE: XB 51L-1 30, t11=120 oC, t21=55 oC, m2=2.47 kg/s

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

450.00

500.00

0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000

m1

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000

m1

t 12

37

Rys. 1.22. Charakterystyka: t22=f(m1) HE: XB 51L-1 30, t11=120 oC, t21=55 oC, m2=2.39 kg/s

Krzywe charakterystyk mają charakter quasi-hiperboliczny. Wzrost strumienia masy m1

do nieskończoności (w matematycznym znaczeniu) powoduje skończony wzrost mocy

cieplnej.

• B. ( )2mf=Φ , ( )212 mft = , ( )222 mft = , t11, t21, m1= idem; (przykłady na rys. 1.23..1.25)

Rys. 1.23. Charakterystyka: Φ=f(m2) HE: XB 51L-1 30, t11=120 oC, t21=55 oC, m1=0.68 kg/s

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000

m1

t 22

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

180.00

0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000

m2

38

Rys. 1.24. Charakterystyka: t12=f(m2) HE: XB 51L-1 30, t11=120 oC, t21=55 oC, m1=0.68 kg/s

Rys. 1.25. Charakterystyka: t22=f(m2) HE: XB 51L-1 30, t11=120 oC, t21=55 oC, m1=0.68 kg/s

• C. ( )21tf=Φ , ( )2112 tft = , ( )2122 tft = , t11, m1, m2 = idem; (przykłady na rys. 1.26..1.28)

Rys. 1.26. Charakterystyka: Φ=f (t21) HE: XB 51L-1 30, t11=120 oC, m1=0.68 kg/s, m2=2.39 kg/s

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000

m2

t 12

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000

m2

t 22

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0

t21

39

Rys. 1.27. Charakterystyka: t12=f(t21) HE: XB 51L-1 30, t11=120 oC, m1=0.68 kg/s, m2=2.39 kg/s

Rys. 1.28. Charakterystyka: t22=f(t21) HE: XB 51L-1 30, t11=120 oC, m1=0.68 kg/s, m2=2.39 kg/s

• D. ( )11tf=Φ , ( )1112 tft = , ( )1122 tft = , t12, m1, m2 = idem; (przykłady na rys. 1.29..1.30)

Rys. 1.29. Charakterystyka: Φ=f (t11) HE: XB 51L-1 30, t21=55oC, m1=0.68 kg/s, m2=2.39 kg/s

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0

t21

t 12

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0

t21

t 22

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0

t11

40

Rys. 1.30. Charakterystyka: t12=f (t11) HE: XB 51L-1 30, t21=55 oC, m1=0.68 kg/s, m2=2.39 kg/s

Rys. 1.31. Charakterystyka: t22=f (t11) HE: XB 51L-1 30, t21=55 oC, m1=0.68 kg/s, m2=2.39 kg/s

Charakterystyki przepływowe mają przebieg quasi-hiperboliczny, charakterystyki

temperaturowe mają quasi-linearny przebieg. Znajomość charakterystyki statycznej pozwala

na wyznaczenie wartości końcowych parametrów wyjściowych przy skokowej zmianie

parametrów wejściowych. Charakterystyką dynamiczną [20] bloku regulacji jest nazywana

funkcja odwzorowująca zmianę w czasie wielkości wejściowej na zmianę w czasie wielkości

wyjściowej. Wielkość wejściowa zwana jest zakłóceniem, wielkość wyjściowa – odpowiedzią

układu. W automatycznej regulacji rozpatruje się najczęściej dwie elementarne funkcje zmian

wejścia: funkcję skoku jednostkowego (Heaviside’a), gdy zmiana występuje skokowo w

nieskończenie krótkim czasie oraz funkcję częstotliwościową (Fouriera), kiedy zmiana ma

54.0

55.0

56.0

57.0

58.0

59.0

60.0

61.0

62.0

63.0

50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0

t11

t 12

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0

t11

t 22

41

charakter sinusoidalny. Możliwości obliczeniowe współczesnych komputerów pozwalają na

rozpatrywanie dowolnej zmiany wielkości wejściowej jako odpowiedzi na szereg czasowy

skoków jednostkowych. Wielowymiarową charakterystykę dynamiczną bloku regulacji

(odwzorowanie funkcji zmiany wielkości wejściowej w czasie na zmianę wielkości

wyjściowej w czasie) wygodnie jest zapisać w formie macierzowej [20]:

ττ

ττ

ττ

ττ

ττ

ττ

ττ

ττ

=

d

dX

d

dY

d

dX

d

dYd

dX

d

dY

d

dX

d

dYd

dX

d

dY

d

dX

d

dYd

dX

d

dY

d

dX

d

dY

4241

3231

2221

1211

dτdY

(1.60)

Zespół wielkości wejściowych X i wyjściowych Y i wymiennika ciepła jest taki sam jak

podano przy omawianiu charakterystyki statycznej. Wymiennik ciepła jest blokiem regulacji

(członem) inercyjnym 1. rzędu, z niewielką pojemnością cieplną. Jego odpowiedź na

zakłócenia przebiega według funkcji wykładniczej, której charakterystycznym parametrem

jest stała czasowa. Stała czasowa jest to czas, jaki by upłynął od wystąpienia odchylenia do

osiągnięcia wartości końcowej sygnału, gdyby prędkość zmiany sygnału była taka, jak na

początku. Na rys. 1.32. pokazano zmianę wielkości wyjściowej przy skoku jednostkowym

wielkości wejściowej.

Rys. 1.32. Zmiana wartości procentowej uchybu regulacji jako odpowiedź układu inercyjnego 1. rzędu przy

skoku jednostkowym wielkości wejściowej

Wartość procentowa uchybu regulacji [%]

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

0 5 10 15 20 25

Stała czasowa=10 s czas [s]

42

Zmiana uchybu regulacji wielkości wyjściowej w czasie może być opisana równaniem

( ) TeYYτ−

⋅∆=τ∆ (1.61) gdzie:

∆Y(τ) –uchyb regulacji po upływie czasu τ,

∆Y –początkowy uchyb regulacji,

τ – czas, s,

T – stała czasowa, s.

Stała czasowa wymienników płytowych jest rzędu kilkunastu, kilkudziesięciu sekund.

Elementy układów regulacji (regulatory, zawory regulacyjne z napędem) powinny mieć

charakterystykę dynamiczną dostosowaną do charakterystyki dynamicznej wymienników

ciepła. W przypadku płytowych wymienników ciepła stała czasowa czujników temperatury

powinna być rzędu kliku, kilkunastu sekund.

43

2. KLASYFIKACJA I CHARAKTERYSTYKA W ĘZŁÓW CIEPLNYCH

2.1. Klasyfikacja węzłów cieplnych

Węzeł ciepłowniczy (cieplny) łączy instalację wewnętrzną z zewnętrzną siecią cieplną.

Występują różne przypadki własności i eksploatacji węzła cieplnego. Węzeł wraz z

pomieszczeniem może być własnością Przedsiębiorstwa Ciepłowniczego (PC), własnością PC

może być tylko wyposażenie węzła, własnością PC może być tylko moduł (obwód)

przyłączeniowy. Węzeł cieplny może być także własnością zarządcy budynku. Eksploatację

węzła cieplnego może prowadzić Przedsiębiorstwo Ciepłownicze, ale również możliwa jest

eksploatacja przez zarządcę budynku lub zewnętrzną firmę. Zadaniem węzła cieplnego jest (w

nawiasie kwadratowym wymieniono funkcje opcjonalne):

• Dostarczenie i transformacja ciepła z sieci ciepłowniczej do instalacji,

• Pomiar zużycia ciepła do celów rozliczeń,

• Automatyczna regulacja temperatury w obwodach wtórnych,

• Automatyczna regulacja dyspozycyjnej różnicy ciśnienia,

• [Rejestracja podstawowych parametrów i zdalna komunikacja],

• [Zmiana temperatury i ciśnienia nośnika ciepła].

Wodne węzły cieplne można sklasyfikować według różnych kryteriów [34]. Pierwszy

podział wynika ze sposobu połączenia sieci ciepłowniczej i instalacji wewnętrznej. Węzły

cieplne dzielą się na:

• Węzły bezpośredniego połączenia (ten sam nośnik ciepła płynie w sieci i instalacji),

• Węzły pośrednie (wymiennikowe).

Węzły bezpośredniego połączenia można podzielić na:

• Węzły bezpośredniego połączenia bez zmiany temperatury nośnika ciepła,

• Węzły bezpośredniego połączenia ze zmianą temperatury nośnika ciepła

(hydroelewatorowe lub zmieszania pompowego).

Węzły hydroelewatorowe mają obecnie historyczne znaczenie. Były powszechnie używane w

Polsce w latach 60. i 70. XX wieku jako rozwiązanie wymuszone przepisami prawa.

W zależności od funkcji (rodzaju potrzeb cieplnych węzły cieplne można podzielić na:

• Węzły cieplne do celów ogrzewania,

• Węzły cieplne do celów przygotowania ciepłej wody,

• Węzły cieplne do celów podgrzewania powietrza wentylacyjnego,

• Węzły cieplne do celów technologicznych.

44

Potrzeby technologiczne w obszarach zurbanizowanych to w głównej mierze potrzeby

basenów kąpielowych. W obszarze przemysłowym mogą wystąpić potrzeby technologiczne w

różnego rodzaju zakładach, ale nie stanowią zbyt dużego udziału w całości potrzeb

ciepłowniczych miast. Wyżej wymienione funkcje węzłów mogą się łączyć. Dominującym

typem węzła cieplnego w miastach jest węzeł do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody –

ten typ węzła nosi nazwę węzła dwufunkcyjnego. Rzadko występują odrębne węzły do

przygotowania ciepłej wody. Węzły tylko do celów ogrzewania (jednofunkcyjne) występują

w obszarach zurbanizowanych, gdzie ciepła woda jest przygotowana w podgrzewaczach

gazowych lub elektrycznych. Ten system ma jednak tendencje zanikające, z jednej strony ze

względu na niebezpieczeństwo użytkowania urządzeń gazowych, z drugiej – ze względu na

wysoką cenę energii elektrycznej. Węzeł do celów ogrzewania, wentylacji i przygotowania

ciepłej wody nosi nazwę węzła trójfunkcyjnego.

Ze względu na lokalizację węzły cieplne można podzielić na:

• Wbudowane węzły cieplne (w budynku o innym przeznaczeniu, jako kompaktowe lub

wykonywane na budowie),

• Wolno stojące węzły cieplne (stanowiące odrębny budynek, zwykle wykonywane na

budowie).

W zależności od liczby ogrzewanych budynków (w warunkach polskich) węzły cieplne dzielą

się na:

• Indywidualne węzły cieplne,

• Grupowe węzły cieplne (ogrzewające grupę budynków).

Grupowe węzły cieplne były powszechnym rozwiązaniem w Polsce w latach 70. i 80. XX w.

Podobnie jak wcześniej węzły hydroelewatorowe, grupowe węzły wymiennikowe były

rozwiązaniem narzuconym przez obowiązujące przepisy prawa w dziedzinie ciepłownictwa.

W wielu miastach w Polsce występują jeszcze węzły grupowe. Mają one znacznie mniejsze

możliwości skutecznej regulacji parametrów i znacznie mniejszą efektywność dostawy ciepła

niż węzły indywidualne, dostosowane do potrzeb pojedynczego budynku. Jedynie bariera

finansowa nie pozwala niektórym Przedsiębiorstwom Ciepłowniczym na likwidację węzłów

grupowych i ich zastąpienie węzłami indywidualnymi.

W krajach UE wprowadza się dodatkowo podział na węzły w zależności od rodzaju

budynku mieszkalnego, na:

• węzły cieplne w budynkach jednorodzinnych,

• węzły cieplne w budynkach wielorodzinnych.

45

W budynkach wielorodzinnych mogą być stosowane mieszkaniowe węzły cieplne, z

wymiennikami do przygotowania ciepłej wody w każdym mieszkaniu. W warunkach

krajowych nie stosuje się układów bezpośredniego połączenia do celów ogrzewania, w innych

krajach takie rozwiązania są możliwe [39]. W budynku występuje główny węzeł cieplny,

transformujący parametry sieciowe na obniżone - instalacyjne, ale z ograniczeniem z dołu

temperatury zasilania ze względu na potrzeby ciepłej wody. Przy powszechnie przyjętych

parametrach instalacji ogrzewania o temperaturze zasilania nie wyższej niż 70 oC, regulacja

ogrzewania praktycznie jest realizowana jako ilościowa. Z uwagi na podwójną transformację

temperatury w wymiennikach do celów przygotowania ciepłej wody, rozwiązanie takie

powinno mieć uzasadnienie w postaci nadwyżki temperatury zasilania w sieci ciepłowniczej

poza tzw. punktem załamania wykresu regulacyjnego. We współczesnych rozwiązaniach

węzłów cieplnych są stosowane wyłącznie indywidualne węzły wymiennikowe lub węzły

mieszkaniowe.

2.2. Węzeł cieplny bezpośredniego połączenia

Węzeł cieplny bezpośredniego połączenia jest najprostszym typem węzła. Może być

stosowany jedynie w małych systemach ciepłowniczych, np. zasilanych z lokalnej kotłowni

gazowej lub olejowej. Węzły bezpośredniego połączenia mają również zastosowanie w

przemyśle, obecnie jako niskotemperaturowe (temperatura wody zasilającej do 100 oC.

Przyjmijmy następujące symbole graficzne elementów węzłów cieplnych:

pompa

filtr

zawór odcinający

zawór regulacyjny

zawór regulacji różnicy ciśnienia

zawór bezpieczeństwa

zawór zwrotny

46

ciepłomierz

przepływomierz

przeponowe naczynie wzbiorcze

manometr, termometr

2.2.1. Węzeł cieplny bezpośredniego połączenia bez zmiany temperatury wody

zasilającej

Na rys. 2.1. pokazano uproszczony schemat ideowy (bez oznaczenia średnic i

specyfikacji elementów) węzła cieplnego bezpośredniego połączenia bez zmiany temperatury

wody zasilającej.

Rys. 2.1. Uproszczony schemat ideowy (bez oznaczenia średnic i specyfikacji elementów) węzła

cieplnego bezpośredniego połączenia bez zmiany temperatury wody zasilającej (oprac. autora)

W węźle pokazanym na rys. 2.1. przepływ wody sieciowej następuje bezpośrednio z sieci do

instalacji bez zmiany temperatury. Zmiana ciśnienia następuje w wyniku strat ciśnienia w

obwodach sieci i instalacji. Dyspozycyjna różnica ciśnienia jest utrzymywana jako stała przez

zawór regulacji różnicy ciśnienia (i ograniczenia przepływu). Spełnione są następujące

równania:

isns tt = (2.1)

irnr tt = (2.2)

in mm = (2.3)

gdzie:

tns – temperatura zasilania wody sieciowej, oC,

47

tnr – temperatura powrotu wody sieciowej, oC,

tis – temperatura zasilania wody instalacyjnej, oC,

tir – temperatura powrotu wody instalacyjnej, oC,

mn – strumień masy wody w sieci cieplnej, kg/s,

mi – strumień masy wody w instalacji, kg/s.

Ciepłomierz i zawór regulacji różnicy ciśnienia mogą być instalowane w przewodzie

powrotnym lub zasilającym. Montaż w przewodzie zasilającym może być wymagany przez

Przedsiębiorstwo Ciepłownicze. Nastawa zaworu regulacji różnicy ciśnienia (i ograniczenia

przepływu) jest ustalana w wyniku obliczeń węzła cieplnego. Zagadnienia te zostaną

omówione w dalszej części poradnika.

2.2.2. Węzeł zmieszania pompowego

W węźle zmieszania pompowego temperatura wody zasilającej instalację jest

kształtowana (regulowana) w wyniku mieszania wody zasilającej (z sieci ciepłowniczej) z

wodą powracającą z instalacji wewnętrznej. Ilustruje to rys. 2.2. Są spełnione następujące

równania bilansu masy i ciepła (strumieni entalpii):

mni mmm += (2.4)

irmnsnisi tmtmtm ⋅+⋅⋅ = (2.5)

oraz

gdzie:

mm – strumień masy wody w przewodzie mieszania, kg/s,

inne oznaczenia jak wyżej.

Iloraz nm

mm jest nazywany współczynnikiem mieszania i oznaczany literą α

iris

isns

tt

tt

−−=α (2.6)

Współczynnik mieszania jest wyznaczony na podstawie przyjętej temperatury zasilania i

powrotu w sieci ciepłowniczej i w instalacji wewnętrznej. W pętli automatycznej regulacji

temperatura wody zasilającej instalację jest wielkością regulowaną, uzyskiwaną w wyniku

zmiany proporcji strumieni wody sieciowej i wody instalacyjnej. Wartość temperatury wody

irnr tt =

48

zasilającej przyjmuje się najczęściej w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego

(tzw. funkcja kompensacji pogodowej).

Rys. 2.2. Pętla mieszania – węzeł łączący (mieszający) i rozdzielający

Możliwość mieszania wody sieciowej z wodą powracającą z instalacji daje

zastosowanie strumienicy (pompy strumienicowej). Ten typ węzła cieplnego, znany jako

węzeł hydroelewatorowy, nie jest obecnie stosowany. Możliwość zmieszania wody daje

również zastosowanie pompy o napędzie elektrycznym. Pompa może być zamontowana:

• w przewodzie zasilającym,

• w przewodzie mieszania,

• w przewodzie powrotnym.

Kolejne rysunki przedstawiają układ ciśnienia w przewodach sieci i instalacji w różnych

konfiguracjach umieszczenia pompy.

p1 p2

p7p8

p1

p2

p4

p7

p8

p3 p4 p5

p6

p3

p5

p6

Rys. 2.3. Pompa w przewodzie zasilającym, schemat i układ ciśnienia [34]

Ciśnienie w punkcie 7 musi być większe niż w punkcie 2, wynika to z kierunku przepływu

wody. Zamontowanie trójdrogowego zaworu regulacyjnego nie zmienia zasadniczo układu

ciśnienia. W celu zapewnienia właściwego działania węzła zmieszania pompowego

49

dyspozycyjna różnica ciśnienia w punkcie włączenia węzła do sieci powinna być ujemna

(ciśnienie w przewodzie powrotnym mniejsze niż w przewodzie zasilającym) lub bliska 0.

Zawór regulacji różnicy ciśnienia nie ma możliwości zapewnienia takiej wartości (minimalna

wartość nastawy wynosi przeważnie 20 kPa). Inwersja dyspozycyjnej różnicy ciśnienia może

oddziaływać na węzły położone w pobliżu. Ten sposób połączenia jest możliwy jedynie w

przypadku obiegów kotłowni (bez pomp kotłowych lub ze sprzęgłem hydraulicznym) [30].

p1 p2

p7p8

p7

p2

p1

p8

p4

p3

p5p6

p5

p6p3

p4

Rys. 2.4. Pompa w przewodzie powrotnym, schemat i układ ciśnienia [34]

Układ ciśnienia na rys. 2.4. jest podobny jak pokazany na rys. 2.3. W tym przypadku

także występuje inwersja ciśnienia. Ten układ jest rzadko stosowany w ciepłownictwie i

ogrzewnictwie.

p1

p6

p3

p4

p1

p3

p4

p6

p4p5

p7

p8

p2

p7

p8

p2

p5

Rys. 2.5. Pompa w przewodzie mieszania, schemat i układ ciśnienia [34]

50

Tylko w układzie z pompą w przewodzie mieszania występuje dodatnia wartość

dyspozycyjnej różnicy ciśnienia w punkcie włączenia węzła cieplnego do sieci. Zatem, ten

układ jest funkcjonalnie predestynowany do współpracy z siecią cieplną. Może mieć

zastosowanie w niewielkich systemach ciepłowniczych zasilanych z kotłowni gazowych lub

olejowych. W scentralizowanych, średnich i dużych systemach ciepłowniczych węzły

bezpośredniego połączenia nie są stosowane ze względu na oczywiste niedogodności:

trudność w kształtowaniu ciśnienia w sieci przy zmiennym obciążeniu oraz możliwości

oddziaływania instalacji wewnętrznej na sieć ciepłowniczą (ubytki i zanieczyszczenie wody).

Rys. 2.6. przedstawia uproszczony schemat węzła zmieszania pompowego z pompą w

przewodzie mieszania.

Rys. 2.6. Uproszczony schemat węzła zmieszania pompowego z pompą w przewodzie mieszania,

opracowanie autora

Ciepłomierz i zawór regulacji różnicy ciśnienia (i ograniczenia przepływu) może być

umieszczony w przewodzie powrotnym lub zasilającym, zależnie od wymagań

Przedsiębiorstwa Ciepłowniczego. Ten typ węzła może być stosowany jedynie wówczas, gdy

ciśnienie maksymalne w sieci ciepłowniczej nie jest większe niż dopuszczalne ciśnienie w

instalacji wewnętrznej. Zawór bezpieczeństwa działa jedynie w przypadku stanów

awaryjnych.

51

2.3. Wymiennikowe węzły cieplne

Wymiennikowe węzły cieplne mają zastosowanie w scentralizowanych systemach

ciepłowniczych zasilanych z elektrociepłowni lub dużych kotłowni (ciepłowni), a także

dużych central cieplnych (geotermalnych, słonecznych). Kolejne rysunki będą prezentować

typowe schematy węzłów cieplnych. Schematy ideowe węzłów cieplnych stosowane przez

Przedsiębiorstwa Ciepłownicze mogą być specyficzne, jednak różnice w stosunku do

prezentowanych w tej książce schematów są nieistotne, dotyczą głównie rodzaju wyposażenia

węzła i lokalizacji elementów regulacyjnych i pomiarowych. Autor zakłada, że Czytelnik ma

umiejętność czytania schematów ideowych.

2.3.1. Wymiennikowy węzeł cieplny do celów ogrzewania

Wymiennikowy węzeł cieplny do celów ogrzewania jest zwany węzłem

jednofunkcyjnym. Pokrywa wyłącznie zapotrzebowanie na moc cieplną do celów ogrzewania

budynku. Obwód sieciowy nosi nazwę obwodu pierwotnego, obwód instalacyjny – obwodu

wtórnego. Połączenie obwodu sieciowego z instalacyjnym umożliwia napełnianie instalacji i

uzupełnianie ubytków wody w instalacji z przewodu sieci ciepłowniczej. Jest to powszechnie

stosowane rozwiązanie, choć niektóre Przedsiębiorstwa Ciepłownicze mogą nie wyrazić

zgody na ten sposób uzupełniania. Wówczas rozwiązaniem alternatywnym jest wyposażenie

węzła cieplnego w stację uzdatniania (zmiękczanie, czasem odżelaziania) do celów

napełniania instalacji i uzupełniania ubytków wody. Rys. 2.7. pokazuje uproszczony schemat

jednofunkcyjnego wymiennikowego węzła cieplnego do ogrzewania [70].

Rys. 2.7. Uproszczony schemat jednofunkcyjnego wymiennikowego węzła cieplnego do ogrzewania [70]

52

Zawór bezpieczeństwa przy przeponowym naczyniu wzbiorczym jest elementem

koniecznym w przypadku, gdy iloczyn nadciśnienia (bar) i pojemności całkowitej (w dm3)

naczynia jest większy niż 300. Wynika to z polskich przepisów Dozoru Technicznego.

2.3.2. Wielofunkcyjny wymiennikowy węzeł cieplny

W węźle do celów ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody wszystkie

obwody pierwotną są połączone równolegle. Obwody wtórne stanowią odrębne sekcje.

Rys. 2.8. pokazuje uproszczony schemat dwufunkcyjnego wymiennikowego węzła cieplnego

do celów ogrzewania i przygotowania ciepłej wody [70]. Litery A i B oznaczają punkty

włączenia dodatkowej sekcji (obwodu), np. do celów wentylacji lub technologii. Stabilizator

temperatury ciepłej wody (włączony do przewodu ciepłej wody za wymiennikiem) jest

elementem koniecznym, gdy moc cieplna wymiennika ciepłej wody jest mniejsza niż

odpowiadająca chwilowemu (szczytowemu) zapotrzebowaniu na ciepłą wodę. Zasobniki

ciepłej wody są obecnie w Polsce rzadko stosowane.

Rys. 2.8. Uproszczony schemat dwufunkcyjnego wymiennikowego węzła cieplnego do celów ogrzewania i

przygotowania ciepłej wody [70]

Ciepłomierz jest instalowany w obwodzie przyłączeniowym (wspólnym) oraz w

obwodzie pierwotnym ogrzewania. Zużycie ciepła do celów przygotowania ciepłej wody

stanowi różnicę wskazań ciepłomierza głównego i ciepłomierza w sekcji ogrzewania.

Niektóre Przedsiębiorstwa Ciepłownicze wymagają montażu ciepłomierza w obwodzie

pierwotnym przygotowania ciepłej wody. Dodatkowy obwód może być projektowany do

celów wentylacji lub technologii. Obwody pierwotne są łączone równolegle. Obwód

53

wentylacji jest identyczny jak obwód ogrzewania (pogodowa regulacja temperatury zasilania

w instalacji), obwód do celów technologii – identyczny jak obwód przygotowania ciepłej

wody (stałowartościowa regulacja temperatury wody do celów technologicznych). W

dalszych rozdziałach (5,6,7) szczegółowo omówiono zasady doboru poszczególnych

elementów węzła cieplnego.

2.3.3. Mieszkaniowe węzły cieplne

Mieszkaniowy węzeł cieplny do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody pokazano na

rys. 2.9. Zwarta budowa pozwala na montaż węzła w szafce o niewielkich wymiarach.

Połączenie do celów ogrzewania jest bezpośrednie, do przygotowania ciepłej wody – przez

wymiennik ciepła. Zestaw mieszkaniowego węzła cieplnego zawiera w jednej obudowie

wymiennik ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz wielofunkcyjny,

kombinowany regulator z ciśnieniowo i termostatycznie sterowanym zaworem regulacji

ciepłej wody, regulatorem różnicy ciśnienia oraz (opcjonalnie) zawór regulacji strefowej do

obwodu ogrzewania grzejnikowego lub podłogowego.

Rys. 2.9. Mieszkaniowy węzeł cieplny Akva Lux II TDP-F Danfoss oraz schemat instalacji

doprowadzającej nośnik ciepła do węzłów mieszkaniowych [39, 60]

Rys. 2.10. przedstawia schemat ideowy węzła mieszkaniowego, rys. 2.11. schemat

ideowy głównego węzła cieplnego w budynku (ze zbiornikiem buforowym).

54

Rys. 2.10. Mieszkaniowy węzeł cieplny Akva Lux II TDP-F Danfoss – schemat ideowy

Rys. 2.11. Główny węzeł cieplny ze zbiornikiem buforowym współpracujący z węzłami mieszkaniowymi [70]

Główny węzeł cieplny w budynku jest węzłem jednofunkcyjnym, z jednym obwodem

wtórnym. Woda instalacyjna (w obwodzie wtórnym) nie powinna mieć niższej temperatury

niż 65 oC, ze względu na konieczność podgrzania wody użytkowej do 55÷60 oC, zgodnie z

przepisami obowiązującymi w Polsce. Moc cieplna wymiennika ciepłej wody wynosi

przeciętnie 25÷36 kW. Liczbę jednocześnie działających wymienników ustala się na

podstawie wytycznych producentów urządzeń [39]. Zagadnienia doboru mieszkaniowych

węzłów cieplnych ogrzewania i przygotowania ciepłej wody zostaną omówione w dalszej

części książki.

55

2.4. Celowość stosowania dwustopniowego przygotowania ciepłej wody

Większość scentralizowanych systemów ciepłowniczych w Centralnej i Wschodniej

Europie była tworzona w latach 50. i 60. XX wieku. W tamtym okresie nominalna

(szczytowa) temperatura wody w systemach ciepłowniczych była przyjmowana jako 150 oC

w przewodzie zasilającym i 70 oC w przewodzie powrotnym w węzłach hydroelewatorowych

oraz 80 oC w węzłach wymiennikowych (w budynkach o specjalnym przeznaczeniu, np. w

szpitalach, żłobkach). Sezon grzewczy rozpoczynał się przy temperaturze powietrza

zewnętrznego poniżej 10 oC, temperatura wewnętrzna w mieszkaniach była przyjmowana

jako 18 oC. Woda w instalacji wewnętrznej miała nominalną (szczytową) temperaturę

95/70 oC (zasilenie/powrót), wyjątkowo – w budynkach służby zdrowia – 90/70 oC. W latach

70. i 80. wytyczne projektowania instalacji ogrzewania (miały obowiązujący charakter)

ustalały parametry instalacji wewnętrznej 110/70 oC. a nawet 115/70 oC. Rysunek 2.12.

przedstawia typowe parametry sieci ciepłowniczej i instalacji ogrzewania przyjmowane w

przeszłości [69].

Rys. 2.12. Typowe parametry sieci ciepłowniczej i instalacji ogrzewania w zależności od temperatury

powietrza zewnętrznego, przyjmowane w przeszłości (3. Strefa klimatyczna w Polsce) [69]

Oznaczenia:

tns – aktualna (odpowiadająca danej temperaturze powietrza zewnętrznego) temperatura

zasilania wody sieciowej, oC,

tnr – aktualna temperatura powrotu wody sieciowej, oC,

tis – aktualna temperatura zasilania wody instalacyjnej, oC,

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

-30 -20 -10 0 10 20

tns [oC]

tnr [oC]

tis [oC]

tir [oC]

56

tir– aktualna temperatura powrotu wody instalacyjnej, oC.

Temperatura wody zasilającej i powrotnej odpowiadająca najniższej temperaturze

powietrza zewnętrznego nosi nazwę temperatury obliczeniowej (nominalnej). Tak zwany

„punkt załamania”(w dalszej części cudzysłów zostanie opuszczony) wykresu regulacyjnego

przypadał w temperaturze ok. 6 oC. Zważywszy na graniczną temperaturę sezonu grzewczego

(10 oC), okres poza punktem załamania wykresu obejmował dość wąski przedział czasu.

Temperatura wody powrotnej w obwodzie pierwotnym ogrzewania była na tyle wysoka, że

było uzasadnione wykorzystanie ciepła z przewodu powrotnego obwodu ogrzewania do

wstępnego podgrzania wody użytkowej. Nie była natomiast słuszna zasada przyjmowania

najmniej korzystnych warunków funkcjonowania dwustopniowego układu

przygotowania ciepłej wody w punkcie załamania wykresu regulacyjnego, przynajmniej

od czasu wprowadzenia urządzeń do regulacji temperatury wody zasilającej instalację

ogrzewania. Zasada ta była właściwa wtedy, gdy w węzłach cieplnych nie było urządzeń do

regulacji temperatury wody w instalacji wewnętrznej, czyli praktycznie wyłącznie w

przypadku węzłów hydroelewatorowych. Instalacja wewnętrzna, niewyposażona w zawory

termostatyczne, na zyski ciepła spowodowane przegrzaniem wody instalacyjnej i pochodzące

z innych źródeł (oświetlenie, obecność ludzi) „odpowiadała” podwyższeniem temperatury

wody powracającej z instalacji.

Model projektowania układów dwustopniowych ciepłej wody, powielany w

podręcznikach i wytycznych projektowania węzłów [3, 6], przetrwał aż do dnia dzisiejszego.

Jak widać z rys. 2.10., newralgiczne warunki projektowania dwustopniowego podgrzewania

wody użytkowej występują na początku i końcu sezonu grzewczego, przy najwyższej

temperaturze powietrza zewnętrznego. Przy braku zaworów termostatycznych w

mieszkaniach (lata 80. XX w.) temperatura wody sieciowej wracającej z sekcji ogrzewania

wynosiła ok. 40 oC, co pozwalało na podgrzanie wody użytkowej do ok. 30 oC. Schemat

dwustopniowego przygotowania ciepłej wody pokazano na rys. 2.13.

57

Rys. 2.13. Dwustopniowy układ przygotowania ciepłej wody, HEX – wymiennik ciepła

Woda sieciowa wracająca z obwodu ogrzewania, zmieszana z wodą wracającą z

wymiennika 2. stopnia ciepłej wody, zasila wymiennik 1. stopnia. Tradycyjnie przyjmowano

podział mocy wymienników 1. i 2. stopnia jako 50/50%. We współczesnych systemach

ciepłowniczych w Polsce i w innych krajach Europy Centralnej od kilkunastu lat panuje

tendencja do obniżania nominalnej (obliczeniowej) temperatury systemów ciepłowniczych i

instalacji wewnętrznych. W Polsce przeważają parametry sieci 120/60 oC, w niektórych

miastach są wyższe - 130/70 oC, w niektórych niższe - 110/60 oC, 105/60 oC. Temperatura

pomieszczeń ogrzewanych obecnie wynosi 20 oC, powszechnie przyjmowane parametry

instalacji wewnętrznej ogrzewania to 70/50 oC lub niższe. Sezon grzewczy obejmuje zakres

temperatury powietrza zewnętrznego poniżej 12÷15 oC. Rys. 2.14. ilustruje współczesny

wykres regulacyjny w Polsce [69].

58

Rys. 2.14. Typowy współczesny wykres regulacyjny sieci i instalacji w Polsce (3. strefa klimatyczna) [69]

Można zauważyć w stosunku do poprzedniego wykresu znaczne poszerzenie obszaru

poza (na prawo) punktem załamania wykresu regulacyjnego (ok. 1 oC), zwłaszcza w

odniesieniu do czasu trwania tego okresu. Praktycznie w ok. 60÷70% sezonu grzewczego

występuje stała temperatura wody zasilającej, tym samym w węźle cieplnym ma miejsce

regulacja ilościowa. Występowanie tego zjawiska wymaga przystosowania zespołów

pompowych w źródłach ciepła do współpracy z systemem ciepłowniczym o regulacji

ilościowej. Zagadnienie będzie omówione w kolejnych rozdziałach książki. Jak można

zauważyć na wykresie, temperatura wody powrotnej z obwodu pierwotnego ogrzewania

wynosi ok. 32 oC. Jest to temperatura określona przy założeniu braku zaworów

termostatycznych przy grzejnikach w pomieszczeniach. Nawet przy braku zaworów

termostatycznych rzeczywista temperatura wody powracającej do sieci jest niższa, gdyż przy

regulacji ilościowej powrotna temperatura wody sieciowej zbliża się do temperatury wody

powracającej z instalacji wewnętrznej. Zatem, minimalna temperatura wody sieciowej

powracającej z sekcji ogrzewania wynosi ok. 27 oC. Wykorzystanie wody o takiej

temperaturze do podgrzewania wody użytkowej jest problematyczne. Wyposażenie instalacji

wewnętrznej w zawory termostatyczne przy grzejnikach wprowadza element ilościowy do

regulacji w obwodzie wtórnym ogrzewania. W wyniku działania zaworów termostatycznych,

np. przy występowaniu wewnętrznych i zewnętrznych zysków ciepła, zmniejsza się strumień

masy i temperatura powrotna wody płynącej przez grzejnik. Okres o najwyższej temperaturze

powietrza zewnętrznego charakteryzują dość wysokie zyski ciepła, zatem w newralgicznym

punkcie projektowania dwustopniowego układu cieplej wody temperatura wody wracającej z

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

-30 -20 -10 0 10 20

tns [oC]

tnr [oC]

tis [oC]

tir [oC]

59

sekcji pierwotnej ogrzewania może być jeszcze niższa niż wynikająca z wykresu

regulacyjnego. W tabeli 2.1. pokazano wyniki symulacji [33, 67] działania instalacji

wyposażonej w zawory termostatyczne przy przyjęciu powierzchni ogrzewalnej grzejników o

10% wyższej niż odpowiadająca zapotrzebowaniu na moc cieplną.

Tabela 2.1. Wyniki symulacji [33, 67] działania instalacji wyposażonej w zawory

termostatyczne przy przyjęciu powierzchni ogrzewalnej grzejników o 10% wyższej

niż odpowiadająca zapotrzebowaniu na moc cieplną

te [oC] tis [

oC] tir [oC]

1 46.8 25.0 2 45.6 24.2 3 44.4 23.3 4 43.2 22.5 5 42.0 21.7 6 40.8 21.0 7 39.5 20.5 8 38.3 20.2 9 37.0 20.0

10 35.7 20.0 11 34.4 20.0 12 33.0 20.0

Temperatura wody powracającej z instalacji przy najwyższej temperaturze powietrza

zewnętrznego wynosi 20 oC. Temperatura powrotnej wody sieciowej będzie zbliżona do

temperatury wody instalacyjnej. W instalacji ogrzewania mogą wystąpić warunki praktycznie

uniemożliwiaj ące funkcjonowanie wymiennika 1. stopnia. Woda wracająca z sekcji

ogrzewania będzie pogarszać warunki funkcjonowania wymiennika 1. stopnia przez

obniżenie temperatury wody wracającej z wymiennika 2. stopnia. Obniżeniu temperatury

wody powracającej z obwodu ogrzewania towarzyszy zmniejszenie strumienia objętości, co

znacznie obniża możliwy do wykorzystania potencjał cieplny wody powrotnej z obwodu

ogrzewania. Autor nie widzi uzasadnienia [19, 20, 21, 22, 23, 36, 37] stosowania we

współczesnych systemach ciepłowniczych dwustopniowych węzłów przygotowania ciepłej

wody, mimo że takie rozwiązania pojawiają się w wytycznych projektowania węzłów

cieplnych, nie tylko w Polsce [6]. Jednostopniowy węzeł przygotowania ciepłej wody,

zaprojektowany zgodnie ze współczesnymi standardami projektowania, charakteryzuje się

mniejszym strumieniem masy wody sieciowej i niższą temperaturą wody powracającej do

sieci niż dwustopniowy węzeł projektowany według poprzednio stosowanych zasad [20, 21,

22].

60

3. BILANS CIEPLNY W ĘZŁA CIEPLNEGO

Bilans cieplny węzła jest początkowym, ale najważniejszym etapem projektowania

węzła cieplnego. Błędy popełnione przy opracowaniu bilansu „przenoszą się” na dobór

elementów węzła i mogą prowadzić do nieprawidłowych stanów eksploatacyjnych, np.

wskutek doboru zaworów regulacji temperatury o niewłaściwych parametrach statycznych

(charakterystyce statycznej).

3.1. Bilans ciepła do celów ogrzewania

W krajach europejskich instalację ogrzewania budynków projektuje się zgodnie z normą

EN 12831: Heating systems in buildings. Method for calculation of the design heat load.

Polska edycja tej normy: PN-EN 12831: Systemy ogrzewania w budynkach. Metoda obliczeń

projektowego obciążenia cieplnego [44] jest stosowana w projektowaniu od 1stycznia 2009 r.

Procedura obliczeń projektowego obciążenia cieplnego pomieszczeń (budynku)

obejmuje następujących 6 składowych wymiany ciepła między budynkiem i otoczeniem:

a. wymiana ciepła bezpośrednio przez obudowę zewnętrzną,

b. wymiana ciepła bezpośrednio przez pomieszczenia nieogrzewane,

c. wymiana ciepła do gruntu,

d. wymiana ciepła między pomieszczeniami o innej temperaturze (składowa nie jest

uwzględniona w całości budynku),

e. ciepło do ogrzania powietrza wentylacyjnego (przy wentylacji naturalnej lub

mechanicznej),

f. dodatek do skompensowania wpływu okresowego osłabienia ogrzewania.

Wewnętrzne i zewnętrzne zyski ciepła nie są brane pod uwagę przy wyznaczeniu

projektowego obciążenia cieplnego. We współczesnych budynkach wielorodzinnych zyski

wewnętrzne wynoszą 4÷5 W/m2 w odniesieniu powierzchni użytkowej. Jest to, przy obecnych

standardach ochrony cieplnej budynków, ok. 20% wartości projektowego obciążenia

cieplnego. W budynkach użyteczności publicznej zyski ciepła są większe i wynoszą

5÷10 W/m2 powierzchni użytkowej. Dodatkowy strumień ciepła do skompensowania

osłabienia ogrzewania jest przyjmowany przez projektantów w przedziale 9÷36 W/m2 w

odniesieniu do powierzchni ogrzewanej, co łącznie ze składową zysków ciepła prowadzi do

wstępnego przewymiarowania powierzchni grzejników w ogrzewanych pomieszczeniach o co

najmniej 25-40%. W nowoczesnych budynkach szczelność okien nie pozwala zwykle na

uzyskanie strumienia powietrza wentylacyjnego, który jest przyjmowany jako miarodajny do

61

obliczenia projektowego obciążenia cieplnego (krotność wymiany powietrza w pokojach

0.5 h-1, w kuchniach i łazienkach z oknami 1.5 h-1) [44]. Z tego powodu do obliczeń bilansu

węzła cieplnego nie zaleca się przyjmowania współczynnika zwiększającego moc cieplną.

Moc węzła cieplnego do celów ogrzewania proponuje się przyjmować jako projektowe

obciążenie cieplne budynku. Dość często występuje w Polsce zjawisko korekty zamówionej

mocy cieplnej po jednym lub kilku początkowych sezonach grzewczych w wyniku wstępnego

przewymiarowania instalacji ogrzewania. Zatem:

hlsh Φ=Φ (3.1)

gdzie:

Φsh – moc cieplna wymiennika do celów ogrzewania, kW,

Φhl – projektowe obciążenie cieplne budynku, kW.

3.2. Bilans ciepła do celów przygotowania ciepłej wody

Zapotrzebowanie na ciepłą wodę może być rozpatrywane w różnych przedziałach

czasu. Roczne zapotrzebowanie służy do celów bilansowych i rozliczeń, zapotrzebowanie

dobowe jest użytecznym wskaźnikiem określającym standard wyposażenia w urządzenia

ciepłej wody. Dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę stanowi około 50% całkowitego

zapotrzebowania na wodę w gospodarstwach domowych [9,11,12]. Obecnie w Polsce zużycie

wody ogółem przez jednego mieszkańca wynosi od 60 do 150 dm3 na dobę, przeciętnie

100 dm3 [9]. Zużycie ciepłej wody do celów projektowania instalacji i węzłów cieplnych

może być przyjęte w przedziale 50÷60 dm3 na jednego mieszkańca [9, 11, 12]. W budynkach

użyteczności publicznej zużycie ciepłej wody najkorzystniej jest przyjmować na podstawie

badań obiektów o podobnym przeznaczeniu lub na podstawie zmierzonego zużycia wody

ogółem. Rozkład dobowy zapotrzebowania na ciepłą wodę może mieć różny charakter w

zależności od przeznaczenia budynku. Do celów projektowania wymiennika ciepła do

przygotowania ciepłej wody należy przyjąć okres krótszy niż doba. Im krótszy okres

obserwacji, tym większe zapotrzebowanie na ciepłą wodę. Na rys. 3.1. i 3.2 przedstawiono

rozkład zapotrzebowania na ciepłą wodę w typowym budynku wielorodzinnym w okresie 1

minuty i 20 minut [20, 27, 29]. Widać wyraźne „spłaszczenie” zapotrzebowania, ale

zachowany jest charakter nierównomierności zapotrzebowania. Okres dwudziestominutowy

może być przyjęty do obliczeń wymiennika ciepłej wody w układzie ze stabilizatorem

62

temperatury. Zdaniem autora zapotrzebowanie maksymalne godzinowe nie jest obecnie

miarodajne do obliczeń wymiennika do przygotowania ciepłej wody.

Rys.3.1. Typowy rozkład zapotrzebowania na ciepłą wodę w budynku mieszkalnym wielorodzinnym w

okresie 1 minuty, maksimum zapotrzebowania: 1.37 kg/s [22, 27, 29]

Rys.3.2. Typowy rozkład zapotrzebowania na ciepłą wodę w budynku mieszkalnym wielorodzinnym w

okresie20 minut, maksimum zapotrzebowania: 0.32 kg/s [22, 27, 29]

Z wykresów wynika, że jednominutowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę jest około

czterokrotnie większe niż zapotrzebowanie 20 minutowe. Przy braku stabilizatora

temperatury ciepłej wody moc wymiennika ciepła byłaby również czterokrotnie większa.

Zastosowanie stabilizatora temperatury ciepłej wody pozwala zracjonalizować dobór

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.600

:00:

28

01:0

3:28

02:0

6:28

03:0

9:28

04:1

2:28

05:1

5:28

06:1

8:28

07:2

1:28

08:2

4:28

09:2

7:28

10:3

0:28

11:3

3:28

12:3

6:28

13:3

9:28

14:4

2:28

15:4

5:28

16:4

8:28

17:5

1:28

18:5

4:28

19:5

7:28

21:0

0:28

22:0

3:28

23:0

6:28

time

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

00:0

2:28

01:0

2:28

02:0

2:28

03:0

2:28

04:0

2:28

05:0

2:28

06:0

2:28

07:0

2:28

08:0

2:28

09:0

2:28

10:0

2:28

11:0

2:28

12:0

2:28

13:0

2:28

14:0

2:28

15:0

2:28

16:0

2:28

17:0

2:28

18:0

2:28

19:0

2:28

20:0

2:28

21:0

2:28

22:0

2:28

23:0

2:28

63

wymiennika ciepła. Dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę podzielone przez 24 daje w

wyniku zapotrzebowanie średnie godzinowe [22]:

24

mm

dh = (3.2)

gdzie:

md – dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę, kg/d,

mh – średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę, kg/h.

Według wytycznych Euroheat& Power [6] strumień objętości ciepłej wody, miarodajny

do doboru wymiennika ciepła, może być określony na podstawie liczby mieszkań, w

przedziale od wartości minimalnej do maksymalnej. Prezentuje to rys. 3.3. i tabela 3.1.

Rys. 3.3. Strumień objętości ciepłej wody miarodajny do doboru wymiennika ciepła – wykres oryg. [6]

64

Tabela 3.1. Strumień objętości ciepłej wody [l/s] miarodajny do doboru wymiennika ciepła w zależności od

liczby mieszkań – tabela oryg. [6]

Wartości strumienia ciepłej wody zalecane przez EH&P [6] nie są wartościami

maksymalnymi w instalacji ciepłej wody. W krajach Unii Europejskiej, w Polsce od 2005 r.,

w projektowaniu instalacji ciepłej wody obowiązuje norma EN-PN 806-3: Wymagania

dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody przeznaczonej do

spożycia przez ludzi. Część 2: Projektowanie. Część 3: Wymiarowanie przewodów - Metody

uproszczone (oryg.)[40, 41, 42]. Norma określa procedury obliczeń maksymalnego strumienia

ciepłej wody (także wody ogółem) i zasady uproszczonych obliczeń hydraulicznych

przewodów instalacji wodociągowej.

Przybory ciepłej wody mają przyporządkowaną wartość tzw. jednostki obciążenia LU

(loading unit). Autor, na podstawie [12, 28] zaleca w krajowych warunkach przyjmowanie

następujących wartości jednostek obciążenia:

• wanna, natrysk – 2 LU,

• zlewozmywak – 1.5 LU,

• umywalka, bidet – 1 LU.

W typowym mieszkaniu w budynku wielorodzinnym można przyjąć sumę jednostek

obciążenia instalacji ciepłej wody równą 4.5. Maksymalny strumień objętości ciepłej wody,

miarodajny do doboru średnic instalacji, jest obliczany w zależności od sumy jednostek

obciążenia i maksymalnej liczby jednostek obciążenia jednego przyboru. Przy LUmax=2 i

ΣLU≤300 maksymalny, obliczeniowy strumień objętości ciepłej wody można obliczyć z

wzoru [41, 42]:

( ) 415.0LU15.0q Σ⋅= (3.3)

65

jeżeli ΣLU>300 przy każdej wartości LUmaxz wzoru:

( ) 614.0LU0482.0q Σ⋅= (3.4)

gdzie:

q – obliczeniowy strumień objętości ciepłej wody, dm3/s,

ΣLU – suma jednostek obciążenia w instalacji.

Przy powyższych założeniach strumień objętości ciepłej wody przypadający na 1 mieszkanie

jest równy 0.28 dm3/s. Odpowiada mu chwilowa moc cieplna równa 58.6 kW (przy różnicy

temperatury wody 50 K).

W tabeli 3.2. porównano wartości strumienia objętości ciepłej wody zalecane przez

EH&P [6] oraz wartości otrzymane z wzoru (3.3) lub (3.4). Graficzną interpretację wyników

pokazano na rys. 3.4.

Tabela 3.2. Porównanie strumienia objętości ciepłej wody obliczonego

według różnych źródeł w zależności od liczby mieszkań [6, 28, 41]

q [dm3/s]

nf 1 2 3

1 0.28 0.36 0.20

5 0.55 0.60 0.25

10 0.73 0.73 0.31

20 0.97 0.91 0.40

30 1.15 1.05 0.48

40 1.29 1.18 0.55

50 1.42 1.29 0.61

80 1.79 1.58 0.78

100 2.05 1.76 0.89

120 2.29 1.92 0.99

150 2.63 2.15 1.14

180 2.94 2.37 1.28

200 3.14 2.51 1.38

250 3.60 2.84 1.60 1 – [EN 806], 2 – MAX [EH&P], 3 – MIN [EH&P],

nf - liczba mieszkań

66

Rys. 3.4. Porównanie strumienia objętości ciepłej wody obliczonego

według różnych źródeł w zależności od liczby mieszkań - interpretacja graficzna [6, 28, 41]

1 – [EN 806], 2 – MAX [EH&P], 3 – MIN [EH&P]

Można zauważyć, że najwyższe wartości strumienia objętości otrzymuje się na

podstawie EN 806. Wartości zalecane przez EH&P [6] są mniejsze. Oznacza to, ze w

wymienniku ciepła zaprojektowanym stosownie do przyjętej wartości strumienia objętości,

mniejszej niż określona z EN 806, wystąpi niedobór mocy cieplnej przy przepływie

obliczeniowym w instalacji. W celu zachowania standardu obsługi odbiorcy należy

zaprojektować wymiennik ciepła o mocy odpowiadającej największemu strumieniowi

objętości ciepłej wody, albo zastosować elementy tłumiące w postaci stabilizatora lub

zasobnika ciepła. Zgodnie z tendencjami przyjętymi w Polsce częściej stosuje się węzły

cieplne ciepłej wody ze stabilizatorem temperatury niż z zasobnikami ciepłej wody. Przy

doborze wymiennika ciepłej wody w warunkach strumienia objętości mniejszego niż

obliczeniowy strumień w instalacji należy sprawdzić stratę ciśnienia w warunkach

ekstremalnych. Średnica przewodów instalacji ciepłej wody musi być dobrana stosownie do

maksymalnego strumienia objętości, określonego według EN-PN 806-3 [41].

W przypadku budynków o innym przeznaczeniu niż mieszkalne trudno jest o

jednoznaczne wytyczne projektowania układów ciepłej wody. W budynkach użyteczności

publicznej autor zaleca przyjmowanie miarodajnego strumienia ciepłej wody do doboru

wymiennika ciepła jako 0.35÷0.50 strumienia obliczeniowego, określonego na podstawie

EN 806 [41], w przypadku zastosowania stabilizatora temperatury i 0.85÷0.90 wartości

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0 50 100 150 200 250 300

liczba mieszkań

q

[1]

[2]

[3]

67

strumienia obliczeniowego przy braku stabilizatora. W drugim wariancie wystąpią okresy

niedotrzymania temperatury ciepłej wody, ale będą one krótkotrwałe i statystycznie mało

istotne.

Moc cieplną wymiennika do przygotowania ciepłej wody określa się na podstawie

miarodajnego strumienia objętości:

( )cwhwpDHW ttcq −⋅ρ⋅⋅=Φ (3.5)

gdzie:

q – miarodajny strumień ciepłej wody (do doboru wymiennika ciepła), dm3/s,

ρ – gęstość ciepłej wody, kg/dm3,

thw – temperatura ciepłej wody, oC, zwykle przyjmowana jako 55÷60 oC,

tcw – temperatura wody zimnej, oC, przyjmowana jako 10 oC.

Moc zamówiona do przygotowania ciepłej wody w większości Przedsiębiorstw

Ciepłowniczych w Polsce jest przyjmowana jako moc średnia godzinowa. W celu jej

obliczenia do wzoru (3.8) należy podstawić średni godzinowy strumień objętości ciepłej

wody (w odpowiednich jednostkach).

W mieszkaniowych węzłach cieplnych moc wymienników ciepłej wody w

mieszkaniach i moc przyjęta w węźle głównym jest wyznaczana na podstawie wytycznych

producentów urządzeń. Typowa moc wymiennika mieszkaniowego jest przyjmowana jako

33÷36 kW. Moc przyjęta jako miarodajna w węźle głównym (w budynku) jest określana w

zależności od przyjętej jednocześnie liczby działających węzłów mieszkaniowych lub przy

przyjęciu sumy mocy wszystkich wymienników ciepłej wody ze współczynnikiem

jednoczesności. Rys. 3.5. pokazuje liczbę jednocześnie działających wymienników

mieszkaniowych w zależności od liczby wszystkich mieszkań [63a].

68

Rys. 3.5. Liczba jednocześnie działających wymienników mieszkaniowych w zależności od całkowitej liczby

mieszkań [63a]

Moc cieplną do przygotowania ciepłej wody w głównym węźle cieplnym określa się z wzoru:

.

1DHWDHW n Φ⋅=Φ (3.6)

gdzie:

ΦDHW1 – moc pojedynczego wymiennika ciepłej wody w mieszkaniu, kW,

n – liczba jednocześnie działających wymienników mieszkaniowych.

Na rys. 3.6. zilustrowano współczynnik jednoczesności zapotrzebowania na ciepłą wodę

według standardów skandynawskich i niemieckich [39] przyjmowany przy obliczeniu mocy

cieplnej węzła głównego, zasilającego węzły mieszkaniowe.

Rys. 3.6. Współczynnik jednoczesności zapotrzebowania na ciepłą wodę – wykres oryg. [39]

69

Moc cieplna do przygotowania ciepłej wody w głównym węźle cieplnym jest obliczana z

wzoru:

1DHWffDHW nc Φ⋅⋅=Φ (3.7)

gdzie:

ΦDHW1 – moc pojedynczego wymiennika ciepłej wody w mieszkaniu, kW,

nf – liczba mieszkań,

cf – współczynnik jednoczesności.

W tabeli 3.2. porównano wyniki obliczeń mocy cieplnej do przygotowania ciepłej wody

według [63a] i [39].

Tabela 3.2. Porównanie wyników obliczeń mocy cieplnej do przygotowania ciepłej wody według [63a] - 1 i [39] - 2. ΦDHW1 =36 kW

ΦDHW [kW] nf 1 2

1 36.00 36.00

5 72.00 79.20

10 108.00 108.00

20 144.00 122.40

30 162.00 135.00

40 176.40 158.40

50 187.20 165.60

80 216.00 204.48

100 234.00 237.60

120 259.20 267.84

Obydwie metody obliczeń prowadzą do podobnych wyników. Autor nie podejmuje

dyskusji na temat „wyższości” węzłów mieszkaniowych nad rozwiązaniem z węzłem

wspólnym. Dyskusja miałaby raczej charakter marketingowy, a nie merytoryczny. Decyzję o

zastosowaniu węzłów mieszkaniowych podejmuje inwestor lub Przedsiębiorstwo

Ciepłownicze.

3.3. Bilans ciepła do celów wentylacji

Bilans cieplny do pokrycia potrzeb wentylacji naturalnej w budynkach jest częścią

bilansu cieplnego do celów ogrzewania. W przypadku wentylacji mechanicznej lub

klimatyzacji odpowiedni projekt powinien zawierać kompletne dane dotyczące mocy cieplnej

w zespołach wentylacyjnych (klimatyzacyjnych), z określeniem jednoczesności działania i

wartości temperatury zasilania i powrotu w instalacji (parametrów instalacji). Projektant

70

węzła cieplnego nie może ponosić odpowiedzialności za brak precyzji lub za niewłaściwe

dane do projektu. Węzeł cieplny zaprojektowany na podstawie niewłaściwych danych nie

będzie działał prawidłowo, mogą wystąpić stany eksploatacyjne odbiegające od stanów

optymalnych. Maksymalna moc cieplna wymiennika w obwodzie wentylacji będzie zależała

nie tylko od rodzaju urządzeń do odzyskiwania ciepła, ale również od sposobu regulacji tych

urządzeń. Przyjęcie wymiennika do odzyskiwania ciepła wentylacyjnego o dużej sprawności

może oznaczać konieczność uruchomienia obejścia wymiennika przy niskiej temperaturze

powietrza zewnętrznego. Wówczas zakres mocy cieplnej (od 2% do 100%) nie pozwoli na

prawidłowe działanie wymiennika ciepła ogrzewającego powietrze wentylacyjne,

wymiennika w węźle cieplnym oraz zaworów regulacyjnych zamontowanych w

odpowiednich obwodach. Przy projektowaniu systemów wentylacji w budynkach

użyteczności publicznej centrale wentylacyjne są najczęściej umieszczane na dachach, w

otoczeniu powietrza zewnętrznego. Nośnikiem ciepła ogrzewającym powietrze może być

wówczas czynnik niezamarzający, np. roztwór wodny glikolu propylenowego lub etylowego.

Niektóre Przedsiębiorstwa Ciepłownicze nie wyrażają zgody na ogrzewanie roztworu glikolu

w wymienniku węzła cieplnego – należy wówczas zaprojektować wymiennik pośredni.

Projektant węzła cieplnego musi dysponować kompletnymi, prawidłowymi danymi. Jest to

trudne przy „rozproszeniu” procesu projektowania na różne firmy.

Moc cieplna wymiennika ciepła zasilającego nagrzewnice wstępne w systemach

wentylacyjnych jest przyjmowana jako suma mocy cieplnej jednocześnie działających

nagrzewnic wentylacyjnych. Moc nagrzewnicy wstępnej powietrza określa wzór:

( ) ( ) ( )ghehresda1ve 11hhm η−⋅η−⋅−⋅=Φ (3.8)

gdzie:

Φve1 moc cieplna nagrzewnicy wstępnej, kW,

mda – strumień masy powietrza suchego, kg/s,

hs – entalpia właściwa powietrza nawiewanego, kJ/kg,

he – entalpia właściwa powietrza zewnętrznego, kJ/kg,

ηhr –sprawność odzyskiwania ciepła odniesiona do entalpii,

ηghe –sprawność wymiennika gruntowego (odniesiona do entalpii powietrza nawiewanego).

W praktyce, przy niewielkiej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym można

zastosować wzór:

71

( ) ( ) ( )tghthrpes1ve 11cttV η−⋅η−⋅⋅−⋅=Φ (3.9)

gdzie:

V – strumień objętości powietrza, m3/s,

ts – temperatura powietrza nawiewanego, kJ/kg,

te – temperatura powietrza zewnętrznego, kJ/kg,

ηthr – temperaturowa sprawność odzyskiwania ciepła,

ηtghe – temperaturowa sprawność gruntowego wymiennika ciepła (odniesiona do temperatury

powietrza nawiewanego),

cp – ciepło właściwe powietrza (odniesione do objętości), kJ/(m3 K).

W nagrzewnicach wtórnych, stanowiących element wyposażenia układów

klimatyzacyjnych, moc do ogrzania powietrza oblicza się jako:

( )csda1ve hhm −⋅=Φ (3.10)

gdzie:

hs – entalpia właściwa powietrza nawiewanego, kJ/kg,

hc – entalpia właściwa powietrza przed nagrzewnicą wtórną (za chłodnicą powietrza), kJ/kg.

Wyżej opisane dane powinien zawierać projekt wentylacji i klimatyzacji.

3.4. Bilans ciepła do celów technologii

W miejskich systemach ciepłowniczych potrzeby technologiczne występują przy

ogrzewaniu basenów kąpielowych i ich kompleksów (aqua-parki). Podobnie jak w projekcie

wentylacji, zapotrzebowanie na moc cieplną do celów technologicznych powinno być

precyzyjnie określone w odpowiednim opracowaniu projektowym, w każdym obwodzie

podgrzewania wody. Brak precyzyjnych danych albo dane niewiarygodne mogą spowodować

niewłaściwe funkcjonowanie urządzeń technologicznych basenu kąpielowego.

Odpowiedzialność może być wówczas przeniesiona na autora projektu węzła cieplnego. Przy

braku danych w projekcie technologicznym basenu kąpielowego należy uzyskać odpowiednie

materiały od inwestora. Moc cieplna wymienników do podgrzewania wody w basenach

kąpielowych zależy od strat ciepła niecki basenu, strat ciepła w urządzeniach do uzdatniania

wody, stopnia uzupełniania wodą świeżą, szczegółów schematu ideowego basenu (np.

miejsca włączenia przewodu z wodą podgrzaną). Należy także wziąć pod uwagę moc cieplną

72

potrzebną do ogrzania wody przy napełnianiu basenu. Przy zastosowaniu urządzeń do

odzyskiwania ciepła z wody basenowej należy ustalić temperaturę początkową i końcową

wody i odpowiednie strumienie masy w układach odzyskiwania ciepła. Moc cieplna

potrzebna do podgrzania strumienia masy wody jest równa:

( )12pt ttcm −⋅⋅=Φ (3.11)

gdzie:

Φt – moc cieplna do podgrzania wody basenowej, kW,

t1 – początkowa temperatura wody, oC,

t2 – końcowa temperatura wody, oC.

cp – ciepło właściwe wody w zakresie temperatury t1-t2, kJ/(kg K),

Może być zastosowany jeden, wspólny wymiennik do napełniania basenu, podgrzania

wody cyrkulacyjnej i wody uzupełniającej albo odrębne wymienniki. Przy określeniu mocy

zamówionej do rozliczeń za dostawę ciepła należy założyć właściwą jednoczesność potrzeb

technologicznych z innymi potrzebami (ogrzewanie, wentylacja, przygotowanie ciepłej

wody). Wymienniki ogrzewające wodę basenową są zwykle integralną częścią instalacji

technologicznej basenu kąpielowego. Wymienniki ciepła w węźle cieplnym są wymiennikami

pośrednimi: ogrzewają wodę o odpowiedniej temperaturze, która z kolei ogrzewa wodę

basenową. Parametry wody w obwodzie wtórnym należy ustalić na podstawie danych

zamieszczonych w projekcie technologicznym basenu kąpielowego.

73

4. STRUMIEŃ MASY NOŚNIKA CIEPŁA W OBWODACH W ĘZŁA CIEPLNEGO

Moc cieplna wyznaczona w bilansie ciepła jest punktem wyjścia do obliczenia

strumienia masy (objętości) nośnika ciepła po stronie pierwotnej i wtórnej w każdym z

obwodów węzła cieplnego. Strumień masy nośnika ciepła będzie elementem determinującym

parametry hydrauliczne odwodów: średnicę przewodów i stratę ciśnienia.

4.1. Strumień masy nośnika ciepła w pierwotnym i wtórnym obwodzie ogrzewania

Strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym ogrzewania opisuje wzór:

( )nronsop

shnh

ttcm

−⋅Φ= (4.1)

gdzie:

mnh – strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym ogrzewania, kg/s,

Φsh – moc cieplna do celów ogrzewania, kW,

tnso – nominalna (obliczeniowa) temperatura wody zasilającej w sieci ciepłowniczej, oC,

tnro – nominalna (obliczeniowa) temperatura wody powrotnej w sieci ciepłowniczej, oC,

cp – ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury tnso÷tnro, kJ/(kg K).

W przypadku rzeczywistej temperatury wody powrotnej odbiegającej od temperatury

nominalnej (np. przy doborze wymienników z nadmiarem powierzchni ogrzewalnej) należy

do wzoru (4.1) podstawić rzeczywistą temperaturę wody powrotnej. Parametry nominalne

sieci ciepłowniczej określa Przedsiębiorstwo Ciepłownicze w umowie przyłączeniowej i w

umowie o dostawę ciepła.

Strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wtórnym ogrzewania wyznacza się na

podstawie przyjętej w projekcie instalacji wartości temperatury wody zasilającej i powrotnej:

( )iroisop

shih

ttcm

−⋅Φ= (4.2)

gdzie:

mih – strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wtórnym ogrzewania, kg/s,

tiso – nominalna (obliczeniowa) temperatura wody zasilającej w instalacji, oC,

tiro – nominalna (obliczeniowa) temperatura wody powrotnej w instalacji, oC,

cp – ciepło właściwe wody instalacyjnej w przedziale temperatury tiso÷tiro, kJ/(kg K).

74

4.2. Strumień masy nośnika ciepła w pierwotnym i wtórnym w obwodzie przygotowania

ciepłej wody

W jednostopniowych węzłach przygotowania ciepłej wody newralgiczne warunki do

projektowania wymiennika występują przy najniższej temperaturze wody zasilającej w sieci

ciepłowniczej, czyli w tzw. punkcie załamania wykresu regulacyjnego i na prawo od punktu

załamania – w kierunku wyższej temperatury powietrza zewnętrznego (patrz rys. 2.12).W

zależności od krajowych regulacji minimalna temperatura wody zasilającej w systemach

ciepłowniczych dostarczających ciepło do przygotowania ciepłej wody wynosi 65-70 oC.

Temperatura wody sieciowej powracającej z wymiennika ciepłej wody jest najczęściej

przyjmowana w przedziale 25÷35 oC. Im niższa temperatura wody powrotnej, tym mniejszy

strumień masy nośnika ciepła, ale tym większa powierzchnia wymiany ciepła wymiennika.

Przy doborze wymiennika ciepłej wody należy pamiętać, że dobór nie przypada w warunkach

ekstremalnych. Strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym ciepłej wody określa

wzór (4.3).

( )nrbnsbp

DHWnDHW

ttcm

−⋅Φ= (4.3)

gdzie:

mnDHW – strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym ciepłej wody, kg/s,

ΦDHW – moc cieplna przyjęta do doboru wymiennika ciepłej wody, kW,

tnsb – minimalna temperatura zasilania wody sieciowej, oC,

tnrb – obliczeniowa temperatura wody powrotnej sieciowej, oC,

cp – ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury tnsb÷tnrb, kJ/(kg K).

Strumień masy w obwodzie wtórnym przyjęty do doboru wymiennika może być

określony według wytycznych EH&P [6]. Strumień maksymalny, wynikający z liczby

punktów poboru jest większy. Zatem, do wymiarowania hydraulicznego obwodu wtórnego

ciepłej wody i do określenia straty ciśnienia przy przepływie przez wymiennik powinien być

przyjęty strumień maksymalny q, obliczony zgodnie z EN 806 [41]. Strumień masy wody

cyrkulacyjnej powinien być przyjęty na podstawie projektu instalacji ciepłej wody. Przy

braku danych do obliczeń węzła cieplnego można przyjąć orientacyjnie strumień objętości

wody cyrkulacyjnej równy (0.08÷0.12)q - chwilowego strumienia objętości ciepłej wody [20,

22].

75

4.3. Strumień masy nośnika ciepła w pierwotnym i wtórnym w obwodzie wentylacji

Zapotrzebowanie na moc cieplną do wentylacji (nagrzewnice wstępne w centralach

wentylacyjnych) jest zależne od temperatury powietrza zewnętrznego, również w przypadku

zastosowania urządzeń do odzyskiwania ciepła. Ekstremalne warunki projektowania

wymienników do celów wentylacji występują, podobnie jak w przypadku układów

ogrzewania, przy najniższej temperaturze powietrza zewnętrznego, tzw. temperaturze

obliczeniowej. W przypadku zastosowania roztworu glikolu (lub innych płynów

niezamarzających) w układach nagrzewnic wentylacyjnych większość Przedsiębiorstw

Ciepłowniczych wymaga zastosowania wymiennika pośredniego. Wówczas częścią węzła

cieplnego jest wymiennik pośredni, przygotowujący wodę, kierowaną dalej do wymiennika

woda-glikol. Ten ostatni nie jest elementem węzła cieplnego, jest fragmentem instalacji ciepła

do nagrzewnic wentylacyjnych. Strumień masy wody sieciowej w obwodzie pierwotnym jest

ustalany na podstawie wymaganej mocy cieplnej i parametrów nominalnych

(obliczeniowych) sieci ciepłowniczej:

( )nronsop

1ve1nve

ttcm

−⋅Φ= (4.4)

gdzie:

mnve1 – strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym wentylacji, kg/s,

ΦDHW – moc cieplna do celów wentylacji (nagrzewnice wstępne), kW,

tnso – nominalna (obliczeniowa) temperatura wody zasilającej w sieci ciepłowniczej, oC,

tnro – nominalna (obliczeniowa) temperatura wody powrotnej w sieci ciepłowniczej, oC,

cp – ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury tnso÷tnro, kJ/(kg K).

Strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wtórnym wentylacji (nagrzewnice wstępne)

określa wzór:

( )irvisvp

1ve1ive

ttcm

−⋅Φ= (4.5)

gdzie:

mih – strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wtórnym wentylacji, kg/s,

tisv – nominalna (obliczeniowa) temperatura zasilania nośnika ciepła w obwodzie wtórnym, oC,

tirv – nominalna (obliczeniowa) temperatura powrotu nośnika ciepła w obwodzie wtórnym, oC,

76

cp – ciepło właściwe nośnika ciepła (woda lub inne ciecze) w przedziale temperatury tisv÷tirv,

kJ/(kg K).

Nagrzewnice wtórne w układach klimatyzacji działają jako wymienniki ciepła

podgrzewające powietrze po schłodzeniu w chłodnicy, gdzie następuje wykroplenie wilgoci.

Nagrzewnice wtórne działają w lecie. Do obliczeń wymienników ciepła zasilających

nagrzewnice wtórne należy przyjąć minimalną temperaturę wody zasilającej w sieci

ciepłowniczej, podobnie jak w układach przygotowania ciepłej wody. Strumień masy nośnika

ciepła w obwodzie pierwotnym oblicza się z wzoru:

( )nrbnsbp

2ve2nve

ttcm

−⋅Φ= (4.6)

gdzie:

mnve2 – strumień masy w obwodzie pierwotnym wymiennika zasilającego nagrzewnice

wtórne, kg/s,

ΦDHW – moc cieplna wymiennika zasilającego nagrzewnice wtórne, kW,

tnsb – minimalna temperatura wody sieciowej, oC,

tnrb – założona temperatura wody powracającej do sieci, najczęściej 20÷35 oC.

cp – ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury tnsb÷tnrb, kJ/(kg K).

Strumień masy nośnika ciepła po stronie wtórnej:

( )iroisop

2ve2ive

ttcm

−⋅Φ= (4.7)

gdzie:

mive2 – strumień masy w obwodzie wtórnym wymiennika zasilającego nagrzewnice wtórne,

kg/s,

tiso – nominalna temperatura zasilania obwodu nagrzewnic wtórnych, oC,

tiro – nominalna temperatura powrotu w obwodzie nagrzewnic wtórnych, oC,

cp – ciepło właściwe nośnika ciepła w przedziale temperatury tiso÷tiro, kJ/(kg K).

Nośnikiem ciepła po stronie wtórnej obwodu może być woda lub ciecz niezamarzająca, jeżeli

centrale klimatyzacyjne są zamontowane w otoczeniu powietrza zewnętrznego.

77

4.4. Strumień masy nośnika ciepła w pierwotnym i wtórnym w obwodzie technologii

Zapotrzebowanie na moc cieplną do celów technologicznych może być zależne lub

niezależne od warunków klimatu zewnętrznego. Na podstawie charakterystyki instalacji

technologicznej należy ustalić najmniej korzystne parametry wody sieciowej. W przypadku

basenów kąpielowych zapotrzebowanie na moc cieplną do celów technologii zmienia się w

niewielkim stopniu wraz z temperaturą powietrza zewnętrznego, stąd jako najmniej korzystną

do doboru wymienników wody basenowej należy przyjąć minimalną temperaturę wody

zasilającej w sieci ciepłowniczej. Strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym

technologii wyznacza się z wzoru:

( )nrminnsp

tnt

ttcm

−⋅Φ= (4.8)

gdzie:

mnt – strumień masy w obwodzie pierwotnym technologii, kg/s,

Φt – moc cieplna wymiennika do celów technologii, kW,

tnsmin – minimalna temperatura wody sieciowej, oC,

tnr – założona temperatura wody powracającej do sieci, zależna od parametrów instalacji

technologicznej, oC,

cp – ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury tnsmin÷tnr, kJ/(kg K).

Strumień masy i parametry nośnika ciepła po stronie wtórnej układów

technologicznych powinny być określone w projekcie technologii.

4.5. Strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wspólnym (przyłączeniowym)

Obwody pierwotne węzła cieplnego są połączone równolegle. Część instalacji węzła

cieplnego przed pierwszym rozgałęzieniem nosi nazwę obwodu wspólnego lub

przyłączeniowego. W tej części węzła (patrz schematy ideowe w rozdziale 2.) jest

umieszczony główny ciepłomierz i zawór regulacji różnicy ciśnienia (+ ograniczenia

przepływu). Uwzględnienie jednoczesności występowania maksimum wszystkich potrzeb

cieplnych w sezonie grzewczym (ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody i

technologii) prowadzi do wyznaczenia strumienia masy nośnika ciepła w obwodzie

przyłączeniowym jako sumy algebraicznej strumieni masy w każdym obwodzie:

nt1nvenDHWnhnw mmmmm +++= (4.9)

78

gdzie:

mnw – całkowity strumień masy w obwodzie przyłączeniowym węzła cieplnego w sezonie

grzewczym, kg/s,

pozostałe oznaczenia jak w powyższych wzorach.

Strumień masy w obwodzie przyłączeniowym węzła cieplnego w lecie jest sumą strumieni w

obwodach (nie wszystkie muszą występować): przygotowania ciepłej wody, układu

nagrzewnic wtórnych powietrza wentylacyjnego i technologii. Wyraża się wzorem:

nt2nvenDHWns mmmm ++= (4.10)

gdzie:

mns – całkowity strumień masy w obwodzie przyłączeniowym węzła cieplnego w lecie, kg/s,

pozostałe oznaczenia jak w powyższych wzorach.

Zapotrzebowanie na ciepłą wodę ma nieregularny charakter (patrz rys. 3.1. i 3.2.). W

czasie doby będą występowały okresy o mniejszym lub większym zapotrzebowaniu na ciepłą

wodę niż założona wielkość zapotrzebowania do doboru wymiennika ciepła. Maksymalne

potrzeby ciepłej wody mają charakter krótkotrwały. Przy zastosowaniu stabilizatora

temperatury ciepłej wody (zasada działania zostanie wyjaśniona w rozdziale 6.) można

usankcjonować okresowe występowanie niedoboru temperatury ciepłej wody wypływającej z

wymiennika ciepła. Priorytet ciepłej wody polega na okresowym ograniczeniu strumienia

masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym ogrzewania przy maksymalnym, większym niż

średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę. Okresowe osłabienie ogrzewania nie

powoduje znaczącego obniżenia temperatury w ogrzewanych pomieszczeniach w budynkach

o współczesnym standardzie ochrony cieplnej. Priorytet ciepłej wody może być zrealizowany

przez stopniowe zamykanie zaworu regulacji temperatury w obwodzie ogrzewania, jeżeli

temperatura ciepłej wody jest niższa niż wymagana. Taka funkcja znajduje się w ustawieniach

obiegu ogrzewania regulatorów pogodowych Danfoss ECL Comfort 210, 310 "Menu -

Ustawienia - Optymalizacja", pod nazwą "Praca równoległa ID11043".Inną możliwością

wprowadzenia funkcji priorytetu ciepłej wody jest funkcja o nazwie "Priorytet CWU (praca z

zamkniętym zaworem/działanie normalne)" ID11052, ID12052 w ustawieniach obiegu

ogrzewania regulatorów pogodowych Danfoss ECL Comfort 210, 310 "Menu - Nastawy -

79

Aplikacja". Włączenie tej funkcji powoduje całkowite zamknięcie zaworu w obiegu

ogrzewania (wyłączenie ogrzewania), gdy aktywny jest podgrzew/ładowanie c.w..

Zawory regulacyjne w obwodach regulacji temperatury mają charakterystykę

wykładniczą (stałoprocentową) lub łączoną (split) – liniową, o dwu kątach nachylenia. Na rys.

4.1. zilustrowano wypadkową przebieg charakterystyki wymiennika ciepła (obwodu węzła

cieplnego) i zaworu regulacyjnego przy różnych wartościach autorytetu zaworu. W tabeli 4.1.

podano przykładową bezwymiarową charakterystykę zaworu regulacji w układzie: skok-

strumień objętości przy stałej różnicy ciśnienia przed i za zaworem w połączeniu z

bezwymiarową charakterystyką płytowego wymiennika ciepła (patrz rozdział 1.) w układzie:

strumień objętości w obwodzie pierwotnym-strumień ciepła.

Rys. 4.1. Charakterystyka przepływowa wymiennika ciepła (przepływ-moc) i zaworu regulacyjnego (stopień otwarcia-przepływ) (Bennyson)

Tabela 4.1. Bezwymiarowa charakterystyka zaworu regulacyjnego

i wymiennika ciepła [20]

Skok [%] Strumień objętości [%] Strumień ciepła [%]

0 0 20 10 12 32 20 18 35 30 20 40 40 24 47 50 28 50 60 30 56 70 34 63 80 40 75 90 50 80 95 70 94 100 100 100

80

W optymalnym modelu regulacji położenie zaworu regulacyjnego powinno być

proporcjonalne do mocy cieplnej wymiennika ciepła. Przy występującym często

przewymiarowaniu zaworów konieczne jest zapewnienie właściwego zakresu regulacji, co

najmniej 1:50. Autorytet zaworu powinien być tym większy, im charakterystyka zaworu jest

bliższa liniowej. Zagadnienia doboru zaworu regulacyjnego do obwodu węzła cieplnego

zostały szczegółowo omówione w rozdziale 7.

Newralgicznym punktem działania funkcji priorytetu ciepłej wody jest punkt załamania

wykresu regulacyjnego. Przy parametrach instalacji wewnętrznej 70/50 oC i parametrach sieci

120/60 oC, temperatura wody w instalacji ogrzewania w tym punkcie wynosi odpowiednio

39/34oC. Przy ograniczeniu strumienia ciepła w wymienniku do 50% wartości wymaganej

(odpowiada to stopniowi otwarcia zaworu 30% przy charakterystyce „split”), temperatura

wody za wymiennikiem wyniesie 37.5 oC (50% przedziału temperatury przy pełnym

przepływie w obwodzie wtórnym). Woda o obniżonej temperaturze dopłynie do grzejnika, w

wyniku czego schłodzi się do temperatury 32 oC, w wymienniku ciepła podgrzeje do 34.5 oC,

po kolejnym cyklu przepływu przez instalację temperatura zasilania osiągnie wartość 33.5 oC,

itd. [33, 67]. Stan taki będzie trwał aż do zakończenia okresu wzmożonego poboru ciepłej

wody. Temperatura w pomieszczeniach ogrzewanych w budynku będzie maleć, dążąc do

granicznej temperatury „wyrównania”, zgodnie z aktualnym bilansem cieplnym

pomieszczenia. Przy założeniu początkowego obniżenia temperatury zasilania o ok. 2.5 K,

temperatura w pomieszczeniu o stałej czasowej rzędu 30-120 godzin (stała czasowa

współczesnych budynków wielorodzinnych) nawet w czasie kilku godzin nie ulegnie zmianie

w sposób odczuwalny. Poza tym, w pomieszczeniach występują zyski ciepła, nie brane pod

uwagę przy obliczeniu projektowego obciążenia cieplnego pomieszczenia i przy doborze

grzejników, co jeszcze dodatkowo osłabia skutki niedoboru temperatury wody zasilającej

grzejniki w instalacji ogrzewania. Okres maksymalnego zapotrzebowania na ciepłą wodę

pokrywa się często z okresem programowego osłabienia ogrzewania (po godz. 2200), a więc

obniżenia temperatury wody zasilającej grzejniki. Funkcja priorytetu ciepłej wody pozwala

na przyjęcie, jako składowej bilansu do mocy zamówionej, średniej godzinowej mocy do

przygotowania ciepłej wody i ograniczenie sumarycznego strumienia masy nośnika ciepła

w węźle cieplnym.

Łączny strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym przyłączeniowym węzła

cieplnego wyniesie:

nt1nvenDHWnhnw mmmmxm +++⋅= (4.11)

81

gdzie:

x – współczynnik redukcji strumienia masy w obwodzie pierwotnym ogrzewania (Tabela

4.1.),

inne oznaczenia jak w powyższych wzorach.

Strumień masy obliczony z wzoru (4.11) nie może być mniejszy niż

( )α+⋅= 1mm nhnw (4.12)

gdzie:

α – stosunek średniej godzinowej mocy cieplnej do przygotowania ciepłej wody do mocy do

ogrzewania, równy:

sh

DHWh

ΦΦ=α (4.13)

gdzie:

ΦDHWh – średnia godzinowa moc cieplna do przygotowania ciepłej wody, kW,

Φsh – moc cieplna do celów ogrzewania, kW.

Jeżeli wartość otrzymana z wzoru (4.12) jest większa niż otrzymana z wzoru (4.11),

należy skorygować ograniczenie otwarcia zaworu w obwodzie sieciowym ogrzewania do

wartości odczytanej z tabeli 4.1., odpowiadającej bezwymiarowemu strumieniowi objętości

(masy) [20, 65]. Prezentuje to poniższy przykład.

Przykład:

moc cieplna do ogrzewania Φsh = 120 kW,

średnia godzinowa moc cieplna do przygotowania ciepłej wody ΦDHWh =8.46 kW,

strumień masy w obwodzie pierwotnym ogrzewania mnh= 0.570 kg/s

strumień masy w obwodzie pierwotnym ciepłej wody mnDHW= 0.266 kg/s,

założono x = 0.3,

wartość obliczona z wzoru (4.11): mnw= 0.437 kg/s,

wartość obliczona z wzoru (4.12): mnw= 0.610 kg/s,

Zatem:

skorygowany strumień masy mnh= 0.610 – 0.266 =0.344 kg/s,

skorygowany współczynnik redukcji strumienia masy x = 0.60

82

skorygowany maksymalny skok zaworu (Tabela 4.1) = 0.95

Priorytet ciepłej wody może być przyjęty jedynie w odniesieniu do potrzeb ogrzewania.

Potrzeby technologiczne i wentylacyjne, pozbawione elementów pojemnościowych,

wymagają utrzymania żądanej wartości temperatury nośnika ciepła i jej obniżenie nie

może być rozpatrywane.

Strumień masy nośnika ciepła w obwodzie przyłączeniowym węzła jednofunkcyjnego

do ogrzewania jest równy strumieniowi w obwodzie ogrzewania.

W dużych systemach ciepłowniczych przesuniecie transportowe w węzłach mieszania

sieci ciepłowniczej, wynikające z czasu przepływu wody w przewodach, powoduje

spłaszczenie zapotrzebowania na moc cieplną do przygotowania ciepłej wody w źródle ciepła

do wartości średniej godzinowej.

83

5. DOBÓR ŚREDNICY PRZEWODÓW. OBLICZENIE STRAT CI ŚNIENIA W

PRZEWODACH

5.1. Charakter przepływu cieczy

W technice występują dwa przypadki przepływu płynu): laminarny (uwarstwiony) i

turbulentny (burzliwy) [7, 8]. Brak w terminologii polskiej symetrii, albowiem częściej używa

się łacińskiej nazwy „laminarny” niż polskiego odpowiednika „uwarstwiony” (warstwowy),

natomiast pojęcie „burzliwy” jest używane częściej niż „turbulentny”. W ruchu laminarnym

cząsteczki cieczy poruszają się w kierunku równoległym do osi przewodu. Rozkład prędkości

ma charakter paraboliczny, w sąsiedztwie ścianki prędkość jest równa 0, w osi przewodu

przyjmuje największą wartość. Ze względu na brak ruchu cieczy przy ściance przewodu nie

ma znaczenia oddziaływanie nierówności ścianki wewnętrznej na ruch cieczy. Rys. 5.1.

przedstawia profil prędkości przy laminarnym ruchu cieczy.

Rys. 5.1. Laminarny przepływ cieczy [57]

Przyczyną straty ciśnienia przy przepływie cieczy w ruchu laminarnym jest wzajemne

tarcie cząsteczek o siebie, czyli naprężenia styczne. Zdolność przekazywania naprężeń

stycznych w płynie nazywa się lepkością, płyn który ma tę właściwość – płynem

niutonowskim. Woda w stanie ciekłym jest płynem niutonowskim. Lepkość cieczy, jako

właściwość fizyczna, jest opisywana dwoma współczynnikami: współczynnikiem lepkości

dynamicznej µ [Pa s] lub współczynnikiem lepkości kinematycznej ν [m2/s].

Rys. 5.2. Turbulentny przepływ cieczy [58]

84

Zależność współczynnika lepkości kinematycznej wody od temperatury, podobnie jak inne

właściwości, jest wyznaczana w oparciu o procedury numeryczne [13].

Rys. 5.2. przedstawia typowy przekrój cieczy w ruchu turbulentnym [58]. Cząsteczki

cieczy nie poruszają się równolegle do osi podłużnej przewodu, przemieszczenie wzdłuż osi

przewodu jest złożeniem ruchu w wielu kierunkach. Kierunki te można rozłożyć na składowe

równoległe i prostopadłe do osi przewodów. Przy ruchu turbulentnym występuje kontakt

cząsteczek płynu ze ścianką przewodu, tym samym oddziaływanie jej chropowatości na

poziom energii kinetycznej cząsteczek. Przyczyną straty ciśnienia przy przepływie burzliwym

jest więc zarówno wzajemne tarcie cząsteczek płynu o siebie, jak i tarcie płynu o

powierzchnię rurociągu. W zagadnieniach mechaniki płynów sformułowano szereg modeli

turbulencji (Kołmogorowa, k-ε) [7, 8]. Strata ciśnienia i energii w ruchu burzliwym jest

większa niż w ruchu laminarnym.

Charakter ruchu cieczy jest opisany przez liczbę Reynoldsa (1.21). Przy przepływie

cieczy wewnątrz przewodu o przekroju kołowym wymiarem charakterystycznym jest średnica

wewnętrzna przewodu. Liczba Reynoldsa jest równa:

ν⋅= dv

Re (5.1)

gdzie:

v – prędkość przepływu cieczy, m/s,

d – średnica wewnętrzna przewodu, m, patrz podrozdział 5.2,

ν – współczynnik lepkości kinematycznej cieczy, m2/s.

Graniczną wartością liczby Reynoldsa, oddzielającą ruch laminarny i burzliwy w

przewodach ciśnieniowych jest 2300. Poniżej tej wartości ruch cieczy jest laminarny, powyżej

– przejściowy (do wartości 10000) i dalej – turbulentny. Obszar przepływu przy liczbie

Reynoldsa w przedziale 2300÷4000 charakteryzuje się dużą niestabilnością. Większości

badaczy (Nikuradse, Reynolds, Colebrook) [7, 8] nie udało się zbadać eksperymentalnie tego

obszaru. Teoretycznie istnieje możliwość utrzymania ruchu laminarnego powyżej liczby

Reynoldsa równej 2300, ale w technice jest to mało prawdopodobne. Wartość graniczna

liczby Reynoldsa przy przepływie cieczy w wymiennikach ciepła może być mniejsza.

Uzyskuje się to przez zastosowanie elementów zaburzających przepływ cieczy.

85

5.2. Kryteria doboru średnicy przewodu

Wymiary średnicy wewnętrznej przewodów rurowych (okrągłych) regulują następujące normy:

• PN-EN 10216 -2 Rury stalowe bez szwu do zastosowań ciśnieniowych. Warunki techniczne dostawy [51],

• PN-EN 10216 – 7 Rury stalowe bez szwu ze stali nierdzewnej. Warunki techniczne dostawy [52],

• PN-EN 1057 Miedź i stopy miedzi – Rury miedziane okrągłe bez szwu do wody i gazu stosowane w instalacjach sanitarnych i ogrzewania [53].

Normy te określają również wymagania materiałowe. W istniejących systemach

ciepłowniczych – sieciach i węzłach cieplnych mogą być stosowane rury o średnicach

zgodnych z poprzednio obowiązującymi normami. Średnice wewnętrzne niektórych rur mogą

się istotnie różnić od wymiarów zgodnych z EN. W węzłach ciepłowniczych rury z tworzyw

sztucznych (PE, PEX, PB, PP) nie mają zastosowania. W obwodach pierwotnych

(sieciowych) oraz w obwodach wtórnych ogrzewania i wentylacji stosuje się rury stalowe

czarne (ze stali węglowej). W tabeli 5.1. podano charakterystyczne wymiary (średnicę

zewnętrzną, średnicę wewnętrzną oraz grubość ścianki) rur stalowych czarnych, zgodnych z

EN 10216 -1[51]. W typowych zastosowaniach przyjmuje się grubość ścianki rury, jak

podano w tablicy. Przy niebezpieczeństwie korozji można przyjąć rury o większej grubości

ścianki.

Tabela 5.1. Typowe wymiary rur stalowych czarnych

(ze stali węglowej) [51]

DN de di t 15 21.5 16.9 2.3 20 26.9 21.7 2.6 25 33.7 28.5 2.6 32 42.4 37.2 2.6 40 48.3 43.1 2.6 50 60.3 54.5 2.9 65 76.1 70.3 2.9 80 88.9 82.5 3.2 100 114.3 107.1 3.6 125 139.7 132.5 3.6 150 168.3 160.3 4.0 200 219.1 210.1 4.5 250 273.0 263.0 5.0

DN – średnica nominalna, mm, de- średnica zewnętrzna, mm,

di- średnica wewnętrzna, mm, t- grubość ścianki

86

W obwodach wtórnych przygotowania ciepłej wody mogą być stosowane rury

miedziane lub ze stali nierdzewnej. Tabel 5.2. podaje ich charakterystyczne wymiary.

Tabela 5.2. Typowe wymiary rur ze stali nierdzewnej

i miedzianych [52, 53]

de di t 15 13.0 1.0 22 20.0 1.0 28 25.6 1.2 35 32.0 1.5 42 39.0 1.5 54 50.0 2.0 76 72.0 2.0 89 85.0 2.0 100 95.0 2.5 133 127.0 3.0 159 153.0 3.0 219 213.0 3.0 267 261.0 3.0

Średnica nominalna jest używana wyłącznie w odniesieniu do przewodów ze stali

węglowej, a także przy oznaczeniu elementów armatury oraz połączeń gwintowanych i

kołnierzowych. Dziś, w odniesieniu do przewodów, ma znaczenie historyczne (kiedyś była to

średnica wewnętrzna przewodu).

Podstawowe równanie przy przepływie cieczy nosi nazwę równania ciągłości i wyraża

równość strumienia masy na początku i końcu odcinka przewodu. Odcinek o stałej średnicy i

stałym strumieniu masy w złożonych układach hydraulicznych nosi nazwę odcinka

obliczeniowego. Węzeł cieplny będzie się składał z szeregu odcinków obliczeniowych

połączonych równolegle bądź szeregowo (obwody ogrzewania, wentylacji, ciepłej wody,

przyłączeniowy).

idemVAvm =⋅ρ=⋅⋅ρ= (5.2)

gdzie:

m – strumień masy cieczy, kg/s,

v – prędkość przepływu cieczy, m/s,

V – strumień objętości cieczy, m3/s,

ρ – gęstość cieczy, kg/m3, w odpowiednim przedziale temperatury (określona numerycznie),

A – przekrój poprzeczny przewodu, w przypadku rur okrągłych o średnicy wewnętrznej d

równy

87

4

dA

2π= (5.3)

W przypadku stałej gęstości (można przyjąć takie założenie przy przepływie cieczy),

strumień objętości jest również stały w danym odcinku przewodu.

Kryterium wstępnym doboru średnicy przewodu jest w węzłach cieplnych najczęściej

prędkość przepływu cieczy. W szeregu krajów przyjmuje się prędkość graniczną 1 m/s przy

przepływie w rurach ze stali węglowej i stali nierdzewnej i 0.5 m/s (wyjątkowo 0.7 m/s) w

rurach miedzianych (ze względu na możliwość erozji ścianki). Przy granicznej prędkości

przepływu można określić maksymalny strumień objętości wody w przewodzie o danej

średnicy. Przedstawia to Tabela 5.3. Podobnie można określić graniczny strumień objętości w

przewodach ze stali nierdzewnej (wmax=1 m/s) i miedzi (wmax=0.5 m/s).

Tabela 5.3. Maksymalny strumień objętości wody w

przewodach o danej średnicy (ze stali węglowej)

DN [mm]

di [mm] Vmax[m

3/h] v [m/s]

20 21.7 1.331 1.00

25 28.5 2.297 1.00

32 37.2 3.913 1.00

40 43.1 5.252 1.00

50 54.5 8.398 1.00

65 70.3 13.973 1.00

80 82.5 19.244 1.00

100 107.1 32.432 1.00

125 132.5 49.639 1.00

150 160.3 72.654 1.00

200 210.1 124.809 1.00

250 263.0 195.571 1.00

Kryterium ostatecznym przy wymiarowaniu układów hydraulicznych jest dopuszczalna

strata ciśnienia w przewodach. Jeżeli to kryterium nie jest spełnione, należy zwiększyć

średnice przewodów. Zagadnienia obliczania straty ciśnienia w węźle cieplnym omówiono w

kolejnych rozdziałach.

5.3. Liniowa strata ciśnienia

Strata ciśnienia przy przepływie cieczy w przewodzie prostym (bez zakłóceń i armatury)

nosi nazwę liniowej straty ciśnienia. Strata ciśnienia w miejscach o zakłóconym przepływie

oraz w elementach armatury nosi nazwę straty miejscowej. Liniową stratę ciśnienia wyraża

równanie Darcy-Weisbacha [20. 25]

88

l2

v

dp

2

il ⋅ρ⋅Λ=∆ (5.4)

gdzie:

∆pl – liniowa strata ciśnienia, Pa,

v – prędkość przepływu cieczy, m/s,

ρ – gęstość cieczy, kg/m3, w odpowiednim przedziale temperatury,

di – średnica wewnętrzna przewodu, m,

l – długość przewodu, m,

Λ – współczynnik oporów liniowych (współczynnik tarcia) zależny od charakteru ruchu

cieczy (ruch laminarny lub burzliwy) wyznaczany z następujących wzorów:

• w ruchu laminarnym (Hagen-Poisseuille)

Re

64=Λ (5.5)

gdzie:

Re – liczba Reynoldsa.

• w ruchu burzliwym (Colebrook-White – formuła rekurencyjna [20, 25])

2

i

1n

n71.3dk

Re

51.2log2

−

−

+Λ

−=Λ (5.6)

gdzie:

k – chropowatość bezwzględna ścianki wewnętrznej przewodu, m,

di – średnica wewnętrzna przewodu , m.

wartość ułamka id

k – jest nazywana chropowatością względną i oznaczana przez ε.

Indeks “n”, “n-1” – oznacza numer kolejny iteracji. Formuła rekurencyjna charakteryzuje się

dużą zbieżnością. Trzecie, czwarte przybliżenie może być przyjęte jako wartość końcowa.

Formuła jest ponadto stabilna, przyjęcie wartości początkowej znacznie różniącej się od

wyniku iteracji zwiększa zbieżność. Zbieżność procedury przedstawia tabela 5.4.

Tabela 5.4. Zbieżność procedury iteracyjnej współczynnika oporów liniowych (przykład) [25]

Λ0 Λ1 Λ2 Λ3 Λ4 Λ5

0.0007494 0.0368856 0.0318051 0.0318787 0.0318775 0.0318775

Λo – dowolna wartość (wejściowa).

89

Procedura jest bardzo prosta, nawet w arkuszu kalkulacyjnym. Dlatego nie ma obecnie

uzasadnienia do korzystania z nomogramów i wzorów przybliżających wzór Colebrooka-

White’a (nieuwikłanych).

W przypadku rur gładkich (np. ze stali nierdzewnej w początkowym okresie

eksploatacji) współczynnik oporów liniowych zależy wyłącznie od liczby Reynoldsa i jest

równy (w formie rekurencyjnej):

2

1n

n

Re

51.2log2

−

−

Λ−=Λ (5.7)

w formie łańcuchowej:

2

2

...Re

51.2log2Re

51.2log2

−

−

−

−=Λ (5.8)

Formuła jest szybko zbieżna Przy przepływie cieczy z dużą prędkością maleje znaczenie

chropowatości ścianki przewodu – strefa ruchu jest nazywana „kwadratową” ze względu na

zależność straty ciśnienia w prostej proporcji od drugiej potęgi prędkości przepływu.

Chropowatość ścianki przewodów jest szeroko podana w literaturze [7, 8]. Można

zaproponować następujące wartości chropowatości ścianki przewodów z różnych materiałów:

(Tabela 5.5).

Tabela 5.5. Proponowane wartości chropowatości

bezwzględniej ścianki przewodu [20, 25]

materiał k [mm]

stal węglowa, nowe przewody 0.15÷0.20

stal węglowa, stare przewody 0.50÷0.70

stal nierdzewna 0.05÷0.10

miedź 0.05÷0.10

Liniowa strata ciśnienia w ruchu laminarnym jest wprost proporcjonalna do prędkości

przepływu w pierwszej potędze i odwrotnie proporcjonalna do średnicy przewodu w drugiej

potędze.

ld

v32p

2i

l ⋅⋅ν⋅ρ=∆ (5.9)

90

Oznaczenia jak w powyższych wzorach.

Jeżeli prędkość przepływu wyrazimy w funkcji strumienia masy (wzór 5.2),otrzymamy

zależność, z której wynika, że przy danym strumieniu masy cieczy w ruchu laminarnym

liniowa strata ciśnienia nie zależy od gęstości cieczy:

ld

m96p

4i

l ⋅π

⋅ν=∆ (5.10)

Jeżeli przekształcimy wzór (5.4) w ruchu burzliwym otrzymamy zależność

ld

m8p

5i

2

2

l ⋅⋅ρπ

Λ=∆ (5.11)

Z wzorów (5.10) i (5.11) wynika duża wrażliwość liniowej straty ciśnienia na wartość

średnicy wewnętrznej rurociągu. Większość zagadnień projektowania sprowadza się do

wyznaczenia średnicy przewodu przy danym strumieniu masy. Można zauważyć, że w ruchu

laminarnym liniowa strata ciśnienia jest odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi

średnicy wewnętrznej, w ruch burzliwym – do potęgi piątej (przy zaniedbaniu wpływu

współczynnika oporów liniowych).

Przy projektowaniu systemów ciepłowniczych użytecznym parametrem jest

jednostkowy spadek ciśnienia (jednostkowa liniowa strata ciśnienia) w rurociągu (oznaczenia

jak w powyższych wzorach):

l

pR

l∆= (5.12)

Ma on jednak większe znaczenie przy projektowaniu sieci ciepłowniczych, w węzłach

cieplnych – mniejsze.

5.4. Miejscowa strata ciśnienia

Miejscowa strata ciśnienia występuje w miejscach o zakłóconym przepływie:

załamaniach trasy, trójnikach, zwężeniach i rozszerzeniach przekroju, elementach armatury i

wyposażenia. Strata ciśnienia w elementach zakłócających jest wynikiem powstania wtórnych

91

przepływów w otoczeniu elementów zaburzających. Miejscowa strata ciśnienia w odcinku

obliczeniowym przewodu jest obliczana z wzoru: [7]

2

vKp

2

locρ⋅Σ=∆ (5.13)

gdzie:

∆ploc – miejscowa strata ciśnienia, Pa,

v – prędkość przepływu cieczy, m/s,

ρ – gęstość cieczy, kg/m3, w odpowiednim przedziale temperatury,

ΣK – suma współczynników oporów miejscowych w odcinku obliczeniowym.

Wartości współczynników oporów miejscowych podane w literaturze są różne. Niektóre

z nich są zależne od średnicy rurociągów. Autor w odniesieniu do węzłów cieplnych

proponuje przyjęcie wartości zamieszczonych w tabeli 5.6.

Tabela 5.6. Proponowane wartości współczynnika oporów

miejscowych w węzłach cieplnych w zakresie średnicy

dn 25÷250 mm[20]

Element K Zawór kulowy 1.3

Łuk o małym promieniu, kolano 90o 0.5

Łuk R/DN>4 90o 0.0 Trójnik przelot, zasilanie 0.5 Trójnik odgałęzienie, zasilanie 1.0 Trójnik przelot, zasilanie 0.5 Trójnik odgałęzienie, powrót 1.5 Nagłe rozszerzenie przekroju 0.5 Nagłe zwężenie przekroju 0.5

W przypadku innych elementów, takich jak filtry, przepływomierze i zawory

regulacyjne, stratę miejscową ciśnienia określa się na podstawie wartości współczynnika

przepływu Kv. Symbol Kvs lub Kv100 oznacza współczynnik przepływu przy pełnym otwarciu

(zaworu lub innego elementu regulacyjnego). Urządzenia regulacyjne mogą mieć różne

wartości współczynnika przepływu przy różnych nastawach (np. grzejnikowe zawory

termostatyczne, zawory regulacji przepływu). Strata ciśnienia w urządzeniu o znanym

współczynniku przepływu jest równa [20, 25]

92

2

vloc

V

K

1000p

ρ=∆ (5.14)

gdzie:

∆ploc – miejscowa strata ciśnienia, bar,

ρ – gęstość cieczy, kg/m3,

Kv (Kvs) – współczynnik przepływu, m3/h,

V – strumień objętości cieczy, m3/h.

W literaturze przedmiotu [6, 70] występują wzory niezawierające czynnika ρ/1000,

przyjmujące domyślnie gęstość cieczy równą 1000 kg/m3. Przy temperaturze wody 120 oC

popełniony błąd wynosi w przybliżeniu 11%. Zdaniem autora jest to błąd zbyt duży. Wartości

współczynnika przepływu są podane w katalogach producentów urządzeń.

Przy projektowaniu węzłów kompaktowych (o zwartej budowie) do obliczeń

hydraulicznych można przyjąć „typowe” długości przewodów w poszczególnych obwodach.

Przy węzłach projektowanych indywidualnie, zwłaszcza przy dużej rozległości instalacji,

należy określić rzeczywistą długość przewodów.

5.5. Materiał przewodów, jakość wody

Zgodnie z zaleceniami Euroheat&Power [6] w obwodach węzła cieplnego są zalecane

do stosowania następujące materiały i rodzaj połączeń:

Tabela 5.7. Materiały przewodów węzłów cieplnych i rodzaj połączeń – zalecenia EH&P [6]

obwód pierwotny obwód wtórny ciepłej wody obwód wtórny ogrzewania

średnica DN20 i

mniejsze wszystkie Do DN50 wszystkie Do DN50

DN65 i

większe

materiał

brąz, żeliwo,

stal węglowa,

stal

nierdzewna

brąz, żeliwo,

stal węglowa,

stal

nierdzewna

brąz, stal

nierdzewna

brąz, stal

nierdzewna

brąz, żeliwo,

stal węglowa,

stal

nierdzewna

żeliwo, stal

węglowa, stal

nierdzewna

połączenia

spawane,

kołnierzowe,

gwintowane

spawane,

kołnierzowe

spawane,

kołnierzowe,

gwintowane

spawane,

kołnierzowe

spawane,

kołnierzowe,

gwintowane

spawane,

kołnierzowe

93

W Polsce i w krajach Unii Europejskiej są najczęściej stosowane rozwiązania:

o Stal węglowa w obwodach pierwotnych (połączenia spawane lub kołnierzowe),

o Stal węglowa w obwodach wtórnych ogrzewania i wentylacji (połączenia gwintowane

lub kołnierzowe),

o Stal nierdzewna lub miedź (rzadziej brąz) w obwodach wtórnych ciepłej wody

(połączenia spawane, lutowane lub gwintowane).

Materiał przewodów powinien spełniać wymagania norm:

• PN-EN 10216 -2 Rury stalowe bez szwu do zastosowań ciśnieniowych. Warunki techniczne dostawy [51],

• PN-EN 10216 - 7Rury stalowe bez szwu ze stali nierdzewnej. Warunki techniczne dostawy [52],

• PN-EN 1057 Miedź i stopy miedzi – Rury miedziane okrągłe bez szwu do wody i gazu stosowane w instalacjach sanitarnych i ogrzewania [53].

W zasadzie nie ma przeciwwskazań do stosowania rur ze szwem w obwodach węzłów

cieplnych. Rury ze szwem mają dopuszczalne ciśnienie 25 bar, a więc wystarczające

praktycznie we wszystkich systemach ciepłowniczych w Polsce. Rury bez szwu są droższe

niż rury ze szwem. W poprzednich latach w obwodzie wtórnym przygotowania ciepłej wody

stosowano rury stalowe ocynkowane. Obecnie tego rodzaju rozwiązania są stosowane

wyjątkowo, np. przy modernizacji istniejących węzłów. Stal ocynkowana stosowana była

powszechnie również do budowy wewnętrznych instalacji ciepłej wody, występujących

jeszcze w wielu budynkach w Polsce. Ten materiał instalacji wyklucza zastosowanie

przewodów miedzianych w węźle cieplnym. Obecnie większość instalacji ciepłej wody w

nowych budynkach jest wykonywana z tworzywa sztucznego (PE, PEX, PP). Tworzywa

sztucznego nie stosuje się jednak w obrębie obwodów węzła cieplnego.

Zawory odcinające w obwodach pierwotnych mogą mieć połączenia kołnierzowe lub

spawane (nierozłączne). Ze względu na dużą trwałość i niezawodność współczesnych

zaworów kulowych, preferowane jest połączenie spawane, jako tańsze od kołnierzowego.

Filtry, przepływomierze, zawory regulacyjne i inne urządzenia mogą mieć połączenia

kołnierzowe lub gwintowane. Większość Przedsiębiorstw Ciepłowniczych preferuje

połączenia kołnierzowe po stronie pierwotnej. W obwodach wtórnych nie ma przeszkód do

stosowania połączeń gwintowanych o odpowiedniej wytrzymałości i typie uszczelnienia

94

dostosowanym do warunków pracy (temperatury i ciśnienia), zwłaszcza przy elementach

armatury wykonanych z brązu.

W większości systemów ciepłowniczych w Polsce woda sieciowa ma odpowiednią

jakość pod względem fizycznym i chemicznym. Przeważnie jest to woda krążąca w obiegach

ciepłowni, a więc spełniająca także wymagania jak dla wody kotłowej. W obiegach

elektrociepłowni woda sieciowa jest podgrzewania w wymiennikach ciepłowniczych –

stanowi odrębny obwód. Napełnianie obwodów wtórnych ogrzewania i wentylacji odbywa się

w większości węzłów cieplnych z sieci ciepłowniczej, zatem jakość wody w tych obwodach

będzie identyczna jak w obwodach pierwotnych. Powszechnie przyjęty system zamkniętego

systemu zabezpieczenia instalacji zapobiega zmianie wskaźników fizycznych i chemicznych

jakości wody w instalacji wewnętrznej ogrzewania i ogrzewania powietrza do celów

wentylacji. Wymagania jakościowe, jakie powinna spełniać woda sieciowa według EH&P

zawarto w tabeli 5.8. [6].

Tabela 5.8. Wymagania jakościowe, jakie powinna spełniać woda sieciowa - tabela oryginalna [6]

Woda ciepła do celów użytkowych jest uzdatniana jako woda zimna w zakładach

dostarczających wodę do miast. Wskaźniki fizyczne i chemiczne wody wodociągowej mogą

być wyższe niż dopuszczalne w odniesieniu do wody w sieci ciepłowniczej. Woda

wodociągowa może nieść zagrożenie korozyjne, głównie ze względu na zawartość tlenu i

dwutlenku węgla. Materiałem preferowanym do obwodów ciepłej wody jest zatem stal

nierdzewna. Przy zastosowaniu miedzi do wykonania obwodu wtórnego i instalacji

wewnętrznej ciepłej wody sprawdzić zawartość chlorków i odczyn pH.

95

6. DOBÓR ELEMENTÓW W ĘZŁA CIEPLNEGO

Ten rozdział podaje zasady doboru elementów węzła cieplnego. Elementy

automatycznej regulacji będą przedmiotem następnego rozdziału. Procedury doboru

elementów węzła cieplnego są w wielu krajach zbliżone. Różne zasady doboru elementów

mogą wystąpić w przypadku systemów zabezpieczenia przed wzrostem ciśnienia, gdyż zależą

one od krajowych przepisów (np. przepisów Dozoru Technicznego w Polsce) [54].

6.1. Dobór wymiennika ciepła

Wymiennik ciepła dobiera się stosownie do parametrów (temperatury zasilania i

powrotu) w obwodzie pierwotnym i wtórnym węzła cieplnego. Parametry sieci w sezonie

grzewczym i w okresie lata podaje w warunkach przyłączenia do sieci, umowie

przyłączeniowej i umowie o dostawę ciepła Przedsiębiorstwo Ciepłownicze. Parametry

obwodów instalacyjnych ustala projektant instalacji wewnętrznej. Przy wyprzedzającym

projektowaniu węzła cieplnego (przed projektem instalacji), co ma często miejsce w

Polsce, należy parametry instalacyjne ustalić z zamawiającym lub ze współpracującą

firmą projektową. Szczególne ważne jest ustalenie parametrów instalacyjnych w

obwodach wentylacji (mogą być zastosowane wymienniki pośrednie). Parametry ciepłej

wody w Polsce są typowe, wynikają z obowiązujących przepisach prawa. Temperatura

wody zimnej dopływającej do wymiennika ciepła przyjmowana jest najczęściej jako

10 oC. Ważnym parametrem przy doborze wymiennika ciepła jest strata ciśnienia w

obwodzie sieciowym i instalacyjnym. Zalecane wartości zostaną podane przy omówieniu

zasad doboru wymiennika ciepła do różnych celów. Programy doboru wymienników [64,

70] sugerują odpowiednie wartości maksymalnej straty ciśnienia. Przy doborze

wymiennika ciepłej wody należy jako miarodajną przyjąć stratę ciśnienia w obwodzie

wtórnym przy największym strumieniu (strumieniu obliczeniowym) ciepłej wody. Będzie

to szczegółowo wyjaśnione.

6.1.1. Dobór wymiennika ciepła w obwodzie ogrzewania, wentylacji i technologii

W rozdziale 1. omówiono różne modele obliczeniowe wymienników ciepła. W

przypadku projektu nowego węzła cieplnego (doboru wymiennika w warunkach

projektowych) w sekcji ogrzewania, wentylacji i technologii procedura sprowadza się do

modelu 1. pokazanego na rys. 1.13. ilustruje to rys. 6.1. Wielkości wejściowe to: moc cieplna

96

wymiennika ciepła Φ, nominalna (obliczeniowa) temperatura zasilania i powrotu wody w

obwodzie pierwotnym (t11 i t12), nominalna (obliczeniowa) temperatura zasilania i powrotu

wody w obwodzie wtórnym (t21 i t22). Strumień masy (m1i m2) w każdym z obwodów jest

wielkością wynikową. Należy założyć maksymalną stratę ciśnienia po stronie pierwotnej i

wtórnej (∆p1i∆p2). Wynik doboru to: typ wymiennika i liczba płyt (powierzchnia wymiany

ciepła).

Rys. 6.1. Parametry doboru wymiennika ciepła w obwodzie ogrzewania, wentylacji i technologii,

A – powierzchnia wymiennika, inne oznaczenia w tekście

Zalecana maksymalna strata ciśnienia to 20 kPa [6]. Przyjęcie większej wartości straty

ciśnienia w obwodzie wtórnym ogrzewania i zasilania nagrzewnic wentylacyjnych może

spowodować trudności w doborze pompy obiegowej o typowych parametrach (pompy in-line

z mokrym wirnikiem). Współczesne instalacje ogrzewania i ogrzewania powietrza

wentylacyjnego są wyposażone w urządzenia regulacji różnicy ciśnienia lub przepływu. Są to

elementy o dość znacznej stracie ciśnienia. Strata ciśnienia w instalacji ogrzewania to obecnie

30±80 kPa, w zależności od rozległości i wyposażenia instalacji, w instalacji wentylacyjnej:

40±120 kPa.

Na rys. 6.2. pokazano widok fragmentu ekranu programu Hexact [64]. Po lewej stronie

pokazano dane wejściowe, po prawej wynik doboru wybranego wymiennika ciepła. Przy

doborze wymiennika ciepła należy oznaczyć opcję „Dobór”. Na rys. 6.3. pokazano szkic

wymiarowy wymiennika ciepła. Wyniki doboru można zachować w formacie Excel,

dogodnym do wykorzystania jako źródło danych do programu obliczeń węzła cieplnego [65].

t12 t21

m1 m2 Znane Założone Obliczone

Φsh(v) , t11, t12, t21, t22 ∆p1, ∆p2 A, m1, m2

Φsh(v)

A

t11 t22

97

Rys. 6.2. Dobór wymiennika ciepła w sekcji ogrzewania [64]

98

Program umożliwia określenie minimalnego nadmiaru (w programie „zapasu”) powierzchni

wymiennika. Dobrane wymienniki (lista) mogą mieć różne wartości nadmiaru powierzchni

wymiany ciepła. Należy zwrócić na to uwagę, gdyż wymiennik dobrany z dużym nadmiarem

powierzchni będzie droższy, a jakość regulacji temperatury – niższa niż przy „dokładnym”

doborze wymiennika. Przy zachowaniu czystości powierzchni nie ma powodu do

przyjmowania nadmiernego marginesu pola powierzchni wymiany ciepła.

Wymiary zewnętrzne:

A (mm): 466 B (mm): 256

C (mm): 380 D (mm): 170

E (mm): 64 F (mm): 50

Rys. 6.2. Szkic wymiarowy dobranego wymiennika ciepła XB51 [64]

6.1.2. Dobór wymiennika ciepła w obwodzie przygotowania ciepłej wody

Jak opisano w rozdziale 3., wymiennik ciepła do przygotowania ciepłej wody jest

dobierany przy mniejszej wielkości zapotrzebowania niż wielkość szczytowa „q”, określona

zgodnie z normą PN-EN 806 [41]. Dobór wymiennika ciepła składa się z dwóch etapów -

doboru w umownych warunkach i sprawdzenia w warunkach maksymalnego strumienia

objętości ciepłej wody. Drugi krok jest niezbędny do wyznaczenia rzeczywistej straty

ciśnienia przy maksymalnym przepływie ciepłej wody. Wartość ta nie powinna przekroczyć

35 kPa. Symulacja w warunkach szczytowych może także dać informację o rzeczywistej

temperaturze ciepłej wody za wymiennikiem ciepła. Parametry doboru wymiennika to moc

cieplna do przygotowania ciepłej wody i wartości temperatury wody sieciowej, najczęściej

przyjmowane jako 70/30 oC lub 70/35 oC. Jest dobierany typ wymiennika ciepła, liczba płyt

oraz są wyznaczane wartości strumienia masy w obwodzie pierwotnym i wtórnym. W

zależności od rozbieżności mocy cieplnej miarodajnej do doboru wymiennika ciepła i mocy

99

pokrywającej szczytowe zapotrzebowanie należy przyjąć ograniczenie straty ciśnienia w

warunkach doboru wymiennika.

Rys. 6.4. Parametry doboru wymiennika ciepłej wody- krok 1.

Rys. 6.5. Parametry sprawdzenia wymiennika ciepłej wody w warunkach ekstremalnych - krok 2.

Aby zapewnić akceptowalną wartość straty ciśnienia przy przepływie chwilowym,

wartość ograniczająca przy przepływie ciepłej wody przyjętym do doboru wymiennika (patrz

rozdział 2.) ∆p2 nie powinna przekraczać 7÷8 kPa. Parametry doboru wymiennika i

sprawdzenia działania w warunkach szczytowych podano na rys. 6.4. i 6.5. Najkorzystniejszą

charakterystykę do układów ciepłej wody ma wymiennik typu 37L. Rys. 6.6. przedstawia

dane i wyniki doboru wymiennika ciepła w układach przygotowania ciepłej wody.

t12 t21

m1 m2

Znane Założone Obliczone

ΦDHW, t11, t12, t21, t22 ∆p1, ∆p2 A, m1, m2

ΦDHW

A

t11 t22

t12 t21

m1 m2

Znane Obliczone Sprawdzone

t11, t21, m1, m2=q, A, t12, t22, ΦDHW ∆p2

ΦDHW

A

t11 t22

100

Rys. 6.6. Dobór wymiennika ciepła w układzie przygotowania ciepłej wody [64]

Rys. 6.7. prezentuje krok 2. – sprawdzenie działania wymiennika ciepłej wody w

ekstremalnych warunkach zapotrzebowania na ciepłą wodę. Należy przyjąć opcję

„Symulacja” oraz „Oblicz temperatury powrotu obu stron”. Program Hexact (wersja 2.1.2)

101

przepisuje typ wymiennika i liczbę płyt do symulacji, ale nie przepisuje typu kanałów. Należy

skorygować to „ręcznie”. Program nie przepisuje również warunków początkowych, np.

strumienia masy nośnika ciepła (zamazuje) i ciepłej wody. Przepisywane są wartości

temperatury początkowej czynników w obwodach. Strumień wody sieciowej należy wpisać

„ręcznie”, podobnie strumień masy wody instalacyjnej (odpowiadający chwilowemu

strumieniowi objętości ciepłej wody „q”). Pewną niedogodnością są jednostki strumienia

masy, [kg/h], podczas gdy w większości programów strumień masy wyraża się w [kg/s]. Na

rysunku 6.7. podkreślono istotne wartości parametrów. Do przygotowania ciepłej wody są

przede wszystkim zalecane wymienniki:

a. Lutowane XB37, szczególnie 37L, ze względu na bardzo małą stratę ciśnienia,

b. Skręcane XGM032, wykonane w nowej technologii MicroPlate™, również

generujące małą stratę ciśnienia przy przepływie ciepłej wody.

Rys. 6.7. Sprawdzenie wymiennika ciepła w układzie przygotowania ciepłej wody [64]

102

Rys. 6.7. cz. 2. Sprawdzenie wymiennika ciepła w układzie przygotowania ciepłej wody [64]

Strata ciśnienia przy przepływie ciepłej wody w warunkach szczytowego zapotrzebowania

wynosi 33.1 kPa – jest to wartość akceptowalna.

6.2. Obliczenie strat ciśnienia i dobór pomp w węźle zmieszania pompowego

6.2.1. Podstawowe zasady doboru pomp w układach ciepłowniczych

Parametry pomp obiegowych są ustalane w zależności od parametrów przepływowych

obwodów: strumienia objętości cieczy i straty ciśnienia w przewodach i armaturze. W skład

obwodów pierwotnych wchodzą zawory regulacyjne, stanowiące element generujący stratę

ciśnienia. Zasady ich doboru zostały podane w rozdziale 7. Schematy ideowe węzłów

pokazano w rozdziale 2. Wskazane jest, aby Czytelnik czytając ten i następne rozdziały

śledził usytuowanie omawianych elementów na schematach ideowych węzłów cieplnych.

Pompę dobiera się na podstawie dwóch parametrów przepływowych. Są to:

Vp – wydajność pompy, m3/h – strumień objętości cieczy w obwodzie,

Hp – wysokość podnoszenia (wysokość słupa wody odpowiadająca różnicy ciśnienia

wytwarzanego przez pompę), m.

Strumień objętości jest obliczany z wzoru:

ρ

= mVp (6.1)

Wysokość podnoszenia jest równa:

103

g

pH

totp

ρ∆= (6.2)

gdzie:

∆ptot – całkowita różnica ciśnienia wytwarzanego przez pompę (różnica ciśnienia w króćcu

tłocznym i ssawnym pompy), Pa,

ρ – gęstość cieczy, kg/m3,

g – przyspieszenie ziemskie, równe 9.80665 m/s2.

Pompa o stałej charakterystyce (prędkości obrotowej) osiąga parametry odpowiadające

tzw. punktowi pracy – punktowi przecięcia charakterystyki pompy (V-∆p) z charakterystyką

hydrauliczną instalacji (również w układzie V-∆p) – patrz rys. 6.8. Punkt ten się nie zmienia,

jeżeli charakterystyka instalacji nie ulega zmianie, np. wskutek zmiany stopnia otwarcia

urządzeń regulacyjnych. W obecnych rozwiązaniach węzłów cieplnych stosuje się pompy z

bezstopniową regulacją prędkości obrotowej – za pomocą przemiennika częstotliwości

(falownika). Pompa wyposażona w falownik może być regulowana automatycznie (np. przy

stałej lub proporcjonalnej do strumienia objętości różnicy ciśnienia) lub ręcznie dostosowana

do charakterystyki instalacji. Większość pomp jest obecnie zasilanych prądem przemiennym

jednofazowym o napięciu 230 V. Jedynie duże pompy mogą być zasilane prądem

trójfazowym (napięcie 3x400 V lub wyższe). Rys. 6.8. ilustruje typową charakterystykę pomp

stosowanych w węzłach cieplnych. Nie jest zalecane przyjmowanie współczynnika

zwiększającego do wydajności i wysokości podnoszenia pompy. Pompa będzie prawidłowo

współpracować z instalacją ogrzewania, nawet jeśli wydajność pompy będzie nieco mniejsza

niż strumień objętości cieczy. Z karty doboru pompy należy odczytać moc elektryczną (pobór

mocy lub moc nominalną silnika). Dane te powinny być przekazane projektantowi instalacji

elektrycznych.

104

Rys. 6.8. Charakterystyka pompy w układzie V-H [71]

W węzłach cieplnych w większości budynków (mieszkalne i większość budynków

użyteczności publicznej) nie stosuje się pomp rezerwowych. Wymiana pompy może być

dokonana w krótkim czasie. Przedsiębiorstwo Ciepłownicze może dysponować rezerwą

magazynową szeregu pomp o różnych parametrach. Pompy rezerwowe (100%+100% przy

dwóch pompach, 50%+50%+50% przy trzech pompach) powinny być instalowane w

obiektach o wysokiej niezawodności funkcjonowania, np. w szpitalach, żłobkach, centrach

obliczeniowych i przetwarzania danych, budynkach o znaczeniu państwowym, szczególnie

cennych budynkach zabytkowych. Zastosowanie pomp bliźniaczych jest rozwiązaniem

pozwalającym na utrzymanie ciągłości pracy, ale naprawa pompy nie będzie możliwa bez jej

demontażu. Rys. 6.9. przedstawia kartę doboru pompy [71]. Karta doboru pompy może być

dołączona do projektu węzła cieplnego. Przy wyborze pompy z listy (obejmuje kilkanaście-

kilkadziesiąt pozycji) należy wziąć pod uwagę stopień dopasowania do instalacji. Przy

określeniu wstępnych kryteriów doboru można ograniczyć liczbę dobranych pomp przez

wyznaczenie typu. Należy pamiętać o podaniu rodzaju przetłaczanego czynnika i

maksymalnej temperaturze roboczej.

105

Rys. 6.9. Karta doboru pompy - program Wilo Select dostępny w Internecie [71]

6.2.2. Obliczenie straty ciśnienia i dobór pompy w węźle zmieszania pompowego

Jak uzasadniono w rozdziale 2., do współpracy z siecią ciepłowniczą są przystosowane

jedynie węzły zmieszania pompowego z pompą zamontowaną w przewodzie mieszania

(dodatnia dyspozycyjna różnica ciśnienia). Wydajność pompy jest równa strumieniowi

objętości w przewodzie mieszania (rys. 2.6., wzór 2.4). Wydajność pompy (m3/s) określa

wzór:

ρ

= mVp (6.3)

106

Do celów doboru pompy strumień objętości należy wyrazić w [m3/h]. Różnica ciśnienia

wytwarzana przez pompę powinna zrównoważyć straty ciśnienia występujące w obwodzie:

cvscmitot ppppp ∆+∆+∆+∆=∆ (6.4)

gdzie:

∆pi – strata ciśnienia w instalacji ogrzewania, poza węzłem cieplnym, Pa, (na podstawie

projektu instalacji),

∆pm – strata ciśnienia w przewodzie mieszania, Pa,

∆psc – strata ciśnienia w obwodzie instalacji, Pa, (na prawo od włączenia przewodu

mieszania).

∆pcv – strata ciśnienia w zaworze regulacyjnym, Pa, (obliczona zgodnie z zasadami podanymi

w rozdziale 7.).

Straty ciśnienia w obwodach są sumą straty liniowej (wzór 5.4) i strat miejscowych (wzór

5.13). Strata ciśnienia w filtrze jest obliczana według wzoru (5.14). Współczynnik przepływu

filtra jest podany w katalogu.

Strata ciśnienia w zaworze regulacyjnym (trójdrogowym) jest obliczana z wzoru (5.14),

na podstawie współczynnika przepływu, przy założeniu pełnego otwarcia i strumienia

objętości równego strumieniowi objętości w przewodzie instalacji. W warunkach eksploatacji

zawór jest częściowo otwarty od strony sieci, częściowo od strony przewodu mieszania, ale

suma strumieni wody sieciowej i mieszającej jest równa strumieniowi wody w przewodzie

instalacyjnym. Strata ciśnienia w instalacji ogrzewania powinna być przyjęta na podstawie

odpowiedniego opracowania projektowego.

6.3. Obliczenie strat ciśnienia i dobór pomp w obwodach wtórnych wymiennikowego

węzła cieplnego

6.3.1. Dobór pompy w obwodzie wtórnym ogrzewania i wentylacji (technologii)

Wydajność pompy w obwodzie wtórnym ogrzewania lub wentylacji (podgrzewania

powietrza wentylacyjnego) jest równa strumieniowi objętości nośnika ciepła w tym

obwodzie. Strumień masy (mi) jest obliczony z wzoru (4.2), strumień objętości (m3/s) jako:

ρ

= ip

mV (6.5)

107

Całkowitą różnicę ciśnienia wytwarzaną przez pompę określa wzór (6.6).

sHEscitot pppp ∆+∆+∆=∆ (6.6)

gdzie:

∆pi – strata ciśnienia w instalacji ogrzewania, Pa, (na podstawie projektu instalacji),

∆psc – strata ciśnienia w obwodzie wtórnym(instalacji), Pa,

∆psHE – strata ciśnienia w wymienniku ciepła po stronie wtórnej, Pa.

Strata ciśnienia w obwodzie wtórnym jest sumą straty liniowej (wzór 5.4) i strat miejscowych

(wzór 5.13) oraz straty ciśnienia w filtrze (wzór 5.14).

Strata ciśnienia w instalacji powinna być przyjęta na podstawie odpowiedniego

opracowania projektowego. Orientacyjnie można przyjąć wartość 25÷70 kPa, w zależności od

rozległości instalacji i rodzaju urządzeń regulacyjnych (zawory termostatyczne, zawory

regulacji różnicy ciśnienia, zawory regulacji przepływu – strumienia objętości).

Zasady doboru pomp w instalacji technologicznej są takie same. Charakterystykę

urządzeń technologicznych należy uzyskać z odpowiedniego projektu.

6.3.2. Dobór pompy w obwodzie wtórnym przygotowania ciepłej wody

W obwodzie wtórnym przygotowania ciepłej wody występuje pompa cyrkulacyjna. Jej

zadaniem jest utrzymanie krążenia wody przy braku lub przy niskim poborze ciepłej wody,

aby uniknąć schłodzenia wody i długiego oczekiwania. Strumień masy wody w instalacji

cyrkulacyjnej powinien być przyjęty na podstawie projektu instalacji ciepłej wody.

Wydajność pompy jest równa strumieniowi objętości w przewodzie cyrkulacyjnym (Vpc):

ρ

= cpc

mV (6.7)

Przy braku precyzyjnych danych (np. przy wyprzedzającym wykonaniu projektu węzła

cieplnego przed projektem instalacji ciepłej wody) można przyjąć strumień objętości wody

cyrkulacyjnej jako [20]:

( )q12.008.0VV ppc ÷== (6.8)

108

gdzie:

q – chwilowy strumień objętości ciepłej wody obliczony na podstawie PN-EN 806 [41].

Wysokość podnoszenia pompy wyznacza się z wzoru (6.2). Całkowita różnica ciśnienia

wytwarzana przez pompę cyrkulacyjną jest równa:

'pppp HEccitot ∆+∆+∆=∆ (6.9)

gdzie:

∆pci – strata ciśnienia w instalacji cyrkulacji ciepłej wody, Pa, (na podstawie projektu

instalacji),

∆pc – strata ciśnienia w obwodzie cyrkulacji węzła cieplnego, Pa,

∆pcHE‘ – strata ciśnienia w wymienniku w umownych warunkach, autor proponuje przyjęcie

straty ciśnienia przy przepływie równym 50% strumienia chwilowego ciepłej wody – 0.25

straty ciśnienia przy przepływie chwilowym.

W obliczeniach nie uwzględnia się straty ciśnienia w wymienniku ciepłej wody przy

przepływie chwilowym. Strata ciśnienia przy przepływie ciepłej wody jest elementem bilansu

ciśnienia instalacji (układ otwarty działający przy ciśnieniu w sieci wodociągowej). Przy

maksymalnym poborze ciepłej wody cyrkulacja nie jest potrzebna. Pompa cyrkulacyjna jest

wówczas „zablokowana” przez układ ciśnienia w instalacji. Niewielki pobór mocy przy biegu

jałowym pompy wyposażonej w falownik nie uzasadnia konieczności jej wyłączenia. Straty

ciśnienia w przewodach i armaturze określa się z wzorów (5.4., 5.13., 5.14.).

Instalacje cyrkulacji ciepłej wody we współczesnych rozwiązaniach są wyposażone w

zawory regulacji temperatury w przewodach cyrkulacyjnych – otwierające się przy

schłodzeniu wody. Strumień objętości wody w instalacji cyrkulacyjnej jest wynikiem

aktualnego stopnia otwarcia wszystkich zaworów – jest on w przeciętnych warunkach

eksploatacji mniejszy niż strumień obliczeniowy, przyjęty do doboru pompy.

6.4. Dobór zaworów odcinających i filtrów

Zawory odcinające są montowane we wszystkich obwodach węzła cieplnego.

Podstawowym parametrem zaworu odcinającego jest średnica nominalna. W przypadku

przewodów z rur ze stali węglowej średnica zaworu odpowiada średnicy nominalnej

przewodu. Średnica nominalna zaworu jest jednocześnie wyróżnikiem połączenia –

gwintowanego lub kołnierzowego, wyznaczającym podstawowe wymiary (np. średnicy

109

podziałowej, średnicy gwintu, średnicy otworów do mocowania śrub). Przy montażu

zaworów w przewodach ze stali nierdzewnej lub miedzianych należy przyjąć korelację

podaną w tabeli 6.1. Przewężenie przekroju przed zaworem może występować jedynie

wyjątkowo (np. w istniejących węzłach cieplnych).

Tabela 6.1. Nominalna średnica armatury (DN) odpowiadająca

średnicy zewnętrznej przewodów miedzianych i ze stali

nierdzewnej[52, 53]

de DN de DN

15 15 76 65

18 15 89 80

22 20 100 100

28 25 133 125

35 32 159 150

42 40 219 200

54 50 267 250 DN – średnica nominalna, mm, de- średnica zewnętrzna, mm.

Ważnymi parametrami doboru zaworów i armatury są:

• ciśnienie (nadciśnienie) nominalne [bar],

• temperatura nominalna (najwyższa temperatura robocza) [oC].

W większości krajowych systemów ciepłowniczych ciśnienie maksymalne w sieci

ciepłowniczej nie przekracza 16 bar. Można zatem w przewodach obwodów pierwotnych

przyjąć nominalne ciśnienie armatury równe 16 bar. Temperatura czynnika zwykle nie

przekracza 130 oC, często jest niższa. Wystarczającą temperaturą roboczą będzie zatem

150 oC. W obwodach wtórnych maksymalne ciśnienie wyznacza “najsłabszy” element –

zwykle jest to przeponowe naczynie wzbiorcze. Ciśnienie maksymalne powinno być

określone w projekcie instalacji. Od jego wartości zależy wielkość nastawy zaworu

bezpieczeństwa, który jest elementem węzła cieplnego. Przyjęte powszechnie ciśnienie w

obwodach wtórnych ogrzewania i wentylacji to 3 bar ,5 bar lub 6 bar, w instalacji

przygotowania ciepłej wody 6 bar. Można zatem w obwodach wtórnych przyjąć armaturę o

ciśnieniu nominalnym 6 bar. Temperatura robocza w obwodach wtórnych jest niższa niż

100 oC, we współczesnych rozwiązaniach instalacji niższa niż 70 oC. W nietypowych

węzłach cieplnych, np. do celów technologii, mogą być wymagane wyższe parametry

robocze. Połączenia armatury z przewodami może być nierozłączne (zawory z końcówkami

do spawania) lub rozłączne (kołnierzowe lub gwintowane). Zaleca się stosowanie połączeń

110

spawanych przy montażu zaworów odcinających w obwodach pierwotnych. Przy montażu

innego rodzaju armatury lub urządzeń w obwodach pierwotnych preferowane są połączenia

kołnierzowe, choć – z akceptacją Przedsiębiorstwa Ciepłowniczego – mogą być zastosowane

połączenia gwintowane o odpowiedniej wytrzymałości i odporności na działanie wysokiej

temperatury. W obwodach wtórnych preferowane jest połączenie gwintowane. Przy większej

średnicy przewodów (praktycznie powyżej DN65) występują trudności w wykonaniu

gwintów – stosuje się połączenia kołnierzowe. Ciśnienie nominalne (przeważnie również

średnica nominalna) powinna być trwale oznaczona na korpusie armatury. Przy doborze

filtrów dodatkowym parametrem jest typ wkładu filtracyjnego. Stopień oczyszczania wody w

obwodach pierwotnych i wtórnych, a zatem typ urządzeń oczyszczających może być

narzucony przez Przedsiębiorstwo Ciepłownicze. Jeżeli Przedsiębiorstwo Ciepłownicze nie

stawia specjalnych wymagań, preferowane jest oczyszczanie mechaniczne przy zastosowaniu

wkładów filtracyjnych o liczbie oczek 400 na centymetr kwadratowy (średnica otworu ok.

0.2÷0.25 mm). Odmulacze bezwładnościowe nie mają zbyt wysokiej efektywności ze

względu na dość dużą prędkość przepływu wody.

Niektóre Przedsiębiorstwa Ciepłownicze wymagają w obwodach pierwotnych

stosowania filtrów z wkładem magnetycznym, usuwającym skutecznie produkty korozji. Przy

dobrej jakości wody w systemie ciepłowniczym nie ma specjalnego uzasadnienia do

stosowania tak dokładnych urządzeń. Filtry workowe mogą spowodować zatrzymanie

przepływu wody, jeśli nie będą systematycznie czyszczone. Umieszczenie filtrów między

dwoma zaworami odcinającymi umożliwia oczyszczenie wkładu bez konieczności

opróżniania dłuższych odcinków instalacji.

W systemach ciepłowniczych mogą mieć zastosowanie nowoczesne rozwiązania do

ciągłego, niezakłócającego przepływu nośnika ciepła, czyszczenia wody i separacji gazów,

np. firmy Spirotech. Urządzenia te są czyszczone i opróżniane z gazów w czasie ruchu sieci

ciepłowniczej. Urządzenia do dokładnego oczyszczania wody najkorzystniej jest stosować w

ciepłowniach, dużych węzłach cieplnych i pompowniach sieciowych. Urządzenia, które

wymagają okresowego czyszczenia należy umieszczać między zaworami odcinającymi albo

w przewodach równoległych, bądź też w przewodach obejściowych.

Strata ciśnienia w zaworach odcinających może być obliczona przy przyjęciu

odpowiedniej wartości współczynnika strat miejscowych. Dokładniejsze wyniki otrzymuje

się, obliczając stratę ciśnienia za pomocą współczynnika przepływu. Większość producentów

111

zaworów obecnie podaje tę wartość. W przypadku filtrów producenci podają w katalogach

wartości współczynnika przepływu. Stratę ciśnienia oblicza się według wzoru (5.14).

6.5. Dobór elementów zabezpieczenia, stabilizacji ciśnienia, zespołów uzupełniania i

urządzeń pomocniczych

6.5.1. Dobór zaworów bezpieczeństwa

Zawór bezpieczeństwa jest elementem projektowanym w celu zabezpieczenia urządzeń

ciśnieniowych i instalacji przed przekroczeniem ciśnienia ponad wartość dopuszczalną [16].

Przyczyną nadmiernego wzrostu ciśnienia w węzłach ciepłowniczych może być:

• Przebicie (perforacja) powierzchni wymiany ciepła wymiennika,

• Rozszerzenie cieczy pod wpływem ciepła (ekspansja termiczna).

Zasady obliczeń zaworów bezpieczeństwa określa norma PN-EN ISO 4126-1,7 [48, 49]

Urządzenia zabezpieczające przed nadmiernym wzrostem ciśnienia – Część 1: Zawory

bezpieczeństwa, Część 7: Dane ogólne. Symbole i nazwy wielkości fizycznych w tym

rozdziale są zgodne z tą normą. Norma PN-EN ISO 4126-1,7 jest obecnie jedynym

źródłem, w którym określono procedury wyznaczania przepustowości zaworów

bezpieczeństwa. Norma PN-B-02414: 1999P „Zabezpieczenia instalacji ogrzewań wodnych

systemu zamkniętego z naczyniami wzbiorczymi przeponowymi” [45] określała zasady

obliczania niezbędnej przepustowości zaworów bezpieczeństwa w węzłach cieplnych. Norma

ta została zastąpiona przez normę PN EN 12828 „Instalacje ogrzewcze w budynkach.

Projektowanie wodnych instalacji centralnego ogrzewania”. [50] Nowa norma nie podaje

jednak zasad obliczeń przepustowości zaworów bezpieczeństwa, stąd, w dalszej części tekstu,

znajdą się odniesienia do normy PN-B-02414:1999P.

Przebicie powierzchni (ścianki) wymiennika ciepła może nastąpić wtedy, gdy ciśnienie

w sieci ciepłowniczej (obwodzie pierwotnym) jest większe niż w instalacji (obwodzie

wtórnym). Porównanie dotyczy ciśnienia maksymalnego w sieci (powinno być podane przez

Przedsiębiorstwo Ciepłownicze) i maksymalnego ciśnienia panującego w instalacji

(przyjętego w projekcie instalacji i węzła cieplnego). Przepływ wody przez otwór powstający

przy przebiciu jest spowodowany różnicą ciśnienia po obydwu stronach. Teoretyczna

prędkość przepływu jest równa:

( )

ρ−= bo pp2

v (6.10)

112

gdzie:

v – teoretyczna prędkość przepływu, m/s,

po – ciśnienie zrzutowe, Pa,

pb – przeciwciśnienie, Pa,

ρ – gęstość cieczy przy ciśnieniu zrzutowym i temperaturze zrzutowej, kg/m3.

lub

( )ν−= bo pp2v (6.11)

gdzie:

ν – objętość właściwa cieczy przy ciśnieniu zrzutowym i temperaturze zrzutowej, m3/kg.

Teoretyczny strumień masy (w jednostkach układu SI) można obliczyć z wzoru:

( )

ν−= bo

mpp2

AQ (6.12)

gdzie:

Qm – teoretyczny strumień masy, kg/s.

A – powierzchnia kanału przepływowego, m2.

Strumień wyrażony w jednostkach zgodnych z PN-EN ISO 4126 jest równy:

( )

ν−= bo

mpp

A61.1Q (6.13)

gdzie:

Qm – teoretyczny strumień masy, kg/h.

A – powierzchnia przepływu,mm2,

po – ciśnienie zrzutowe, bar,

pb – przeciwciśnienie, bar.

Różnica w stosunku do normy PN-B-02414:1999 polega na wprowadzeniu

współczynnika poprawkowego b, zależnego od różnicy ciśnienia maksymalnego w sieci i

instalacji [45].

( )ρ−= bom ppAb61.1Q (6.14)

113

gdzie:

b – współczynnik bezpieczeństwa równy b=1, przy po- pb≤5 bar, b=2 przy po- pb> 5 bar.

Jeśli wielkości we wzorze (6.14) wyrazimy w jednostkach zgodnych z

PN-B-02414:1999, otrzymamy zależność:

( )ρ−= bom ppAb3.447Q (6.15)

gdzie:

Qm – teoretyczny strumień masy, kg/s,

A – powierzchnia przepływu, m2,

po – ciśnienie zrzutowe, bar,

pb – przeciwciśnienie, bar.

Opisywana zależność jest akceptowana przez Urząd Dozoru Technicznego w Polsce. Różnica

w stosunku do PN-EN ISO 4126-1 polega jedynie na zastosowaniu współczynnika

bezpieczeństwa b. Strumień masy określony wzorem (6.14) jest strumieniem teoretycznym.

W warunkach rzeczywistych otwór, przez który przepływa woda charakteryzuje się tzw.

współczynnikiem wypływu, którego wartość przeciętnie wynosi 0.5÷0.7, stąd rzeczywisty

strumień masy jest mniejszy niż teoretyczny.

Teoretyczny strumień masy wody przepływającej z części o wyższym ciśnieniu do

części o niższym ciśnieniu jest równy wymaganej przepustowości zaworu bezpieczeństwa.

Powierzchnia przebicia może być przyjmowana następująco:

• w przypadku wymiennika płaszczowo-rurowego: jako powierzchnia przekroju

wewnętrznego jednej rurki,

• w przypadku wymiennika płytowego: jako powierzchnia przekroju wewnętrznego

jednego kanału przepływowego.

Tabela 6.2. podaje powierzchnię kanału przepływowego wybranych wymienników

płytowych A [mm2].

114

Tabela 6.2. Pole powierzchni przekroju kanału wybranych wymienników płytowych [60]

Sposób określenia wymaganej przepustowości zaworu bezpieczeństwa przy ciśnieniu w

sieci ciepłowniczej (maksymalnym) niższym niż maksymalne ciśnienie w instalacji, podany

w normie PN-B-02414:1999P, nie ma fizycznego uzasadnienia. Wymaganą przepustowość

oblicza się w tym przypadku na podstawie pojemności urządzenia (instalacji) z wzoru:

V44.0Qm = (6.16)

gdzie:

Qm – wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/s,

V – pojemność wodna urządzenia (instalacji), m3.

Ta formuła jest akceptowana przez Urząd Dozoru Technicznego w Polsce.

Zawór bezpieczeństwa zamontowany w przewodzie wody zimnej przed wymiennikiem

ciepłej wody chroni także stabilizator temperatury przed wzrostem ciśnienia. Pojemność

stabilizatora należy uwzględnić w pojemności instalacji. Można się spotkać z wymaganiem

przez Dozór Techniczny montażu zaworu bezpieczeństwa bezpośrednio przy stabilizatorze

temperatury ciepłej wody, jeżeli iloczyn ciśnienia [bar] i pojemności [dm3] przekracza 300, w

praktyce przy każdej wielkości stabilizatora.

115

Drugą przyczyną powstania nadmiernego wzrostu ciśnienia jest ekspansja termiczna.

Ten model występuje niezależnie od układu ciśnienia w sieci i instalacji. Przy stałym

doprowadzeniu ciepła do układu zamkniętego (ze względu na przepływ masy i ciepła) będzie

wzrastać objętość wody w instalacji. Wzrost objętości w instalacji zostaje przejęty przez

przeponowe naczynie wzbiorcze. Naczynie wzbiorcze nie jest jednak elementem

zabezpieczającym przed wzrostem ciśnienia – w stanie awaryjnym może dojść do dalszego

wzrostu ciśnienia. Wymaganą przepustowość zaworu bezpieczeństwa można obliczyć z

wzoru [15, 16]:

dt

d

cQ

pm

ν⋅Φρ= (6.17)

Obliczenia wraz z wyjaśnieniem symboli i jednostkami zawarto w tabeli 6.3.

Wynik jest interesujący, wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa nie zależy

od objętości wody w instalacji. Jest to zrozumiałe, albowiem w instalacji o większej objętości

wody wzrost temperatury będzie wolniejszy niż w instalacji o małej pojemności, ale wzrost

objętości będzie wprost proporcjonalny do wartości początkowej. Wymagana przepustowość

zaworu bezpieczeństwa zależy wyłącznie od początkowej temperatury wody. Można

zaproponować formułę do obliczeń przepustowości w formie:

Φ⋅= )t(XQ 1m (6.18)

gdzie:

Qm – wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa przy ekspansji termicznej, kg/s,

Φ – moc cieplna przekazana do instalacji, kW,

X(t) – współczynnik zależny od początkowej temperatury wody w instalacji t1 [oC], obliczany

według wzoru (propozycja autora) (R2=0.9999):

2111 t00004.0t01.00075.0)t(X −+= (6.19)

Ciśnienie zrzutowe po jest obliczane zgodnie z PN- EN ISO 4126-1 [49] jako:

amboverseto pppp +∆+= (6.20)

gdzie:

pset – wartość nastawy zaworu bezpieczeństwa (ciśnienie początku otwarcia),

116

∆pover – wzrost ciśnienia przy otwarciu zaworu, zwykle przyjmowany jako 10% pset,

pamb – ciśnienie otoczenia (przeciwciśnienie).

Tabela 6.3. Obliczenie przepustowości zaworu bezpieczeństwa przy ekspansji termicznej

1 Strumień ciepła (moc cieplna) Φ 250 kW Wzór

2 Objętość wody V 0.89 m3

3 Początkowa temperatura wody t1 50 oC

4 Początkowa gęstość wody ρ1 988.04 kg/m3 patrz rozdział 1.

5 Masa wody m 879.36 kg patrz rozdział 1. 6 Ciepło właściwe cp 4.179 kJ/(kg K) patrz rozdział 1.

7 Prędkość zmiany temperatury dt/dτ 0.07 K/s

8 Zmiana objętości właściwej przy zmianie temperatury dν/dt 4.876E-07 m3/(kg K)

9 Prędkość zmiany objętości właściwej ∆ν/∆τ 3.317E-08 m3/(kg s)

10 Prędkość zmiany objętości

∆V/∆τ 2.917E-05 m3/s

11 Wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa

Qm 0.03 kg/s wzór (6.17) 12 103.75 kg/h ∆τ- czas

Powierzchnię przepływu zaworu bezpieczeństwa (powierzchnia przepływu przy

największym przewężeniu, zwana także powierzchnią dolotową) A [mm2] określa wzór:

bodr

m

ppKK

Q

61.1

1A

−ν=

ν (6.21)

gdzie:

Qm – wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/h,

po – ciśnienie zrzutowe, bar,

pb – przeciwciśnienie, bar,

ν – objętość właściwa przy parametrach zrzutowych (ciśnieniu i temperaturze), m3/kg,

Kdr – poświadczony zredukowany współczynnik wypływu zaworu bezpieczeństwa, równy 0.9

wartości katalogowej,

Kν – współczynnik korekcyjny lepkości, przy liczbie Reynoldsa niższej niż 80000, określony

z nomogramu w [49] – patrz rys.6.10. Liczba Reynoldsa jest obliczona przy średnicy

117

dolotowej (średnicy odpowiadającej powierzchni przepływu zaworu bezpieczeństwa) – wzór

(5.1). Liczbę Reynoldsa można wyrazić jako funkcję strumienia masy:

o

m

d

Q4Re

πρν= (6.22)

gdzie:

Qm – wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/s,

do – średnica przewężenia (odpowiadająca powierzchni przepływu) , m,

ρ – gęstość wody przy parametrach zrzutowych, kg/m3,

ν – współczynnik lepkości kinematycznej przy parametrach zrzutowych, m2/s.

Kν – współczynnik korekcyjny lepkości, obliczony z formuły aproksymacyjnej (R2=0.995).

( ) ( ) 7338.0Reln0.4957Reln0482.0Reln001585.0K 23 −+−=ν (6.23)

Wyznaczenie średnicy zaworu bezpieczeństwa jako parametru końcowego jest

skomplikowane, choć można dokonać obliczeń, wprowadzić poprawkę ze względu na liczbę

Reynoldsa i ponownie sprawdzić wymaganą średnicę. Bardziej efektywny algorytm doboru

zaworu bezpieczeństwa polega na wyznaczeniu średnicy dolotowej każdego zaworu z szeregu

wymiarowego i przyjęcie pierwszego o średnicy większej niż wymagana. Ta procedura

pozwala także na przyjęcie różnej wartości współczynnika wypływu zaworu bezpieczeństwa

przy różnych średnicach zaworu. Przykład obliczenia zaworu bezpieczeństwa zawiera tabela

6.4.

Tabela 6.4. Przykład doboru zaworu bezpieczeństwa według proponowanego algorytmu, dover – weryfikowana

średnica dolotowa, inne oznaczenia w tekście (wyróżnione pole oznacza dobrany zawór)

t1 50.0 oC ρ1 988.04 kg/m3 ν1 0.00000055 m2/s

DN[mm] do

[mm] Kd Kdr=0.9Kd po-pb[bar] Qmsf[kg/h] Re Kν A [mm2] dover[mm] (wzór 6.13) (wzór 6.22) (wzór 6.23) z katalogu (wzór 6.21)

15 12 0.25 0.225 4.00 4200 226153 1.000 184.43 15.32 20 14 0.20 0.180 4.00 4200 193845 1.000 230.53 17.13 25 20 0.30 0.270 4.00 4200 135692 1.000 153.69 13.99 32 27 0.25 0.225 4.00 4200 100512 1.000 184.43 15.32 40 35 0.20 0.180 4.00 4200 77538 0.999 230.67 17.14 50 42 0.20 0.180 4.00 4200 64615 0.997 231.19 17.16

118

Rys. 6.10. Współczynnik poprawkowy lepkości [17]

Przekrój przewodu wyrzutowego nie może być mniejszy niż średnica nominalna króćca

zaworu bezpieczeństwa. Rurę wyrzutową należy doprowadzić nad wpust podłogowy.

Norma PN-EN 02414:1999P podaje wzór określający średnicę przekroju dolotowego

zaworu bezpieczeństwa w następującej postaci (symbole przyjęto zgodnie z PN-EN ISO

4126-1):

( )ρ−=

bodr

mo

ppK

Q54d (6.24)

gdzie:

119

Qm – wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/s,

do – średnica przekroju dolotowego zaworu bezpieczeństwa, m2,

Kdr – poświadczony zredukowany współczynnik wypływu zaworu bezpieczeństwa, równy 0.9

wartości katalogowej,

po – ciśnienie zrzutowe, bar,

ρ – gęstość cieczy przy parametrach zrzutowych, kg/m3,

pb – przeciwciśnienie, bar.

We wzorze (6.24) nie występuje współczynnik poprawkowy lepkości. Przy założeniu

jego wartości równej 1, wzory (6.21) i (6.24) prowadzą do wyniku różniącego się o ok. 2%.

W Niemczech i Austrii zawory bezpieczeństwa w wymiennikowych węzłach cieplnych

są dobierane zgodnie z normą DIN 4747-1 [1] w zależności od mocy cieplnej instalacji

(model ekspansji termicznej). Sposób doboru jest zależny od maksymalnej temperatury w

sieci ciepłowniczej. Obecnie jest to temperatura niższa niż 143.6 oC. Tabela 6.5 zawiera

średnice zaworów bezpieczeństwa w obwodach wtórnych ogrzewania i wentylacji

wymiennikowych węzłów cieplnych [1].

Tabela 6.5. Dobór średnicy zaworu bezpieczeństwa w wymiennikowym węźle cieplnym przy temperaturze

czynnika niższej niż 143.6 oC, zgodnie z DIN 4747 [1]

Nominalna moc cieplna

Średnica przyłączeniowa przewodu dolotowego

(zawór membranowy 2.5 or 3 bar) Średnica przewodu

wyrzutowego Φ [kW] di[mm] de[mm] ..100 15 20

100..350 20 25 350..900 25 32

W tabeli 6.6. podano średnice zaworów bezpieczeństwa przy temperaturze nośnika

ciepła powyżej 143.6 oC [1].

Tabela 6.6. Dobór średnicy zaworu bezpieczeństwa w wymiennikowym węźle cieplnym przy temperaturze

czynnika wyższej niż 143.6 oC [1]

Nominalna moc cieplna Średnica przyłączeniowa przewodu dolotowego

Średnica przewodu wyrzutowego

Φ [kW] di [mm] de[mm] ..50 15 20

50..100 20 25 100.200 25 32 200..350 32 40 350..600 40 50

120

Długość przewodu dopływowego nie może być większa niż 1 m, maksymalnie może być

jedno załamanie. Jeśli długość przewodu wyrzutowego jest większa niż 4 m, a liczba załamań

wynosi 2÷3, średnicę należy zwiększyć i 1 dymensję.

Zawór bezpieczeństwa w instalacji ciepłej wody dobiera się w Niemczech w zależności

od pojemności wodnej instalacji, zgodnie z normą DIN 1988. W tabeli 6.7. podano średnicę

przyłączeniową przewodu dolotowego zaworu bezpieczeństwa do instalacji ciepłej wody

zgodnie z DIN 1988 [1].

Tabela 6.7. Dobór zaworów bezpieczeństwa do instalacji ciepłej wody zgodnie z DIN1988 [1]

Pojemność wodna instalacji

Średnica przyłączeniowa przewodu dolotowego

Maksymalna moc cieplna instalacji

V [dm3] di [mm] Φ[kW] ..200 15 75

200..1000 20 150 1000..5000 25 250

Procedury doboru zaworów bezpieczeństwa do ciepłej wody w Finlandii są podobne do

procedur stosowanych w Niemczech. Średnicę nominalną (przyłączeniową) zaworu

bezpieczeństwa według wytycznych fińskich podano w tabeli 6.8.

Taela 6.8. Dobór zaworu bezpieczeństwa w instalacji ciepłej

wody według wytycznych fińskich [oprac. własne]

Nominalna moc cieplna instalacji

Nominalna średnica zaworu bezpieczeństwa

Φ [kW] DN[mm] ..200 15

200..800 20 800.. 25

Metody doboru zaworów bezpieczeństwa na podstawie mocy cieplnej instalacji realizują

model ekspansji termicznej. Byłoby pożądane ujednolicenie metod doboru zaworów

bezpieczeństwa na obszarze Unii Europejskiej.

6.5.2. Dobór naczynia wzbiorczego

Przeponowe naczynie wzbiorcze w instalacji ogrzewania nie jest elementem

zabezpieczenia. Jego rolą jest kompensacja zmian objętości wody pod wpływem temperatury

w granicach ciśnienia: od minimalnego, zapewniającego wypełnienie instalacji, do

maksymalnego, przyjętego do doboru zaworu bezpieczeństwa. Zgodnie z przepisami w

121

niektórych krajach (np. w Polsce) naczynie przeponowe może być traktowane jako

podlegające pod procedury odbiorowe Dozoru Technicznego (pV>300). Wówczas powinien

być zaprojektowany odrębny zawór bzepieczeństwa do ochrony maczynia wzbiorczego.

Zasady doboru naczyń wzbiorczych systemu zamkniętego (przeponowych naczyń

wzbiorczych) określa norma PN EN 12828 „Instalacje ogrzewcze w budynkach.

Projektowanie wodnych instalacji centralnego ogrzewania” [50].

W celu doboru przeponowego naczynia wzbiorczego w instalacji ogrzewania należy

ustalić następujące wielkości:

• objętość wody w instalacji, Vsys [dm3],

• maksymalną temperaturę wody w instalacji, tmax [oC],

• objętość rezerwy wody w naczyniu, VWR [dm3],

• ciśnienie statyczne (hydrostatyczne) pST [bar],

• ciśnienie maksymalne (końcowe), pe [bar].

Objętość wody w instalacji należy ustalić z odpowiedniego projektu. Programy do obliczeń

instalacji przeważnie obliczają pojemność przewodów i grzejników. Przy braku danych

pojemność można przyjąć wskaźnikowo, choć ta metoda nie jest zalecana ze względu na

prawdopodobne przewymiarowanie naczynia wzbiorczego. Maksymalna temperatura wody

jest przyjmowana jako obliczeniowa temperatura zasilania wody instalacyjnej. Rezerwa

objętości wody w naczyniu powinna stanowić 20% objętości naczynia, jeżeli naczynie

wzbiorcze ma pojemność całkowitą mniejszą niż 15 dm3 i 0.5% objętości wody w instalacji

przy większej pojemności całkowitej naczynia wzbiorczego. Ciśnienie statyczne jest to

ciśnienie słupa wody o wysokości od punktu włączenia naczynia wzbiorczego do

najwyższego punktu instalacji (wypełnionego wodą). Ciśnienie końcowe powinno być

przyjmowane jako 90% maksymalnego ciśnienia w instalacji. Należy wziąć pod uwagę

różnicę poziomów włączenia naczynia wzbiorczego i zamontowania zaworu bezpieczeństwa.

Względna zmiana objętości właściwej wody w przedziale temperatury t1-t2 może być

obliczona z wzoru:

1

12e

νν−ν= (6.25)

gdzie:

e – względna zmiana objętości właściwej,

ν1 – początkowa objętość właściwa wody (przy temperaturze napełniania t1), m3/kg,

122

ν2 – końcowa objętość właściwa wody (przy maksymalnej temperaturze t2), m3/kg.

Wzór można wyrazić za pomocą gęstości wody:

ρ−

ρρ=

12

111e (6.26)

gdzie: ρ1 – początkowa gęstość wody, kg /m3, ρ2 – końcowa gęstość wody, kg /m3.

Objętość powstała w wyniku rozszerzalności cieplnej jest równa:

syse eVV = (6.27)

gdzie:

Ve – objętość powstała w wyniku rozszerzalności cieplnej, dm3.

Minimalną wymaganą pojemność całkowitą przeponowego naczynia wzbiorczego

określa wzór (6.28).

( )oe

eWReminexp

pp

1pVVV

−++= (6.28)

gdzie:

Vexp min – minimalna wymagana pojemność całkowita naczynia wzbiorczego, dm3,

VWR - rezerwa objętości wody w naczyniu, dm3,

pe – ciśnienie maksymalne w instalacji, bar,

po – ciśnienie początkowe (nadciśnienie), bar

obliczane jako

DSTo ppp += (6.29)

gdzie:

pD – naddatek ciśnienia, przyjmowany jako 0.3 bar.

Po dokonaniu doboru naczynia wzbiorczego należy określić skorygowaną wartość

ciśnienia początkowego z warunku:

( )

1VV

1pVp

WRselexp

oselexpocor −

−+≥ (6.30)

gdzie:

123

Vexpsel – pojemność całkowita dobranego naczynia wzbiorczego, dm3,

pocor – skorygowane ciśnienie początkowe, bar, inne oznaczenia jak w powyższych wzorach.

Aby nie nastąpił wzrost ciśnienia ponad wartość maksymalną, ciśnienie początkowe powinno

ponadto spełniać warunek:

( ) 1

1pV1pV

1

1pp

oselexp

ee

eocor −

+++

+≤

(6.31)

Oznaczenia jak w powyższych wzorach.

Przeponowych naczyń wzbiorczych w instalacji ciepłej wody nie stosuje się ze względu

na niewielką pojemność przewodów i wymienników ciepła. Naczynia takie należy stosować

w przypadku wyposażenia węzła w zasobniki ciepła lub pojemnościowe podgrzewacze

ciepłej wody, aby uniknąć ubytków wody spowodowanych otwieraniem się zaworu

bezpieczeństwa przy podgrzewaniu wody w czasie braku poboru. Należy pamiętać, że

ciśnienie zamknięcia zaworu bezpieczeństwa jest o ok. 10÷20% niższe niż ciśnienie otwarcia.

W tabeli 6.9. podano przykład doboru i sprawdzenia przeponowego naczynia

wzbiorczego w instalacji ogrzewania.

Tabela 6.9. Dobór i sprawdzenie przeponowego naczynia wzbiorczego w instalacji ogrzewania

1 Objętość wody w instalacji Vsys 990 dm3 Wzór

2 Rezerwa objętości wody VWR 4.95 dm3 0.5% of Vsys

3 Temperatura początkowa t1 10 oC

4 Początkowa gęstość wody ρ1 999.72 kg/m3 wzór (1.28)

5 Temperatura końcowa t1 70 oC

6 Końcowa gęstość wody ρ1 977.68 kg/m3 Wzór (1.28)

7 Względna zmiana objętości właściwej e 0.023 wzór (6.25)

8 Wzrost objętości Ve 22.33 dm3 wzór (6.27)

9 Ciśnienie statyczne pST 0.95 bar

10 Margines (naddatek) ciśnienia pD 0.30 bar

10 Ciśnienie początkowe po 1.25 bar wzór (6.29)

11 Ciśnienie maksymalne pe 5.00 bar

12 Wymagana pojemność całkowita naczynia Vexpmin 43.64 dm3 wzór (6.28)

13 Pojemność dobranego naczynia Vexpsel 50.00 dm3

14 Sprawdzenie warunku (1) pocormin 1.50 bar wzór (6.30) 15 Sprawdzenie warunku (2) pocormax 1.74 bar wzór (6.31)

16 Przyjęte ciśnienie początkowe poset 1.50 bar

124

6.5.3. Dobór zespołów uzupełniających

W większości systemów ciepłowniczych woda instalacyjna jest uzupełniana z przewodu

sieci ciepłowniczej. Uzupełnianie zwykle się projektuje jako ręczne – należy okresowo

przeprowadzać kontrolę napełnienia instalacji wewnętrznej. Nie zaleca się automatyzacji

uzupełniania, chyba że system zostanie wyposażony w sygnalizację telemetryczną

nadmiernych ubytków wody. Na rys. 6.11. pokazano schemat ideowy układu uzupełniania

wody i napełniania instalacji. Pokazany zestaw składa się z zaworu odcinającego od strony

sieci (PN16), wodomierza (PN16), zaworu napełniającego z regulacją ciśnienia za zaworem

VF06- ½ A – ze złączką do węża, odcinka węża o odpowiednie wytrzymałości i odporności

na działanie temperatury i z zaworu odcinającego od strony instalacji PN6 [63].

Rys. 6.11. Zespół napełniania i uzupełniania wody w węźle cieplnym

Kolor korpusu zaworu oznacza ciśnienie końcowe. Wodomierz powinien być dobrany

na ciśnienie i temperaturę panujące w sieci. Zwykle projektuje się wodomierz o zakresie

nominalnym przepływu 1.5 m3/h. Przedsiębiorstwa Ciepłownicze ustalają w taryfie cenę 1 m3

nośnika ciepła. Prędkość napełniania instalacji powinna być niewielka, aby nie doprowadzić

do zapowietrzenia (wskutek zasyfonowania) grzejników w instalacji. Szczególnie wolno

należy napełniać instalację wyposażoną w automatyczne odpowietrzniki. Wydajność

odpowietrzników jest podana w katalogach.

125

6.5.4. Dobór elementów pomocniczych

W węzłach cieplnych występują następujące urządzenia pomocnicze: odpowietrzniki

(separatory powietrza), odwodnienia oraz konstrukcje wsporcze.

Powietrze może być usuwane z instalacji ręcznie – przez zawór w najwyższym punkcie

instalacji lub automatycznie – przez odpowietrzniki (separatory powietrza). Po stronie

pierwotnej węzła cieplnego zwykle stosuje się odpowietrzenie ręczne. Można w najwyższych

punktach zamontować zbiorniki odpowietrzające. Odpowietrzenie jest otwarte jedynie w

czasie napełniania węzła: pierwszego lub po przerwie remontowej. Przy prawidłowej

eksploatacji systemu ciepłowniczego i przy odpowiedniej jakości wody sieciowej nie ma

potrzeby ciągłego usuwania powietrza. W instalacjach wewnętrznych często stosuje się

przewody z tworzyw sztucznych. Przez materiał tworzywa sztucznego dyfunduje powietrze

(nawet przy zastosowaniu wkładki antydyfuzyjnej z tworzywa, tylko w mniejszym stopniu).

Jeżeli instalacja jest często opróżniania i uzupełniana wodą wodociągową, to powinien być

zamontowany separator powietrza (np. Spirotech), który działa nieprzerwanie przez cały czas

pracy. Systematyczne usuwanie powietrza z wody wpływa na zmniejszenie sprężystości w

obwodzie regulowanym (systemu) i zwiększa odporność instalacji na powstawanie oscylacji

ciśnienia.

Zawory odpowietrzające powinny mieć ciśnienie nominalne jak w obwodzie

pierwotnym (PN16). Odpowietrzniki automatyczne są montowane w instalacji wewnętrznej,

w najwyższych punktach instalacji. W zależności od konfiguracji przewodów w węźle

cieplnym mogą być potrzebne odpowietrzenia najwyższych fragmentów obwodów wtórnych

ogrzewania i wentylacji. Wydajność odpowietrznika jest zależna od ciśnienia w instalacji -

przy napełnieniu instalacji ciśnienie jest niewiele wyższe niż ciśnienie atmosferyczne. Na rys.

6.12. pokazano nomogram do wyznaczenia wydajności odpowietrznika DN15. [62].

Rys. 6.21. Wydajność odpowietrznika automatycznego w zależności od ciśnienia w przewodzie

Nl – 1 litr powietrza przy ciśnieniu atmosferycznym [62]

126

Przy napełnieniu instalacji można przyjąć wydajność odpowietrznika równą 60÷80 dm3/h.

W przeszłości przyjmowano zasadę, że każdy najniższy punkt instalacji powinien być

wyposażony w odwodnienie z zaworem spustowym. Zgodnie ze współczesnymi zasadami

projektowania odwodnienia powinny być stosowane wyłącznie przy urządzeniach o znacznej

pojemności: zasobnikach ciepłej wody, stabilizatorach temperatury, przeponowych

naczyniach wzbiorczych. W razie konieczności odwodnienia przewodów można przyjąć

odprowadzenie wody przez połączenia rozłączne na posadzkę węzła i następnie do wpustu

kanalizacyjnego. Zawory do odwodnienia powinny być dobrane na warunki ciśnienia i

temperatury panujące w odpowiednich obwodach węzła cieplnego. Jeśli nie ma specjalnych

wymagań Przedsiębiorstwa Ciepłowniczego, średnica odwodnień może wynosić DN20.

Większość węzłów ciepłowniczych jest wykonywana obecnie w rozwiązaniu

„compact”. Węzły takie mają własną konstrukcję wsporczą – są ustawiane na posadzce.

Przewody opierają się na konstrukcji nośnej (ramie), wymienniki ciepła i pompy są

montowane bezpośrednio na przewodach lub na odpowiednich podporach. Zbiorniki

(stabilizatory temperatury, zasobniki ciepłej wody, naczynia wzbiorcze) są ustawiane

bezpośrednio na posadzce. Fundamenty pod pompy są w węzłach cieplnych stosowane

wyjątkowo – nawet w dużych węzłach preferowane jest stosowanie pomp „in-line”,

opierających się na przewodach instalacji.

6.6. Dobór stabilizatora temperatury i zasobnika ciepłej wody

Stabilizator temperatury ciepłej wody jest elementem niezbędnym w węźle

cieplnym w przypadku, gdy wymiennik ciepłej wody nie pokrywa chwilowego

(obliczonego zgodnie z PN-EN 806) zapotrzebowania na ciepłą wodę. Jego zadaniem

jest ograniczenie wpływu „fali” niskiej temperatury wody w szczytowych stanach

obciążenia. Na rys. 6.22. pokazano zasadę działania stabilizatora temperatury ciepłej

wody.

Rys. 6.22. Zasada działania stabilizatora temperatury ciepłej wody. Opis w tekście

127

Przed okresem szczytowego zapotrzebowania na ciepłą wodę stabilizator jest całkowicie

wypełniony wodą o temperaturze 55÷60 oC. Przy wzroście zapotrzebowania na ciepłą wodę

ponad wartość miarodajną do doboru wymiennika ciepła do stabilizatora będzie dopływać

woda o obniżonej temperaturze (można ją obliczyć w drodze symulacji programem

HEXACT – mieści się przeciętnie w przedziale 30÷40 oC). Woda o niższej temperaturze

dopływa do dolnej części zbiornika, ale do instalacji płynie w dalszym ciągu woda o wysokiej

temperaturze. Po pewnym czasie zwiększonego zapotrzebowania na ciepłą wodę w

stabilizatorze zwiększy się objętość wody chłodniejszej. Jeżeli zapotrzebowanie na ciepłą

wodę spadnie, to do stabilizatora będzie dopływać woda o odpowiednio wysokiej

temperaturze. W wyniku wyporu termicznego będzie się unosiła do góry, zmniejszając

objętość wody chłodnej. W górnej części zbiornika w czasie całego cyklu woda się nie

ochładza. Zbiornik powinien być „smukły”, tzn. charakteryzować się stosunkiem wysokości

do średnicy większym niż 3. Masę wody zgromadzoną w stabilizatorze temperatury ciepłej

wody można obliczyć z wzoru: [20]:

τ⋅= qm (6.32)

gdzie:

q –zapotrzebowanie na ciepłą wodę miarodajne do doboru wymiennika ciepła, kg/s,

τ – czas przepływu wody przez stabilizator (przy strumieniu dwudziestominutowym):

zalecany czas: 20 minut (1200 s).

Wymagana pojemność stabilizatora jest równa: (ρ – gęstość wody [kg/m3]):

ρ= m

V (6.33)

Stabilizator temperatury może być wykonany ze stali nierdzewnej lub z blachy stalowej

ocynkowanej.

W instalacjach ciepłej wody o dużej nieregularności zapotrzebowania, np. w

zakładach pracy, gdy po zakończeniu zmiany następuje krótkotrwały, wzmożony pobór

ciepłej wody, w celu zmniejszenia szczytowego zapotrzebowania na moc cieplną można

zastosować układy przygotowania z zasobnikiem. W takim przypadku w zasobniku należy

zgromadzić objętość wody odpowiadającą całkowitemu zużyciu (pełna akumulacyjność), a

czas jej podgrzania (czas ładowania zasobnika ciepłej wody) można przyjąć równy

2÷5 godzin. Na rysunku 6.23. pokazano schemat ideowy układu przygotowania ciepłej wody

128

z zasobnikiem ciepła [60]. Rys. 6.24. ilustruje aplikację A217 (A317) z zasobnikiem ciepłej

wody w regulatorze ECL Comfort 210 (310).

Rys. 6.23. Schemat ideowy przygotowania ciepłej wody z zasobnikiem, karta oryginalna [60]

Podstawowe oznaczenia: DTA – zasobnik ciepłej wody, CVS/CVE – zawór regulacyjny, SFV – zawór bezpieczeństwa, HEL – wymiennik ciepła, LPU – pompa ładująca,

Rys. 6.24. Schemat przygotowania ciepłej wody z zasobnikiem, aplikacja ECL Comfort [60]

Moc cieplną wymiennika ciepła określa wzór:

(6.32)

gdzie:

Φload – moc cieplna wymiennika c.w. (moc ładowania zasobnika), kW,

V – objętość wody zasobniku, m3,

( )τ

−⋅ρ⋅=Φ CWDHWpload

ttcV

129

ρ – gęstość wody, kg/m3,

cp – ciepło właściwe wody, kJ/(kg K),

tDHW – temperatura ciepłej wody, oC,

tCW – temperatura wody zimnej, oC,

τ – czas podgrzewania wody (ładowania zasobnika), s.

Strumień masy wody w obiegu ładowania jest równy

τρ= V

mload (6.33)

oznaczenia jak w powyższych wzorach.

Pompa ładująca działa przy stałej charakterystyce hydraulicznej. Strata ciśnienia przy

przepływie wody w zasobniku jest mała w porównaniu do straty ciśnienia w rurociągach.

Zawór równoważący pozwala na precyzyjne ustalenie wydajności pompy. Wydajność pompy

ładującej jest równa strumieniowi objętości wody w obiegu ładowania:

τ= V

Voad (6.34)

Wysokość podnoszenia pompy należy określić na podstawie łącznej straty ciśnienia w

obiegu ładowania:

HEBVloadtotload pppp ∆+∆+∆=∆ (6.6)

gdzie:

∆ptotload – całkowita strata ciśnienia przewodach i armaturze obiegu ładowania, Pa,

∆pBV – strata ciśnienia w zaworze równoważącym, Pa,

∆pHE – strata ciśnienia w wymienniku ciepłej wody, Pa.

Zasady doboru pomp podano w podrozdziale 6.3.

Zasobnik ciepłej wody będzie zwykle urządzeniem podlegającym pod Dozór

Techniczny. Zawór bezpieczeństwa zamontowany w obiegu ładowania powinien mieć

przepustowość zapewniającą ochronę zasobnika ciepłej wody przed wzrostem ciśnienia.

Zasobniki ciepłej wody mogą być stosowane także do podgrzewania wody do celów

130

technologicznych, np. w przemyśle mięsnym lub spożywczym. W budynkach mieszkalnych i

użyteczności publicznej w Polsce zasobniki ciepłej wody są rzadko stosowane.

6.7. Dobór izolacji cieplnej rurociągów i armatury węzła cieplnego

Zadaniem izolacji cieplnej jest ograniczenie strat ciepła elementów węzła cieplnego do

otoczenia. Z uwagi na wyższą temperaturę nośnika ciepła niż otoczenia następuje wymiana

ciepła generująca straty ciepła i obniżenie temperatury wody w przewodach. Na rys. 6.25.

pokazano stosunek strumienia ciepła emitowanego przez nieizolowane i izolowane przewody,

przy temperaturze nośnika ciepła 100 oC i grubości izolacji o wspólczynniku przewodzenia

ciepła λ=0.035 W/(m K), równej w przybliżeniu średnicy wewnętrznej przewodu.

Rys. 6.25. Stosunek strumienia ciepła emitowanego przez przewód nieizolowany i izolowany, przy

grubości izolacji o wspólczynniku przewodzenia ciepła λ=0.035 W/(m K), równej w przybliżeniu średnicy wewnętrznej przewodu

Grubość izolacji wpływa na wielkość strumienia strat ciepła – przy większej grubości

izolacji straty ciepła przewodu są mniejsze. Można zauważyć, że przy zwiększaniu grubości

izolacji ponad pewną wartość, strumień ciepła nadal maleje, ale w coraz mniejszym stopniu.

Z punktu widzenia ekonomii dalsze zwiększanie grubości będzie coraz mniej opłacalne. W

danych realiach ekonomicznych można określić optymalną grubość izolacji, przy której suma

nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji w czasie życia inwestycji będzie

najmniejsza. Na rys. 6.26. zilustrowano zależność strumienia traconego ciepła od grubości

izolacji cieplnej o współczyniku przewodzenia ciepła 0.035 W/(m K), przy temperaturze

nośnika ciepła 100 oC.

6.9 7.410.3

12.8

15.9

19.4

24.5

30.933.2

35.2

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

DN20 DN25 DN32 DN40 DN50 DN65 DN80 DN100 DN125 DN150

131

Rys. 6.26. Zależność strumienia traconego ciepła od grubości izolacji cieplnej

o współczyniku przewodzenia ciepła 0.035 W/(m K), (DN50, tw=100 oC)

Polskie przepisy [55] podają zasady doboru izolacji cieplnej w instalacjach ogrzewania i

ciepłej wody w budynkach. Grubość izolacji powinna być w przybliżeniu równa średnicy

wewnętrznej przewodu, przy współczynniku przewodzenia ciepła izolacji równym

0.035 W/(m K). W rozporządzeniu nie jest zróżnicowana grubość izolacji cieplnej w

przewodzie zasilającym i powrotnym. Węzeł cieplny nie jest częścią instalacji wewnętrznej, a

więc zasady podane w [55] nie muszą być respektowane. Materiałem pomocniczym przy

projektowaniu grubości izolacji w węzłach ciepłowniczych może być norma

(niezharmonizowana, a więc nieobowiązująca) PN-B-02421:2000 ”Ogrzewnictwo i

ciepłownictwo. Izolacja cieplna przewodów, armatury i urządzeń. Wymagania.” [46]. Podano

w niej wymagania dotyczące grubości izolacji w sieciach ciepłowniczych. Przy temperaturze

przesyłanego czynnika niższej niż 135 oC (odpowiada to warunkom panującym w przewodzie

zasilającym obwodów pierwotnych węzła cieplnego) grubość izolacji jest mniejsza niż podają

przepisy rozporządzenia [55] w odniesieniu do instalacji ogrzewania o niższej temperaturze

nośnika ciepła. grubość izolacji, np. przy średnicy nominalnej DN50 grubość izolacji wynosi

40 mm, podczas gdy zgodnie z [55] powinna wynosić 50 mm. Dane prezentuje tabela 6.10.

Autor byłby skłonny raczej do przyjęcia zasad podanych w [55] niż ustaleń normy PN-B-

02421:2000 [46].

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0

dins

132

Tabela 6.10. Minimalna grubość warstwy izolacji właściwej na przewodach sieci ciepłowniczych w podziemnych kanałach nieprzechodnich i w budynkach (wg PN-B-02421) [46]

Dnom Grubość obliczeniowej warstwy izolacji [mm] przy temperaturze przesyłanego czynnika

[mm] do 60 oC 95 oC 135 oC 150 oC 200 oC ≤ 20 15 20 30 35 45 25 15 20 30 35 45 32 15 25 35 40 50 40 15 25 40 40 50 50 20 25 40 45 60 65 20 30 45 50 60 80 25 35 50 55 65 100 25 40 55 60 75 125 30 45 60 65 80 150 35 45 65 70 90 200 40 50 70 75 90 250 40 55 75 80 95

W normie PN EN ISO 12241 „Izolacja cieplna wyposażenia budynków i instalacji

przemysłowych - Zasady obliczania” [47] są podane jedynie procedury obliczeniowe i

generalne zasady projektowania izolacji cieplnej. Norma nie zawiera wytycznych

przyjmowania grubości izolacji. Temperatura powierzchni izolacji nie jest dobrym

wskaźnikiem oceny jakości izolacji – zmienia się w niewielkim stopniu w zależności od

grubości warstw i oporu przewodzenia ciepła. Bardziej miarodajnym wskaźnikiem do oceny

jakości izolacji jest liniowy strumień ciepła tracony przez jednostkę długości przewodu.

Liniowy współczynnik przenikania ciepła w przewodzie z izolacją cieplną można obliczyć z

wzoru (1.41) podanego w rozdziale 1. Do obliczenia współczynnika przejmowania ciepła

można założyć przeciętną prędkość wody w przewodzie 0.5 m/s. Współczynnik

przejmowania ciepła po stronie otoczenia zewnętrznego przyjęto równy 8 W/(m2 K). Straty

ciepła określono przy temperaturze wody w przewodzie zasilającym 120 oC, w przewodzie

powrotnym 65 oC, w instalacji – odpowiednio 70 oC i 50 oC. Przeciętne wartości temperatury

w sezonie grzewczym i w roku będą niższe. W tabeli 6.11. podano proponowaną grubość

izolacji w obwodach pierwotnych i wtórnych węzła cieplnego (w przewodzie zasilającym i

powrotnym), przy współczynniku przewodzenia ciepła 0.035 W/(m K). Grubość izolacji w

obwodach wtórnych będzie odpowiadała wymaganiom [55] jak dla instalacji wewnętrznych

w budynkach. W tabeli 6.11. podano także wielkość strumienia ciepła traconego przez

przewód o długości 1 m. (przy temperaturze otoczenia 20 oC). Przy innej wartości

współczynnika przewodzenia ciepła należy dokonać przeliczenia grubości izolacji, zakładając

ten sam strumień traconego ciepła.

133

Tabela 6.11. Zalecana grubość izolacji przewodów w węzłach cieplnych (propozycja autora)

DN [mm]

di

[mm] tins

[mm] Ul

[W/(m K)] Φ120

[W/m] Φ65

[W/m] Φ70

[W/m] Φ50

[W/m] 20 21.7 20.0 0.36 35.58 16.01 17.79 10.67

25 28.5 20.0 0.41 41.40 18.63 20.70 12.42

32 37.2 30.0 0.38 37.53 16.89 18.77 11.26

40 43.1 40.0 0.34 34.28 15.42 17.14 10.28

50 54.5 50.0 0.34 34.46 15.51 17.23 10.34

65 70.3 60.0 0.36 35.74 16.08 17.87 10.72

80 82.5 80.0 0.33 33.05 14.87 16.52 9.91

100 107.1 100.0 0.34 33.74 15.18 16.87 10.12

125 132.5 100.0 0.38 38.39 17.27 19.19 11.52

150 160.3 100.0 0.44 43.53 19.59 21.77 13.06 tins–grubość izolacji, Ul – liniowy współczynnik przenikania ciepła, Φxx – jednostkowy strumień strat ciepła w przewodzie przy temperaturze nośnika ciepła,

Wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła izolowanego przewodu o każdej

średnicy są do siebie zbliżone.

Wymienniki ciepła są fabrycznie izolowane. Większość pomp obiegowych ma również

izolację cieplną. Nieizolowany zawór traci do otoczenia ciepło równe w przybliżeniu ciepłu

traconemu przez 5÷20 m izolowanego przewodu cieplnego (patrz rys. 6.24, także [10]).

Zawory i filtry nie mają zwykle izolacji fabrycznej. Są na rynku jednak dostępne kształtki

izolacyjne dostosowane do wymiarów armatury. W miejscach zamocowania przewodów i

armatury mogą wystąpić „mostki cieplne”. Przy montażu urządzeń należy, w miarę

możliwości ograniczyć ich wpływ, np. przez zastosowanie podkładek do wsporników i obejm

z materiału o mniejszym współczynniku przewodzenia ciepła. W przeciętnym węźle

cieplnym łączne straty ciepła w szczytowych warunkach zasilania można oszacować na

400÷700 W, co przy mocy węzła 100 kW nie stanowi więcej niż 0.7%. Odpowiada to

sprawności transformacji ciepła równej 99.3%. W przeciętnych warunkach eksploatacji w

sezonie grzewczym poziom strat może być niższy, natomiast w okresie lata, ze względu na

niewielką moc do przygotowania ciepłej wody, względne straty ciepła mogą być wyższe.

134

7. DOBÓR ELEMENTÓW POMIAROWYCH I AUTOMATYCZNEJ REGU LACJI W

WĘŹLE CIEPLNYM

Prawidłowy dobór elementów węzła cieplnego, takich jak wymienniki, pompy, średnice

przewodów, jest warunkiem koniecznym funkcjonowania węzła. Dostosowanie działania

węzła do zmiennych warunków obciążenia, prowadzące do optymalizacji zużycia ciepła i

energii, wymaga prawidłowego doboru elementów automatycznej regulacji w obwodach

ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody i technologii.

Jednym z zadań węzła cieplnego jest pomiar parametrów operacyjnych i zużycia ciepła,

innym – regulacja parametrów operacyjnych węzła. Pierwszy cel realizują elementy

pomiarowe, drugi – elementy automatycznej regulacji. W tym celu węzeł cieplny powinien

być wyposażony w elementy układów pomiarowych: czujniki, przetworniki, rejestratory,

urządzenia zasilające oraz w elementy automatycznej regulacji: zawory regulacyjne, czujniki,

przetworniki, napędy, urządzenia zasilające i pomocnicze. Niektóre z elementów

pomiarowych są obligatoryjne, np. ciepłomierze, inne mogą być wymagane przez

Przedsiębiorstwa Ciepłownicze. Wymagania niewynikające z przepisów powinny być

wyspecyfikowane w formie załącznika do warunków przyłączenia do sieci ciepłowniczej.

Pomiary wielkości fizycznych (parametrów) mogą być:

• bezpośrednie – wykorzystujące zjawiska fizyczne zachodzące w płynach do

przesyłania sygnału i do wywołania ruchu elementów mechanicznych, np.

zjawisko rozszerzalności cieplnej płynów,

• pośrednie – wykorzystujące zjawiska fizyczne do przetwarzania sygnałów, np.

zjawisko przewodności cieplnej do zmiany oporności elementów przewodników

elektrycznych.

Sygnały elektryczne mogą mieć postać prądu (natężenia prądu), napięcia elektrycznego lub

częstotliwości prądu przemiennego. W technice pomiarowej i automatycznej regulacji są

wykorzystywane następujące standardy sygnałów elektrycznych: 0..20 mA, 4..20 mA,

0..10 V, 2-10 V, 0..50 (60) Hz, sygnał 3-punktowy. Zmiana sygnału może być proporcjonalna

do zmiany wielkości fizycznej, może także być bardziej złożona. W technice pomiarów i

automatyczne regulacji wprowadza się oznaczenia literowe (kody), składające się z sekwencji

znaków [59].

Pierwsza litera oznacza mierzony parametr (wielkość fizyczną):

P – ciśnienie,

135

T – temperatura,

F – strumień objętości (przepływ),

Q – ciepło,

L – poziom (np. poziom napełnienia zbiornika).

Druga litera oznacza następujące funkcje:

D – różnica,

F – iloraz,

Q – całkowanie lub sumowanie (zliczanie).

Trzecia litera (i następne) oznacza:

A – sygnalizacja,

B – informacja o stanie,

C – sterowanie automatyczne,

E – czujnik,

H – wartość największa,

I – wskazanie, pomiar miejscowy bezpośredni,

L – wartość najmniejsza,

N– rezerwa,

Q – całkowanie lub sumowanie,

R – rejestracja,

S – przełączanie,

T – przetwarzanie, przekazywanie sygnałów,

U – działanie wielofunkcyjne,

V – zawór, siłownik, element nastawczy,

X – inne działania,

Y – elementy liczące, przekaźniki,

Z – działanie awaryjne, blokada.

Przykładowe oznaczenia:

PI – wskazanie (bezpośredni pomiar) ciśnienia,

TI – wskazanie (bezpośredni pomiar) temperatury,

TC – automatyczna regulacja temperatury,

136

LIAHL – bezpośredni pomiar poziomu + sygnalizacja najniższego i najwyższego poziomu

(np. cieczy lub ciał sypkich),

FQ – sumowanie objętości (całkowanie strumienia objętości w czasie),

QQ – sumowanie zużycia ciepła.

Zastosowanie kodów pozwala na precyzyjne podanie informacji o realizowanych

funkcjach urządzeń pomiarowych i automatycznej regulacji.

7.1. Pomiar temperatury – dobór czujników pomiarowych

W węzłach cieplnych temperatura wody powinna być mierzona we wszystkich

charakterystycznych punktach: w przewodach zasilających i powrotnych obwodów

pierwotnych i wtórnych. Miejsca bezpośredniego pomiaru temperatury pokazano na

schematach ideowych węzłów cieplnych w rozdziale 2.Obecnie coraz rzadziej są stosowane

termometry szklane (rtęciowe lub z innych czynnikiem) – zastępują je termometry tarczowe,

czasem połączone z manometrami lub elektroniczne. Montaż termometrów w punktach, gdzie

temperatura jest mierzona przez przyrządy o działaniu pośrednim (np. przez ciepłomierz lub

czujniki układów automatycznej regulacji) ma charakter kontrolny. Zakres pomiarowy

termometrów do pomiaru temperatury wody w węzłach cieplnych to najczęściej 0..150 oC w

obwodzie pierwotnym (w przewodzie zasilającym i powrotnym) oraz 0..100 oC w obwodzie

wtórnym.

Czujniki temperatury są elementami układów automatycznej regulacji. Temperatura

wody jest regulowana w obwodzie instalacyjnym ogrzewania, wentylacji i technologii oraz w

obwodzie przygotowania ciepłej wody. Dokładność i parametry dynamiczne (stała czasowa)

są dobrane odpowiednio do cech dynamicznych obiektów regulacji. Standardem Danfoss jest

czujnik rezystancyjny Pt1000 o oporze 1000 Ω w temperaturze 0 oC. Zmiana oporu

elektrycznego jest przetwarzana w sygnał kierowany do regulatora w celu dokonania kontroli

uchybu regulacji i przeprowadzenia akcji elementu wykonawczego, np. zaworu regulacyjnego

z siłownikiem. Powierzchniowy czujnik temperatury wody ESM-11 jest przeznaczony do

pomiaru temperatury w metalowych (stal, miedź), przewodzących ciepło przewodach o

średnicy do DN50. Zakres pomiarowy: 0..100 oC, stała czasowa: 3s. Przy większej średnicy i

przy pomiarze temperatury wody w zbiornikach ma zastosowanie czujnik zanurzeniowy

ESMU 100/250 (zakres pomiarowy: 0..140 oC, stała czasowa: 2s). Mała stała czasowa jest

szczególnie wymagana w układzie przygotowania ciepłej wody.

137

W układzie regulacji temperatury w obwodach wtórnych ogrzewania i wentylacji

realizowana jest pętla tzw. kompensacji pogodowej: temperatura wody zasilającej jest

kształtowana w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego. Do pomiaru temperatury

powietrza zewnętrznego służy czujnik ESMT, o zakresie pomiarowym -50..+50 oC i stałej

czasowej 8 minut. Wartość rzeczywistej temperatury powietrza zewnętrznego może być bazą

do wyznaczenia tłumionej temperatury powietrza zewnętrznego (patrz podrozdział 7.8.).

7.2. Pomiar ciśnienia

Ciśnienie wody w przewodach węzła cieplnego jest mierzone w charakterystycznych

punktach: w przewodzie zasilającym i powrotnym w module przyłączeniowym, przed i za

urządzeniami o znacznej stracie ciśnienia, przed i za urządzeniami automatycznej regulacji

różnicy ciśnienia i przepływu, w pobliżu naczyń wzbiorczych i zaworów bezpieczeństwa.

Lokalizację manometrów pokazano na schematach ideowych węzła cieplnego w rozdziale 2.

Zakres pomiarowy manometrów powinien odpowiadać wartości ciśnienia

maksymalnego w obwodach. W obwodzie sieciowym przyjmuje się najczęściej zakres

0..16 bar, wyjątkowo 0..25 bar, w obwodach wtórnych 0..6 bar lub 0..9 bar, np. jeżeli

ciśnienie maksymalne w instalacji jest równe 6 bar. Czujniki ciśnienia mogą być stosowane

w przypadku monitoringu węzła cieplnego albo przy konieczności zdalnego przesyłu sygnału

ciśnienia (różnicy ciśnienia), np. do sterowania działaniem pomp sieciowych w źródle ciepła.

Przesłanie sygnału może następować drogą radiową (niewielki zasięg), za pośrednictwem

protokołów telefonii komórkowej lub siecią komputerową (Internet). Przy przewodowej

transmisji danych mogą być wykorzystane przewody sygnałowe preizolowanych sieci

ciepłowniczych.

7.3. Pomiar objętości i strumienia objętości

Pomiar objętości wody jest prowadzony w celu rozliczeń ubytków wody w instalacji.

Wodomierz zamontowany w przewodzie uzupełniającym mierzy objętość wody sieciowej

wprowadzonej do instalacji wewnętrznej. Nie ma potrzeby pomiaru strumienia objętości.

Typowy zakres pomiarowy przepływomierza w przewodach uzupełniania to 1.5 m3/h. Innym

miejscem pomiaru objętości wody jest przewód wody zimnej – jest mierzona objętość wody

zimnej kierowanej do sekcji przygotowania ciepłej wody. Ten pomiar może służyć do

rozliczeń wewnętrznych administratora budynku z mieszkańcami. Zakres pomiarowy

wodomierza ciepłej wody powinien odpowiadać chwilowej wartości zapotrzebowania na

138

ciepłą wodę q, określonemu zgodnie z PN-EN 806 [41]. Pomiar może także być pomocny

przy oszacowaniu efektywności działania systemu przygotowania ciepłej wody w budynku.

Ciepło zmierzone w ciepłomierzu w okresie lata pozwala na obliczenie zużycia ciepła do

przygotowania 1 m3 ciepłej wody.

Wodomierz dobiera się stosownie do maksymalnego strumienia objętości cieczy w

obwodzie. Parametrem charakterystycznym wodomierza jest przepływ nominalny (nominalny

strumień objętości) Qn. Przepływ nominalny powinien być większy niż maksymalny strumień

objętości cieczy. W krótkich okresach czasu wartość zakresu nominalnego może być

przekroczona, nie więcej jednak niż do dwukrotnej wartości Qn. Przy doborze wodomierza

należy zwrócić uwagę na ciśnienie nominalne i temperaturę pracy, które powinny odpowiadać

warunkom panującym w odpowiednich obwodach węzła cieplnego. Do doboru wodomierza

w przewodzie wody zimnej można przyjąć PN6 i 20 oC, w przewodzie układu uzupełniania

PN16 i 90 oC. Wodomierze do pomiaru wody o podwyższonej temperaturze mają przeważnie

kolor czerwony. W węzłach cieplnych rzadko stosuje się wodomierze ze zdalnym

przekazaniem wskazań – mogą być jednak wymagane przez Przedsiębiorstwo Ciepłownicze.

Wodomierze wyposażone w impulsatory mogą być wpinane przez impulsowe moduły

wejściowe do ciepłomierzy, które obliczają zużycie wody w odpowiednich rejestrach.

Rejestry te mogą być wtedy odczytywane przy odczycie ciepłomierzy, manualnie albo

automatycznie za pośrednictwem systemów telemetrii. Niektóre aplikacje kluczy regulatorów

pogodowych Danfoss ECL 210, 310 umożliwiają podłączenie poprzez wejście czujnikowe

(sygnał impulsowy proporcjonalny do przepływu) wodomierza do pomiaru zużycia zimnej

wody kierowanej do sekcji podgrzewania ciepłej wody. Wodomierze wymagają okresowej

legalizacji.

7.4. Pomiar ciepła

Pomiar zużycia ciepła jest podstawowym pomiarem służącym do rozliczeń między

dostawcą i odbiorcą ciepła. Do tego celu służy główny ciepłomierz, zamontowany w

obwodzie przyłączeniowym węzła cieplnego. Jest on własnością Przedsiębiorstwa

Ciepłowniczego nawet, jeśli pozostałe części węzła należą do administratora budynku.

Ciepłomierz wymaga okresowej legalizacji (co 5 lat).

Drugi ciepłomierz instaluje się zwykle w obwodzie pierwotnym ogrzewania (wentylacji,

technologii). Przedsiębiorstwo Ciepłownicze może wymagać montażu ciepłomierza również

w obwodzie pierwotnym przygotowania ciepłej wody. Z uwagi jednak na dużą

139

nierównomierność dobową zapotrzebowania na moc cieplną do przygotowania ciepłej wody

pomiar zużycia ciepła w tym obwodzie może być obarczony dość dużym błędem. Zwykle

wystarczy zamontować ciepłomierze w obwodach ogrzewania (wentylacji, technologii), a

zużycie ciepła do celów przygotowania ciepłej wody obliczać jako różnicę wskazań

ciepłomierza głównego i pozostałych.

Ciepłomierz składa się z 3 części: przepływomierza (przetwornika przepływu), pary

czujników temperatury oraz układu pomiarowego (przelicznika). Małe ciepłomierze mogą

mieć zblokowaną budowę „compact”. Obecnie w węzłach cieplnych mają zastosowanie

jedynie przepływomierze (przetworniki przepływu) ultradźwiękowe, np. Sonometer 1100

Danfoss. Mają znacznie większą trwałość i dokładność pomiaru niż przepływomierze

wirnikowe, nie są też wrażliwe na zanieczyszczenia unoszące się w wodzie. Przepływomierz-

przetwornik przepływu może być instalowany w przewodzie powrotnym lub zasilającym.

Jeśli nie ma specjalnych wymagań Przedsiębiorstwa Ciepłowniczego, preferowana jest

instalacja w przewodzie powrotnym, gdzie panuje niższa temperatura. Na rys. 7.1. pokazano

schemat pomiaru ciepła. Przepływomierz jest zainstalowany w przewodzie powrotnym sieci

ciepłowniczej. Jeden z czujników temperatury wody może znajdować się wewnątrz

przepływomierza (do 2.5 m3/h). W urządzeniach o większym przepływie nominalnym

czujniki są montowane w przewodach. Podstawowym parametrem doboru przepływomierza

jest nominalny zakres przepływu, oznaczany przez producenta jako qp (czasem jako qn).

Większość mierników przepływu ma 2. klasę pomiarową (największy błąd nie przekracza 2%

nominalnego zakresu przepływu.

Rys. 7.1. Schemat pomiaru ciepła [60]

Poniżej podano kilka charakterystycznych danych ciepłomierza Sonometer 1100: - Zakres dynamiczny pomiaru qmin/qn 1 : 250 (2. klasa.), - Bateria litowa 12 lat, zasilanie 230 V AC albo 24 V AC, - Połączenie kołnierzowe lub gwintowane (PN 16/25) - Zakres temperatury 5÷130/150 °C.

140

Podstawowe dane ciepłomierza zawiera tabela 7.1.

Tabela 7.1. Podstawowe dane ciepłomierza (SonometerTM1100 Danfoss) [60]

Strata ciśnienia w przepływomierzu jest w tabeli podana przy przepływie nominalnym

qp. Współczynnik przepływu można obliczyć z zależności:

p

p

vs q)q(p

1K

∆= (7.1)

gdzie:

Kvs– współczynnik przepływu przepływomierza, m3/h,

qp – nominalny zakres przepływu (przepływ nominalny – nominalny strumień objętości

cieczy), m3/h,

∆p(qp) – strata ciśnienia przy przepływie nominalnym, bar.

W katalogu może być podany bezpośrednio współczynnik przepływu Kvs.

Układ liczący ciepłomierza najczęściej wyświetla następujące dane: - sumę zużycia ciepła, - moc chwilową, - strumień objętości wody, - objętość wody, - temperaturę zasilania, - temperaturę powrotu, - różnicę temperatury, - czas, - stan baterii.

141

Ciepłomierz z przepływomierzem może dodatkowo pełnić rolę czujnika przepływu lub

zużycia ciepła w układzie regulacji, w celu ograniczenia przepływu lub ograniczenia mocy,

np. w regulatorze pogodowym ECL Comfort 210, 310 Danfoss. Podłączenie ciepłomierza

może być wykonane przez układ impulsowy w regulatorze ECL 210 lub przez interfejs M-

Bus w regulatorze ECL 310. Regulator ECL 310 z podłączonym przez złącze M-Bus

ciepłomierzem może pełnić rolę prostego koncentratora podstawowych danych z ciepłomierza

i przesyłać je do systemu zdalnego nadzoru i sterowania (SCADA), np. ECL Portal. Więcej

informacji można uzyskać w Dziale Technicznym Danfoss. W regulatorach pogodowych

ECL Comfort 210, 310 funkcja ograniczenia przepływu lub ograniczenia mocy działa w

całym sezonie grzewczym i przez cały czas działania regulacji ciepłej wody. W obiegu

ogrzewania można ustawić zmienny próg ograniczenia mocy cieplnej, zależny od temperatury

zewnętrznej, a w przypadku ciepłej wody jako wartość stałą. Ogranicznik przepływu lub

mocy ma w regulatorze najwyższy priorytet, realizuje typ regulacji PI (proporcjonalno-

całkujący) i oddziałuje na wartość regulowanej temperatury zasilania (ogrzewania lub ciepłej

wody), zgodnie z wprowadzonymi ustawieniami przez użytkownika, np. Przedsiębiorstwo

Ciepłownicze.

Funkcja ograniczenia przepływu/mocy w regulatorze pogodowym ECL w połączeniu z

ciepłomierzem (z ustawialnym pasmem proporcjonalności i czasem całkowania) jest

alternatywnym rozwiązaniem zastępującym klasyczny ogranicznik przepływu/regulator

przepływu bezpośredniego działania (działanie tylko proporcjonalne ze stałym do danej

wielkości pasmem proporcjonalności).

7.5. Dobór zaworów regulacji temperatury

Zawory regulacji temperatury w obwodach pierwotnych węzła cieplnego mają za

zadanie zapewnienie właściwej temperatury wody w obwodach wtórnych. Ich działanie w

pośredni sposób pozwala na dostosowanie mocy cieplnej węzła cieplnego do aktualnej

wielkości zapotrzebowania na moc cieplną. Układ regulacji ogrzewania w węźle cieplnym

współpracuje z elementami regulacji w instalacji wewnętrznej – zaworami termostatycznymi

przy grzejnikach. Wskutek działania zaworów termostatycznych będzie się zmieniać strumień

masy i temperatura wody powrotnej w instalacji ogrzewania. Zadaniem układu regulacji w

węźle cieplnym jest dostosowanie strumienia masy wody sieciowej (w obwodzie

pierwotnym) do wymaganej mocy cieplnej instalacji wewnętrznej. Zmiana strumienia masy

142

wody w obwodzie pierwotnym powoduje zmianę temperatury wody powracającej do sieci

ciepłowniczej.

W wymiennikowych węzłach cieplnych mają zastosowanie dwudrogowe zawory

regulacyjne (dwa króćce). Trójdrogowe zawory (mieszające lub rozdzielające) mogą być

stosowane w węzłach zmieszania pompowego.

Podstawowym parametrem charakteryzującym zawór pod względem hydraulicznym jest

współczynnik przepływu Kvs. Jego wartość jest podana w katalogu. Kryterium doboru zaworu

regulacyjnego jest autorytet A, określony jako:

tot

v

p

pA

∆∆= (7.2)

gdzie:

A – autorytet zaworu,

∆pv – strata ciśnienia przy przepływie przez zawór (przy pełnym otwarciu),

∆ptot – całkowita strata ciśnienia w obwodzie regulowanym (z uwzględnieniem zaworu

regulacyjnego).

Autorytet zaworu regulacyjnego powinien się mieścić w przedziale 0.3÷0.7 [20, 65, 70].

Optymalną wartością jest 0.5. Najwłaściwszą charakterystyką zaworu regulacyjnego (w

układzie skok-przepływ) jest charakterystyka logarytmiczna (stałoprocentowa, wykładnicza),

przy której złożenie charakterystyki przepływowej zaworu i charakterystyki cieplnej

wymiennika ciepła (w układzie przepływ-moc cieplna) zapewnia liniową (proporcjonalną)

charakterystykę w układzie zmiennych: skok-moc cieplna (patrz charakterystyki

wymienników opisane w rozdziale 1.). W przypadku zaworu regulacyjnego o zbyt małym

autorytecie następuje zniekształcenie charakterystyki obwodu regulacyjnego (skok-przepływ)

ze względu na obecność elementów o charakterystyce kwadratowej (strata ciśnienia w

wymienniku ciepła, przewodach i elementach armatury jest w przybliżeniu proporcjonalna do

drugiej potęgi przepływu). Zawór taki będzie zajmował położenia bliskie całkowitemu

zamknięciu, co wprowadza układ regulacyjny w obszar niestabilności.

Zawór regulacyjny o zbyt dużym autorytecie będzie miał właściwą charakterystykę do

współpracy z wymiennikiem ciepła, ale będzie generował dużą stratę ciśnienia, co wymaga

odpowiednio dużej dyspozycyjnej różnicy ciśnienia w węźle cieplnym. W zaworze

regulacyjnym o zbyt małym autorytecie, przy niewielkim pełnym skoku zaworu, może

wystąpić trudność w ustaleniu czasu przejścia (czas, jaki odpowiada przesunięciu trzpienia od

143

pełnego otwarcia do zamknięcia zaworu) i czasu trwania jednostkowego impulsu, jeśli będą

zastosowane napędy trójpunktowe (AMV). Niewielkie przesunięcie grzyba zaworu może

spowodować zbyt dużą zmianę strumienia objętości nośnika ciepła i zbyt dużą zmianę

wielkości regulowanej, np. temperatury ciepłej wody. Powoduje to efekt astatycznej regulacji

zwany „polowaniem” (hunting). Obydwa przypadki: zbyt małego lub zbyt dużego autorytetu

prowadzą do niepożądanych stanów eksploatacyjnych i mogą być przyczyną przedwczesnego

zużycia zaworów i mechanizmów. Niektóre zawory regulacyjne, np. nowe zawory VM2 i

VB2 Danfoss, mogą mieć charakterystykę kombinowaną (split) – liniową o dwu kątach

nachylenia charakterystyki. Przy niższym (do 30%) stopniu otwarcia charakterystyka jest

bardzo zbliżona do charakterystyki logarytmicznej (wykładniczej), przy większym stopniu

otwarcia zbliża się do charakterystyki liniowej. Pozwala to na dużą precyzję regulacji przy

małym strumieniu objętości i zapewnia właściwą reakcję zaworu na szybkie zmiany

zapotrzebowania na ciepłą wodę. Zawory regulacyjne mogą być montowane przy użyciu

połączeń kołnierzowych lub gwintowanych o odpowiedniej odporności na warunki ciśnienia i

temperatury. Sposób połączenia zaworów może narzucić Przedsiębiorstwo Ciepłownicze.

Zawory regulacyjne Danfoss mają charakterystyki dostosowane do charakterystyki

wymienników ciepła i obwodów regulowanych. Autorytet zaworów, zwłaszcza w obwodzie

przygotowania powinien być jak najwyższy, aby uniknąć oscylacji ciśnienia. Rys. 7.2.

ilustruje typowe bezwymiarowe charakterystyki zaworów regulacyjnych przy różnym profilu:

liniowym, split i wykładniczym.

Rys. 7.2. Typowe bezwymiarowe charakterystyki zaworów regulacyjnych [60],

liniowa, split i wykładnicza

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

względny stopień otwarcia zaworu

wzg

lędn

e kv

144

Skutki doboru zaworu regulacyjnego o zbyt małym autorytecie pokazano na rys. 7.3.,

gdzie zaprezentowano wypadkową charakterystykę obwodu regulowanego (przewody z

armaturą, wymiennik ciepła, zawór regulacyjny) przy różnej wartości autorytetu zaworu

(opracowanie własne).

Rys. 7.3. Wypadkowa charakterystyka przepływowa obwodu regulacyjnego: względny stopień otwarcia zaworu-

względny strumień objętości przy różnej wartości autorytetu zaworu regulacyjnego (opracowanie autora)

Jak widać na rysunku, przy autorytecie mniejszym niż 0.3 wypadkowa charakterystyka

obwodu regulowanego znacznie się różni od charakterystyki zaworu (A=1). Dobór zaworu o

właściwym autorytecie jest niezmiernie ważny – decyduje o prawidłowym funkcjonowaniu

obwodów regulowanych i przesądza o trwałości napędu zaworu. Na stronie internetowej

www.ogrzewanie.danfoss.pl znajduje się program doboru zaworów regulacyjnych wraz z

napędem (siłownikiem). Na rys. 7.4. pokazano przykład doboru zaworu regulacji temperatury.

zawór

A=0.10A=0.30

A=0.50 A=0.70

A=0.90

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

V/Vo

h/ho

zawór

A=0.10

A=0.30

A=0.50

A=0.70

A=0.90

145

Rys. 7.4. Przykład doboru zaworu regulacyjnego za pomocą programu doboru DVS na stronie

www.ogrzewanie.danfoss.pl

Całkowita strata ciśnienia w obwodzie regulowanym) jest obliczana z wzoru:

vHMSTpHEtot pppppp ∆+∆+∆+∆+∆=∆ (7.3)

gdzie:

∆ptot – całkowita strata ciśnienia w obwodzie regulowanym,.

∆pHE – strata ciśnienia w wymienniku ciepła,

∆pp – strata ciśnienia w przewodach (liniowa i miejscowa) obwodu,

∆pST – strata ciśnienia w filtrach (jeśli występują w obwodzie),

∆pHM – strata ciśnienia w ciepłomierzu (jeśli występuje w obwodzie),

∆pv – strata ciśnienia w zaworze (przy pełnym otwarciu).

Straty ciśnienia są określane w oparciu o zasady podane w rozdziale 5.

146

W tabeli 7.2. pokazano najważniejsze parametry zaworów regulacyjnych. Są to: średnica

nominalna (połączenia), skok (przy pełnym otwarciu), zakres regulacji, zakres temperatury

pracy i ciśnienie nominalne. Ważnym parametrem zaworu regulacyjnego jest współczynnik

kawitacji „z”. Z uwagi na niewielką stratę ciśnienia w zaworach regulacji temperatury ma on

mniejsze znaczenie, ma natomiast zasadnicze znaczenie przy doborze zaworu regulacji

różnicy ciśnienia i ograniczenia przepływu. Zostanie to omówione w dalszych

podrozdziałach. Zakres regulacji jest stosunkiem maksymalnego i minimalnego strumienia

objętości (w warunkach stałego spadku ciśnienia), przy którym zawór zachowuje zdolności

regulacji. Tabela prezentuje jedynie część szeregu – są dostępne zawory o większej średnicy i

współczynniku przepływu.

Maksymalna różnica ciśnienia przy zamknięciu zaworu wynosi 16 bar – odpowiada to

warunkom panującym w sieciach ciepłowniczych.

Tabela 7.1. Wybrane dane techniczne zaworów regulacyjnych [60]

147

Zawory regulacyjne są wyposażone w napędy zasilane elektrycznie. Sygnał sterujący

może mieć postać natężenia prądu, np. 0..20 mA (4..20 mA) albo napięcia 0..10 V (2..10 V).

W siłownikach Danfoss AME sterowanych sygnałem analogowym istnieje możliwość

ustawienia rodzaju sygnału (prąd, napięcie), charakterystyki wznoszącej lub opadającej skoku

grzybka od wartości sygnału oraz początkowej wartości sygnału skutecznego (0 lub 2V albo

0 lub 4 mA). Sygnał sterujący napędem zaworu najczęściej zmienia się stosownie do modelu

regulacji PI (proporcjonalno-całkującego) przyjętego w regulatorze W tym modelu regulacji

prędkość zmiany wielkości wyjściowej (sygnału sterującego napędem) jest wprost

proporcjonalna (ze współczynnikiem wzmocnienia) do zmiany (skokowej) wielkości

regulowanej, np. temperatury wody. Model (typ) regulacji PI uzyskuje się np. w cyfrowym

trójstawnym regulatorze krokowym o właściwościach proporcjonalno-całkujących, takim jak

ECL Comfort 210, 310 Danfoss. Na wyjściu regulatora może być sygnał -1, 0, +1 i wtedy jest

on wykorzystany do sterowania zespołów wykonawczych wyposażonych w siłowniki

nawrotne - siłowniki AMV sterowane sygnałem trzypunktowym o wartości napięcia zasilania.

Trzy stany na wyjściu regulatora odpowiadają wówczas ruchowi silnika w jednym i drugim

kierunku oraz stanowi spoczynku. Regulatory te w pętli sprzężenia zwrotnego mają człon o

właściwościach PI. Przebieg wielkości wyjściowej w tych regulatorach ma charakter quasi-

ciągły. Charakterystyka skokowa tego regulatora ma przebieg zbliżony do charakterystyki

regulatora o działaniu ciągłym. Odpowiedzią proporcjonalną takiego regulatora jest

początkowy czas trwania sygnału wyjściowego (napięcia zasilania siłownika do ruchu w

jednym kierunku), którego iloraz w stosunku do czasu przejścia jest w takiej samej proporcji

jak iloraz uchybu regulacji do pasma (zakresu) proporcjonalności. Kolejne impulsy, przez

ustalenie proporcji czasu trwania i przerwy, odwzorowują składową odpowiedzi pochodzącą

od członu całkującego.

Zasilanie napędu musi być dopasowane do napięcia sterującego wysyłanego z

regulatora. Przesunięcie napędu musi być dostosowane do skoku zaworu regulacyjnego.

Napęd może być dodatkowo wyposażony w sprężynę powrotną (tzw. funkcja

bezpieczeństwa), powodującą zamkniecie zaworu przy przekroczeniu granicznych

parametrów operacyjnych, np. przy „przebiciu” wymiennika. Sytuacje takie zdarzają się

niezwykle rzadko, ale Przedsiębiorstwo Ciepłownicze może narzucić konieczność montażu

zaworu regulacyjnego ze sprężyną powrotną. Funkcja awaryjnego zamknięcia wymaga

zastosowania dodatkowych czujników temperatury (STB, STW). W tabeli 7.2. podano

148

wybrane dane techniczne napędów AME, choć standardowym rozwiązaniem regulatorach

ECL Comfort Danfoss jest napęd AMV.

Tabela 7.2. Wybrane dane techniczne napędu AME [60]

Szybkość ruchu wrzeciona powinna być duża przy współpracy zaworów regulacyjnych

z układami regulacji o małej bezwładności: wentylacji i przygotowania ciepłej wody.

Innym rodzajem sygnału sterującego jest sygnał napięciowy trójstawny (trójpunktowy).

Napięcie może być dowolne, najczęściej jest to napięcie zasilania 230 VAC lub 24 VAC.

Działanie napędu trójstawnego można opisać matematyczną funkcją trójwartościową:

“0” – brak akcji,

“+1” – akcja w wybranym kierunku (np. otwieranie zaworu),

“-1” – akcja w odwrotnym kierunku (np. zamykanie zaworu).

Po wykonaniu elementarnej akcji układ regulacyjny analizuje wielkość uchybu regulacji, jeśli

się wystarczająco zmienia, akcja nie jest ponawiana, jeśli zmiana uchybu regulacji jest

niewystarczająca, akcja jest ponawiana. Np. wzrost temperatury wody za wymiennikiem

spowoduje ruch napędu zaworu w kierunku zamknięcia, spadek temperatury, w kierunku

otwarcia. W tym typie napędu nie jest istotna prędkość przesuwu napędu, ale elementarna

zmiana skoku zaworu, związana z czasem trwania impulsu przy danej prędkości przesuwu

napędu. Przesunięcie napędu musi być dobrane w taki sposób do układu regulacyjnego, aby

nie wystąpił efekt „polowania”. Napęd trójstawny stosowany w węzłach ciepłowniczych ma

symbol AMV. W tabeli 7.3.zilustrowano podstawowe techniczne dane tego typu napędu.

149

Tabela 7.3. Wybrane dane techniczne napędu AMV[60]

Przy doborze zaworu trójdrogowego, np. w węzłach zmieszania pompowego lub w

obwodach grzewczych instalacji (wtórnych), należy się kierować wielkością założonej straty

ciśnienia przy przepływie nośnika ciepła przez zawór całkowicie otwarty. Autorytet zaworu

trójdrogowego nie ma znaczenia – należy zapewnić równowagę straty ciśnienia

(charakterystyki hydraulicznej) w obwodzie regulowanym i obejściu (w przypadku zaworu

rozdzielającego) albo w obwodzie regulowanym i przewodzie mieszającym (przy zaworze

łączącym). Zapewni to stopień otwarcia zaworu proporcjonalny do strumienia objętości

nośnika ciepła. Równowagę charakterystyki hydraulicznej można osiągnąć przez montaż

zaworu równoważącego, np. MSVF2 Danfoss. W wymiennikowych węzłach cieplnych

zawory trójdrogowe nie są stosowane.

7.5.1. Dobór zaworu regulacji temperatury w obwodach ogrzewania i wentylacji

Współczesne instalacje ogrzewania są wyposażone w zawory termostatyczne przy

grzejnikach. Zmiana bilansu cieplnego pomieszczenia (zmiana temperatury powietrza

zewnętrznego, występowanie zysków ciepła) powoduje zmianę stopnia otwarcia zaworów

termostatycznych przy grzejnikach. Zmiany temperatury zewnętrznej oddziałują na bilans

cieplny pomieszczenia z dużym opóźnieniem, wewnętrzne i zewnętrzne zyski ciepła- w

krótkim czasie. Zmiana położenia zaworów termostatycznych w budynku powoduje

wypadkową zmianę strumienia masy nośnika ciepła w instalacji wewnętrznej ogrzewania

oraz zmianę temperatury wody dopływającej do wymiennika ciepła. Zadaniem zaworu

regulacyjnego jest dostosowanie strumienia masy wody w obwodzie pierwotnym wymiennika

150

ciepła do zmienionych warunków bilansu cieplnego wymiennika ciepła. Przy przyjętej

powszechnie regulacji nadążnej temperatury wody zasilającej instalację w funkcji

temperatury powietrza zewnętrznego zadaniem układu regulacji jest uzyskanie temperatury

wody za wymiennikiem (zasilającej instalację) zgodnej z wykresem regulacyjnym.

Elementem wprowadzającym bezwładność do pętli regulacji temperatury w instalacji

ogrzewania w obwodzie pierwotnym jest jedynie wymiennik ciepła. Pojemność cieplna

budynku nie stanowi elementu tego bloku regulacji – jest elementem bloku regulacji

temperatury w ogrzewanych pomieszczeniach, realizowanej przez zawory termostatyczne.

Tak więc prędkość działania napędu zaworu nie musi być mała. Uzyskanie dokładnej

regulacji temperatury wody zasilającej wymagałoby „szybkiego” napędu, jednak nie jest to

konieczne ze względu na cechy dynamiczne budynku jako bloku regulacji. Przy znacznej

pojemności cieplnej konstrukcji budynku niedokładna regulacja temperatury zasilania nie

spowoduje widocznych skutków niedotrzymania temperatury w ogrzewanych

pomieszczeniach. Stąd, napęd do układów regulacji temperatury w instalacji ogrzewania

może być wolny.

Na rys. 7.5. pokazano schemat regulacji temperatury w obwodzie ogrzewania.

Rys. 7.5. Schemat układu regulacji temperatury w obwodzie ogrzewania [60]

W instalacjach wentylacyjnych (podgrzewania powietrza do celów wentylacji i

klimatyzacji) w układzie regulacji temperatury nie występuje żaden element

bezwładnościowy. Powietrze nie ma dużej pojemności cieplnej, zmiana temperatury

powietrza nawiewanego do pomieszczeń wentylowanych może być odczuwalna w bardzo

151

krótkim czasie (kilka, kilkanaście sekund). Z tego powodu do obwodów wentylacji powinny

być stosowane napędy o krótkim czasie działania. Prędkość przesuwu napędu w katalogach

podawana jest odwrotnie: jako czas przejścia 1 mm drogi, np. 3 s/mm lub 15 s/mm. Pierwszy

napęd jest szybszy. W tabeli 7.4. zestawiono typ napędu (siłownika) odpowiednio do

wielkości zaworów regulacyjnych w obwodzie ogrzewania, w tabeli 7.5. w obwodzie

wentylacji.

Tabela 7.4. Dobór siłowników do zaworów w obwodzie ogrzewania [60]

Typ zaworu Kvs [m3/h] Typ siłownika

Czas przesuwu [s/mm]

VM2 0.40 AMV13/230V 14

VM2 0.63 AMV13/230V 14

VM2 1.00 AMV13/230V 14

VM2 1.60 AMV13/230V 14

VM2 2.50 AMV13/230V 14

VM2 4.00 AMV13/230V 14

VM2 6.30 AMV13/230V 14

VM2 10 AMV23/230V 15

VB2 16 AMV23/230V 15

VFM2 20 AMV658SD/230V 15

VB2 25 AMV23/230V 15

VFM2 32 AMV658SD/230V 15

VB2 40 AMV23/230V 15

VFM2 50 AMV658SD/230V 15

VFM2 63 AMV658SD/230V 15

VFM2 100 AMV658SD/230V 15

VFM2 160 AMV658SD/230V 15

VFM2 250 AMV658SD/230V 15

Tabela 7.5. Dobór siłowników do zaworów w obwodzie wentylacji [60]

Typ zaworu Kvs [m3/h] Typ siłownika

Czas przesuwu [s/mm]

VM2 0.40 AMV33/230V 3

VM2 0.63 AMV33/230V 3

VM2 1.00 AMV33/230V 3

VM2 1.60 AMV33/230V 3

VM2 2.50 AMV33/230V 3

VM2 4.00 AMV33/230V 3

VM2 6.30 AMV33/230V 3

VM2 10 AMV33/230V 3

VB2 16 AMV33/230V 3

VFM2 20 AMV658SD/230V 4

VB2 25 AMV33/230V 4

VFM2 32 AMV658SD/230V 4

VB2 40 AMV33/230V 3

VFM2 50 AMV658SD/230V 4

VFM2 63 AMV658SD/230V 4

VFM2 100 AMV658SD/230V 4

VFM2 160 AMV658SD/230V 4

VFM2 250 AMV658SD/230V 4

152

7.5.1. Dobór zaworu regulacji temperatury w obwodzie przygotowania ciepłej wody

W instalacji przygotowania ciepłej wody prawie nie występuje bezwładność cieplna –

pojemność wodna współcześnie stosowanych wymienników ciepła jest bardzo mała. Dlatego

do zaworu regulacyjnego należy dobrać siłownik (napęd) o dużej prędkości przesuwu

wrzeciona, aby można było uzyskać właściwą jakość regulacji temperatury ciepłej wody. Przy

projektowaniu układu przygotowania ciepłej wody ze stabilizatorem moc cieplna wymiennika

ciepła jest mniejsza niż wynikająca z pokrycia szczytowego zapotrzebowania naciepłą wodę,

wyznaczonego zgodnie z PN-EN 806. Wówczas w czasie szczytowego poboru wody ciepłej

zawór regulacyjny pozostaje w maksymalnym stopniu otwarcia, a w układzie regulacji

występuje stały uchyb regulacji. W węzłach cieplnych z priorytetem ciepłej wody,

realizowanym przez regulatory ECL 210 i ECL 310, zmniejszenie strumienia nośnika ciepła

w obwodzie ogrzewania prowadzi do zmniejszenia uchybu regulacji temperatury ciepłej

wody (patrz 4.5). Na rys. 7.6. pokazano schemat ideowy układu regulacji temperatury ciepłej

wody w węźle cieplnym (łącznie z układem regulacji temperatury w instalacji ogrzewania), w

tabeli 7.6. zestawiono zawory regulacyjne do ciepłej wody z siłownikami.

Rys. 7.6. Schemat ideowy regulacji temperatury ciepłej wody [60]

153

Tabela 7.6. Dobór siłowników do zaworów w obwodzie przygotowania ciepłej wody [60]

Typ zaworu Kvs [m3/h] Typ siłownika

Czas przesuwu [s/mm]

VM2 0.40 AMV33/230V 3

VM2 0.63 AMV33/230V 3

VM2 1.00 AMV33/230V 3

VM2 1.60 AMV33/230V 3

VM2 2.50 AMV33/230V 3

VM2 4.00 AMV33/230V 3

VM2 6.30 AMV33/230V 3

VM2 10 AMV33/230V 3

VB2 16 AMV33/230V 3

VFM2 20 AMV658SD/230V 4

VB2 25 AMV33/230V 4

VFM2 32 AMV658SD/230V 4

VB2 40 AMV33/230V 3

VFM2 50 AMV658SD/230V 4

VFM2 63 AMV658SD/230V 4

VFM2 100 AMV658SD/230V 4

VFM2 160 AMV658SD/230V 4

VFM2 250 AMV658SD/230V 4

7.6. Dobór zaworu regulacji różnicy ciśnienia i ograniczenia przepływu

Zadaniem zaworów regulacji temperatury jest zapewnienie właściwych wartości

temperatury w obwodach regulowanych ogrzewania, wentylacji, technologii i przygotowania

ciepłej wody. Obliczenie hydrauliczne obwodów pierwotnych przeprowadza się przy

założeniu odpowiedniej wartości strumienia masy nośnika ciepła w każdym obwodzie.

Strumień masy w obwodzie wspólnym (przyłączeniowym) w węźle bez priorytetu ciepłej

wody jest sumą strumieni masy w poszczególnych obwodach, w węźle z priorytetem ciepłej

wody jest mniejszy. Przyjęcie strumienia masy nośnika ciepła w obwodzie przyłączeniowym

pozwala na wyznaczenie straty ciśnienia w całym węźle cieplnym, tzw. dyspozycyjnej

różnicy ciśnienia. Dyspozycyjna różnica ciśnienia powinna być stała, aby zmiany ciśnienia w

sieci i skutki współdziałania z innymi węzłami nie zakłócały działania węzła cieplnego. W

prawidłowo zaprojektowanym węźle cieplnym istnieje zależność między dyspozycyjną

różnicą ciśnienia a strumieniem masy nośnika ciepła. Utrzymanie stałej dyspozycyjnej

różnicy ciśnienia w obwodach pierwotnych węzła cieplnego jest zadaniem zaworu

regulacyjnego różnicy ciśnienia. Zawory regulacji różnicy ciśnienia mogą pełnić dodatkową

funkcję ograniczenia przepływu. Na rys. 7.7. pokazano budowę zaworu regulacji różnicy

ciśnienia AVP (ze zmienną nastawą różnicy ciśnienia) i AVP-F (ze stałą nastawą różnicy

ciśnienia).

154

Rys. 7.7. Zawór regulacji różnicy ciśnienia i ograniczenia przepływu AVP, wykonanie PN25 [60]

Przewody (rurki) impulsowe ciśnienia z przewodu zasilającego i powrotnego są

włączone, odpowiednio – pod membranę i nad membranę. Zmiana różnicy ciśnienia

powoduje ruch membrany, przesuniecie wrzeciona zaworu i zmianę położenia grzybka

zaworu. Zmiana straty ciśnienia przy przepływie przez gniazdo zaworu prowadzi do

utrzymania stałej różnicy ciśnienia nad i pod membraną. Na rys. 7.8. zilustrowano schemat

ideowy regulacji różnicy ciśnienia.

Rys. 7.8. Schemat ideowy regulacji różnicy ciśnienia w węźle cieplnym [60]

155

Wlot przewodu impulsowego w przewodzie powrotnym jest wykonany jako kanał

impulsowy (otwory) wewnątrz zaworu regulacyjnego. W tabeli 7.7. podano charakterystyczne

dane techniczne zaworów regulacji różnicy ciśnienia AVP i AVP-F.

Tabela 7.7. Dane techniczne zaworów różnicy ciśnienia AVPi AVP-F [60]

Doboru zaworu dokonuje się na podstawie:

• wymaganego zakresu regulacji różnicy ciśnienia,

• założonej straty ciśnienia przy przepływie przez zawór.

Kryterium autorytetu w przypadku zaworu regulacji różnicy ciśnienia nie ma

zastosowania. Założona strata ciśnienia jest zależna od układu ciśnienia w sieci ciepłowniczej.

Zwykle przyjmuje się ją w przedziale 20÷50 kPa. Stratę ciśnienia w zaworze oblicza się z

wzoru:

2

vsdP

K

V

1000p

ρ=∆ (7.1)

gdzie:

∆pdP– strata ciśnienia w zaworze regulacji różnicy ciśnienia (przy pełnym otwarciu),

156

ρ – gęstość wody, kg/m3,

Kvs – współczynnik przepływu zaworu, m3/h,

V – strumień objętości wody, m3/h.

Obliczenie wymaganego współczynnika przepływu i dobór zaworu można

przeprowadzić za pomocą programu SAC dostępnego na stronie internetowej

www.ogrzewanie.danfoss.pl. N rys. 7.9. pokazano dobór zaworu regulacji różnicy ciśnienia za

pomocą programu SAC.

Rys. 7.9. Przykład doboru regulatora różnicy ciśnienia i przepływu za pomocą programu doboru SAC na stronie www.ogrzewanie.danfoss.pl

157

Zawór regulacji różnicy ciśnienia może być wyposażony w ogranicznik przepływu.

Zawory z ograniczeniem przepływu są stosowane chętnie przez Przedsiębiorstwa

Ciepłownicze, albowiem dają gwarancję nieprzekroczenia strumienia objętości nośnika ciepła

wynikającego z przyjętej mocy zamówionej. Jednym z urządzeń pozwalających na

ograniczenie przepływu z jednoczesną regulacją różnicy ciśnienia jest regulator AFPB/VFQ2.

Jego budowę pokazano na rys. 7.10. Regulator jest produkowany do montażu wyłącznie w

przewodzie powrotnym. Zamontowanie regulatora w przewodzie zasilającym jest błędne,

ponieważ dławik nie znajdzie się w obwodzie regulowanym stałej różnicy ciśnienia.

Rys. 7.10. Budowa regulatora różnicy ciśnienia i ograniczenia przepływu AFPB/VFQ2 [60]

Zawór jest wyposażony w nastawny element dławiący o zakładanej stracie ciśnienia

0.1 bar, 0.2 bar lub 0.5 bar. Podstawowe dane techniczne zaworów regulacyjnych

AFPB/VFQ2 podano w tabeli 7.8.

Tabela 7.8. Dane techniczne wybranych regulatorów różnicy ciśnienia i ograniczenia przepływu AFPB/VFQ2 [60]

158

c.d. Tabeli 7.8.

W przypadku zaworów regulacji różnicy ciśnienia z ograniczeniem przepływu

parametry doboru są następujące:

• zakres regulowanej różnicy ciśnienia,

• zakres przepływu (strumienia objętości nośnika ciepła), zależny od przyjętej

projektowanej wartości straty ciśnienia w dławiku.

Sposób montażu zaworu jest identyczny, jak pokazano na rys. 7.8. Element

ograniczający przepływ w tego typu regulatorze ma działanie statyczne. Dławik nastawnika

przepływu jest elementem umożliwiającym zmianę charakterystyki hydraulicznej obwodu

objętego regulacją różnicy ciśnienia.

Dynamiczne ograniczenie przepływu jest możliwe przy zastosowaniu regulatora różnicy

ciśnienia i przepływu typu AFPQ/VFQ2 (montaż w przewodzie powrotnym) i AFPQ4/VFQ2

(montaż w przewodzie zasilającym). Jego budowę pokazano na rys. 7.11. Różnica działania w

stosunku do regulatora AVPB polega na połączeniu przestrzeni górnej membrany

przewodami impulsowymi z przestrzenią przed i za elementem dławiącym o stałej stracie

ciśnienia. Przekroczenie wartości nastawionej przepływu (strumienia objętości) powoduje

przekazanie impulsu różnicy ciśnienia i ruch membrany w kierunku zamykania zaworu.

159

Rys. 7.11. Budowa regulatora różnicy ciśnienia i ograniczenia przepływu AFPQ/AFPQ4 [60]

W tabeli 7.9. zamieszczono podstawowe dane techniczne regulatorów różnicy ciśnienia i

przepływu typu AFPQ/VFQ2 i AFPQ4/VFQ2.

Tabela 7.9. Dane techniczne wybranych zaworów regulacji różnicy ciśnienia i przepływu

AFPQ/VFQ2 i AFPQ4/VFQ2[60]

160

c.d Tabeli 7.9

Parametry doboru regulatora są następujące:

• zakres regulowanej różnicy ciśnienia,

• zakres przepływu (strumienia objętości nośnika ciepła), zależny od stałej wartości

oporu dławika.

Pozostałe parametry robocze (temperatura, ciśnienie) odpowiadają przeciętnym warunkom

panującym w sieciach ciepłowniczych. Stratę ciśnienia w zaworze regulacji różnicy ciśnienia

i ograniczenia przepływu wyznacza się z wzoru:

FR

2

vsVdP p

K

V

1000p ∆+

ρ=∆ + (7.2)

gdzie:

∆pdP+V – strata ciśnienia w zaworze regulacji ciśnienia (przy pełnym otwarciu),

∆pFR – stała strata ciśnienia w elemencie o stałym oporze (dławiku),

ρ – gęstość wody, kg/m3,

Kvs – współczynnik przepływu zaworu, m3/h,

V – strumień objętości cieczy, m3/h.

Na rys. 7.12. pokazano schemat ideowy regulacji różnicy ciśnienia i przepływu w przypadku

montażu w przewodzie powrotnym i zasilającym. Czujnik ciśnienia w przewodzie, w którym

jest zamontowany zawór, znajduje się wewnątrz korpusu zaworu.

161

Rys. 7.12. Schemat ideowy regulacji różnicy ciśnienia i ograniczenia przepływu w węźle cieplnym: po lewej

montaż w przewodzie zasilającym, po prawej – montaż w przewodzie powrotnym [60]

Strata ciśnienia w zaworze wraz z elementem dławiącym jest zwykle przyjmowana w

przedziale 30÷50 kPa, w zależności od dyspozycyjnej różnicy ciśnienia w sieci ciepłowniczej

w miejscu włączenia węzła cieplnego. Miejsce montażu (zasilenie lub powrót) może być

narzucone przez Przedsiębiorstwo Ciepłownicze. Jeśli nie ma specjalnych wymagań, zaleca

się montaż regulatora w przewodzie powrotnym. Wielkość nastawy ograniczenia przepływu

ustala się przez wykonanie określonej liczby obrotów nastawnika przepływu od pozycji

pełnego zamknięcia (styku grzybka z gniazdem). Ilustruje to nomogram pokazany na rys.

7.13.

Rys. 7.13. Nomogram do ustalenia nastawy ograniczenia przepływu w regulatorze AFPQ [60]

162

Wartość nastawy regulowanej różnicy ciśnienia oblicza się z wzoru:

( ) cctventDHWshset pppMAXp ∆+∆∆∆∆=∆ ,,, (7.3)

gdzie:

∆pset – nastawa różnicy ciśnienia (między punktami włączenia przewodów impulsowych),

∆psh – strata ciśnienia w obwodzie pierwotnym ogrzewania,

∆pDHW – strata ciśnienia w obwodzie pierwotnym przygotowania ciepłej wody,

∆pvent – strata ciśnienia w obwodzie pierwotnym wentylacji,

∆pt– strata ciśnienia w obwodzie pierwotnym technologii,

∆pcc – strata ciśnienia w części obwodu przyłączeniowego znajdującej się między punktami

wpięcia rurek impulsowych od dolnego siłownika membranowego, równa

HMSTpcc pppp ∆+∆+∆=∆ (7.4)

gdzie:

∆pp – strata ciśnienia w przewodach i armaturze (liniowa i miejscowa),

∆pST – strata ciśnienia w filtrach,

∆pHM – strata ciśnienia w przepływomierzu ciepłomierza.

Jeśli filtry i przepływomierz znajdują się poza pętlą regulacji różnicy ciśnienia, nie są

uwzględniane w obliczeniu wartości regulowanej różnicy ciśnienia. Straty ciśnienia należy w

każdym obwodzie obliczyć jako sumę straty liniowej i strat miejscowych, zgodnie z zasadami

podanymi w rozdziale 5.

Wartość nastawy różnicy ciśnienia powinna zawierać się w zakresie nastawy podanej w

katalogu urządzenia. Typową nastawą w niewielkich węzłach jest 0.1÷0.5 bar, w większych

regulatorach 0.2÷1.0 bar lub 0.15÷1.5 bar. Przy doborze zaworu należy sprawdzić, czy

strumień objętości nośnika ciepła mieści się w granicach określonych w katalogu Vmin i Vmax.

Przekroczenie wartości maksymalnej spowoduje utratę zdolności ograniczenia przepływu. W

ofercie Danfoss znajdują się regulatory bezpośredniego działania typu PCV o większym

zakresie regulacji. Mogą mieć zastosowanie w węzłach o dużej mocy i do regulacji różnicy

ciśnienia w odgałęzieniach sieci ciepłowniczych.

Ważnym parametrem zaworu regulacji różnicy ciśnienia (także z funkcją ograniczenia

przepływu) jest współczynnik kawitacji „z”. Wyraża on stosunek trwałej różnicy ciśnienia

163

przed i za zaworem do różnicy maksymalnej, równej różnicy ciśnienia przed zaworem i w

przewężeniu przepływu. Zagadnienie zostanie omówione w następnym podrozdziale w

kontekście współpracy węzła cieplnego z siecią ciepłowniczą, zwłaszcza siecią o znacznej

rozległości. Zawory o dużej średnicy charakteryzują się niewielką wartością współczynnika

kawitacji – należy o tym pamiętać przy projektowaniu węzłów cieplnych o dużej mocy.

Poniżej podano przykład wyspecyfikowanych parametrów dobranego regulatora różnicy

ciśnienia i ograniczenia przepływu.

1. typ: AVPQ (montaż w przewodzie powrotnym),

2. średnica nominalna: DN25,

3. współczynnik przepływu: Kvs=8 m3/h,

4. zakres przepływu: 0.1÷6 m3/h,

5. strata ciśnienia w dławiku: 0.2 bar,

6. współczynnik kawitacji: 0.6,

7. ciśnienie nominalne: PN25,

8. maksymalna różnica ciśnienia (przed i za zaworem): 12 bar,

9. zakres nastawy regulowanej różnicy ciśnienia: 0.2÷1 bar,

10. Zakres temperatury wody: 2..150 oC.

Jeżeli maksymalny strumień objętości nośnik a ciepła w węźle będzie równy 2.4 m3/h – należy

wykonać 4.2 obrotu nastawnika przepływu od pozycji pełnego zamknięcia. (Rys. 7.12.)

7.7. Możliwości zapobiegania kawitacji i oscylacji ciśnienia w systemie ciepłowniczym

Kawitacja jest zjawiskiem fizycznym występującym w przewodach transportujących

ciecz, polegającym na odparowaniu cieczy wskutek obniżenia ciśnienia poniżej wartości

ciśnienia nasycenia w danej temperaturze. Równanie Bernoulliego w odniesieniu do cieczy

idealnej (pozbawionej lepkości) wyraża równość sumy ciśnienia statycznego, ciśnienia

dynamicznego i ciśnienia hydrostatycznego (ciśnienie słupa wody o danej wysokości) w

dwóch przekrojach strumienia cieczy [25]:

gz2

vpgz

2

vp 22

222

211

211

1 ⋅⋅ρ+ρ+=⋅⋅ρ+ρ+ (7.5)

gdzie:

p1,2 – ciśnienie statyczne w przekroju 1 i2,

v1,2 – prędkość przepływu w przekroju 1 i2,

z1,2 – wysokość geometryczna osi przewodu w przekroju 1 i2,

164

ρ1,2 – gęstość cieczy, kg/m3, odpowiednio,

g – przyspieszenie ziemskie, równe, 9.80665 m/s2.

W przypadku cieczy rzeczywistej (lepkiej) prawą stronę równania należy uzupełnić o

składnik miejscowej straty ciśnienia:

2

vKgz

2

vpgz

2

vp

222

22

222

211

211

1ρ+⋅⋅ρ+ρ+=⋅⋅ρ+ρ+ (7.6)

gdzie:

K – współczynnik strat miejscowych. W przewodzie poziomym, przy stałej temperaturze (gęstości) cieczy wzór przyjmuje

postać:

( )2

vK1p

2

vp

22

2

21

1ρ

++=ρ

+ (7.7)

po przekształceniach:

( )2

vK1

2

vpp

22

21

12ρ

+−ρ

+= (7.8)

Wzór (7.8) określa minimalną wartość ciśnienia wewnątrz elementu regulacji przy

znanej wartości współczynnika strat miejscowych. Rys. 7.14. przedstawia wykres ciśnienia

statycznego w przewężeniu przekroju przepływu cieczy.

Rys. 7.14. Wykres ciśnienia statycznego w przewężeniu przekroju

Na rys. 7.15. zilustrowano warunki wystąpienia kawitacji w zależności od ciśnienia

przed zaworem, różnicy ciśnienia i współczynnika kawitacji zaworu.

165

Rys. 7.15. Warunki wystąpienia kawitacji w zależności od ciśnienia przed zaworem, różnicy ciśnienia i

współczynnika kawitacji zaworu – wykres oryg. [60, 39a]

Zjawisko przewężenia strumienia ma miejsce w zaworach regulacyjnych. Współczynnik

kawitacji jest zdefiniowany (oznaczenia na rys. 7.14.) jako:

min1

21

pp

ppz

−−= (7.9)

gdzie:

p1 – ciśnienie przed zaworem,

p2 – ciśnienie za zaworem,

pmin – minimalne ciśnienie w przewężeniu przekroju.

W tabeli 7.7. podano wyniki obliczeń minimalnego ciśnienia w przewężeniu przekroju

zaworu, przy założeniu ciśnienia przed i za zaworem (trwałej starty ciśnienia) w zależności od

współczynnika kawitacji. Zawór regulacyjny powinien być tak dobrany, aby najmniejsze

ciśnienie było większe niż ciśnienie nasycenia pary wodnej w danej temperaturze.

Tabela 7.10. Obliczenie minimalnego ciśnienia (nadciśnienia) w przewężeniu przekroju przy danym

współczynniku kawitacji zaworu i ciśnieniu (nadciśnieniu) przed i za zaworem

Współczynnik kawitacji z=0.6 z=0.5 z=0.2

p1 [bar] 6.00 6.00 6.00

p2 [bar] 5.00 4.00 3.00 2.00 5.00 4.00 3.00 2.00 5.00 4.00 3.00 2.00

pmin[bar] 4.33 2.67 1.00 kaw. 4.00 2.00 kaw. kaw. 1.00 kaw. kaw. kaw.

kaw. – kawitacja w temperaturze 20 oC

Limit for Cavitation

0123456789

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Pressure (P 1) before the valve (Bar)

dPv

(P1-

P2)

acr

oss

the

valv

e (B

ar)

T = 100 °C

T = 55 °C

T = 100 °C

T = 55 °C

z = 0,6

z = 0,5

No risk of cavitation

Risk of cavitation

166

Jak widać w tabeli 7.10., kawitacja może wystąpić nawet w przeciętnych warunkach

ciśnienia w sieci ciepłowniczej, np. przy współczynniku kawitacji 0.2 (duże węzły cieplne)

strata ciśnienia 2 bar w zaworze regulacyjnym spowoduje kawitację. Przy dużej

dyspozycyjnej różnicy ciśnienia w przewodzie zasilającym i powrotnym sieci ciepłowniczej

kawitacja może nastąpić nawet przy niskiej temperaturze nośnika ciepła. Ciśnienie nasycenia

pary wodnej w zależności od temperatury podano w tabeli 7.11. [68].

Tabela 7.11. Ciśnienie nasycenia pary wodnej w zależności od temperatury [68]

t [oC] pabs [bar] 10 0.0120 20 0.0230 30 0.0420 40 0.0740 50 0.1230 60 0.1990 70 0.3110 80 0.4730 90 0.7010

100 1.0130 110 1.4320 120 1.9850 130 2.7000

Zawory regulacji różnicy ciśnienia są dobierane przy stracie ciśnienia przeciętnie w

przedziale 20÷50 kPa przy całkowitym otwarciu. Utrzymanie stałej różnicy ciśnienia w węźle

cieplnym (wewnątrz) przy większej różnicy ciśnienia w sieci ciepłowniczej niż wymagane do

pracy węzła będzie wymagało obniżenia ciśnienia, co zostanie osiągnięte w wyniku

przymknięcia zaworu. Przy dużej nadwyżce różnicy ciśnienia zawór regulacyjny będzie w

położeniu prawie zamkniętym, co w znacznym stopniu spowoduje ryzyko wystąpienia

kawitacji. Mechanizm zaworu regulacji różnicy ciśnienia przy wystąpieniu kawitacji w

postaci „chmury” pary wodnej pod grzybem nie napotyka na opór cieczy (ośrodka

sprężystego) i może podlegać niekontrolowanym przesunięciom. Zawór może się całkowicie

zamknąć, powodując nagłe zmiany ciśnienia. Po chwili zawór się otworzy w wyniku

działania różnicy ciśnienia na membranę i sytuacja się powtórzy. Nie jest właściwym

rozwiązaniem montaż szeregowy dwóch zaworów regulacji różnicy ciśnienia (nawet jednego

w przewodzie zasilającym i drugiego w przewodzie powrotnym) ze względu na możliwość

wystąpienia oscylacji ciśnienia w wyniku ich współdziałania. Nie jest zalecane w celu

uniknięcia kawitacji stosowanie zaworów redukcyjnych, gdyż zawory redukcyjne (reduktory

167

ciśnienia) ustalają ciśnienie w przewodzie względem ciśnienia atmosferycznego, co w

przypadku sieci ciepłowniczej o zmiennym układzie ciśnienia (zwłaszcza w obszarze poza

punktem załamania wykresu regulacyjnego) może prowadzić do zakłócenia przepływu (w

sieci tworzą się punkty stałego – względem próżni – ciśnienia). Oscylację ciśnienia można

ograniczyć spowolniając działanie regulatorów różnicy ciśnienia, np. przy zastosowaniu

zaworów z siłownikami elektrycznymi i czujników (przetworników ciśnienia) w przewodach

węzła cieplnego. W węzłach cieplnych o dużej nadwyżce dyspozycyjnej różnicy ciśnienia

można w miejsce zaworu odcinającego zastosować zawór dławiący NavalTrim, którego

współczynnik kawitacji wynosi 1. Wykres ciśnienia powinien być starannie przeanalizowany

pod kątem ryzyka wystąpienia kawitacji, zwłaszcza w systemach o znacznej rozległości i

dużej różnicy wysokości terenu (tereny górskie, okolice Zatoki Gdańskiej, itp.)

W rozległych sieciach ciepłowniczych problem nadmiernego ciśnienia dyspozycyjnego

może wystąpić w początkowych odcinkach sieci, leżących blisko źródła ciepła. Może jednak

także pojawić się we fragmentach bardziej odległych, jeżeli – przy stałej wysokości ciśnienia

pomp sieciowych w źródle – nastąpi zmniejszenie przepływu w sieci. W sieci ciepłowniczej

ze zautomatyzowanymi węzłami ciepłowniczymi strumień nośnika ciepła nie jest

kształtowany w źródle – jest wynikiem położenia zaworów regulacyjnych regulacji

temperatury w obwodach pierwotnych ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody.

Rys. 7.16. ilustruje wykres ciśnienia w sieci ciepłowniczej przy stałej różnicy ciśnienia w

źródle, przy przepływie obliczeniowym (ps1i pr1) i przepływie równym 50% wartości

obliczeniowej (ps2i pr21) [20]. Obniżenie przepływu występuje powszechnie poza punktem

załamania wykresu regulacyjnego, szczególnie w początku i końcu sezonu grzewczego, gdy

w budynkach ogrzewanych występują zyski ciepła.

Jak można zauważyć na wykresie, dyspozycyjna różnica w najdalszym węźle sieci

ciepłowniczej wzrosła ze 120 kPa do 860 kPa. Ciśnienie w zaworze regulacyjnym musi być

zmniejszone o ok. 8 bar, co w każdych warunkach wywoła kawitację. Utrzymanie stałej

różnicy ciśnienia w źródle ciepła nie jest dobrym rozwiązaniem, także ze względu na

konieczność ponoszenia wysokich kosztów pompowania nośnika ciepła, nawet jeżeli pompy

sieciowe będą wyposażone w przemienniki częstotliwości (falowniki). Moc teoretyczna

pompowania jest wprost proporcjonalna do iloczynu strumienia objętości i różnicy ciśnienia

nośnika ciepła.

168

Rys. 7.16. Wykres ciśnienia w sieci ciepłowniczej przy stałej różnicy ciśnienia w źródle, przy przepływie

obliczeniowym i przepływie równym 50% wartości obliczeniowej [20]

Układ regulacji różnicy ciśnienia w źródle powinien zapewnić odpowiednią wartość

dyspozycyjnej różnicy ciśnienia w najmniej korzystnie położonym węźle cieplnym

(najczęściej najdalszym). Jest to optymalny parametr regulacji, prowadzący do uzyskania

minimum energii pompowania nośnika ciepła.

Rys 7.17. Wykres ciśnienia w sieci ciepłowniczej przy zmiennej (regulowanej) różnicy ciśnienia w źródle, przy

przepływie obliczeniowym i przepływie równym 50% wartości obliczeniowej [20]

ps1

pr1

ps2

pr2

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

odległość [m]

p

ps1

pr1

ps2

pr2

ps1

pr1

ps2

pr2

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

odległość [m]

p

ps1

pr1

ps2

pr2

169

Wykres ciśnienia przy założeniu regulacji różnicy ciśnienia w źródle w zależności od

wymaganego ciśnienia dyspozycyjnego w najmniej korzystnie położonym węźle cieplnym

pokazano na rys. 7.17. Sygnał różnicy ciśnienia może być przekazany za pośrednictwem

systemu telemetrii z jednego lub kilku węzłów o newralgicznym położeniu. Obok

oczywistych oszczędności zużycia energii do pompowania nośnika ciepła układ ten

praktycznie eliminuje ryzyko kawitacji.

W rozległych systemach ciepłowniczych, w węzłach cieplnych położonych w pobliżu

źródła ciepła zaleca się stosowanie zaworów regulacji różnicy ciśnienia w odgałęzieniach od

przewodu magistralnego – w komorach ciepłowniczych przy sieciach kanałowych i

nadziemnych oraz w studzienkach przy sieciach preizolowanych. Dalsze możliwości

zmniejszenia energii pompowania stwarza układ sieci z pompowniami sieciowymi. Wykres

ciśnienia w sieci z dwoma pompowniami sieciowymi zilustrowano na rys. 7.18. W dalszych

odcinkach sieci strumień masy nośnika ciepła jest mniejszy niż w źródle, stąd uzyskanie tej

samej różnicy ciśnienia wymaga dostarczenia mniejszej ilości energii elektrycznej do napędu

pomp. W poprzednich latach w systemach ciepłowniczych unikano pompowni sieciowych.

Przy dzisiejszym stanie techniki regulacji nie ma przeszkód do stosowania tego układu.

Rys. 7.18. Wykres ciśnienia w sieci cielnej z pompowniami sieciowymi w przewodzie zasilającym,

oś pozioma – odległość [m], oś pionowa - ciśnienie [bar]

Oscylacja ciśnienia w systemie ciepłowniczym może być spowodowana działaniem

urządzeń regulacji różnicy ciśnienia i przepływu. Woda jest płynem nieściśliwym, w którym

odkształcenia sprężyste rozchodzą się z prędkością fali dźwiękowej, tj. 1000÷1400 m/s.

Przekazywanie impulsu ciśnienia. Według Boysena i Thorsena [2] oscylacje ciśnienia

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

ps

pr

170

występują najczęściej przy dużym zagęszczeniu węzłów ciepłowniczych, np. w obszarach

zasilających budynki jednorodzinne. Oscylacje ciśnienia mogą prowadzić do rezonansu albo

efektu „dudnienia”. Możliwymi skutkami oscylacji ciśnienia są: generowanie hałasu,

niestabilne działanie zaworów regulacji temperatury, a także zniszczenie elementów węzła

cieplnego. Jednym ze sposobów ograniczenia oscylacji ciśnienia jest zmniejszenie prędkości

przekazania ciśnienia w rurkach impulsowych ciśnienia (opóźnienie, np. przez montaż

zbiornika powietrznego). Każdy system charakteryzuje współczynnik sprężystości

(ściśliwości), będący wypadkową ściśliwości wody i sprężystości elementów wyposażenia.

Zdaniem Boysena i Thorsena do elementów o dużej sprężystości można zaliczyć rurociągi i

wymienniki ciepła, natomiast zawory regulacyjne – do elementów o małej sprężystości.

„Aby uniknąć wpływu sprężystości systemu ważne jest, aby rurki impulsowe do wyznaczania kontrolowanego ciśnienia były podłączone w niesprężystej części systemu. W normalnym wypadku

szeregowo z zaworem regulacji temperatury, co pokazano na rys. 3b) i d). Jeśli rurka impulsowa kontrolowanego ciśnienia jest podłączona w części sprężystej systemu, rys. 3a) i c), to wówczas występuje prawdopodobieństwo powstawania oscylacji.” [2]

Opisaną sytuację pokazano na rys. 7.19.

Rys. 7.19. Włączenie rurek impulsowych a oscylacja ciśnienia [2]

Autorzy [2] proponują następujące działania prowadzące do zmniejszenia

prawdopodobieństwa wystąpienia oscylacji ciśnienia:

„Działania mające na celu zmniejszenie lub wyeliminowanie samo oscylacji: • wytłumienie rurek impulsowych regulatora ciśnienia różnicowego, • zamontowanie regulatora ciśnienia różnicowego w sztywnej części instalacji,

171

• jeśli regulator ciśnienia różnicowego zamontowany jest w przewodzie zasilającym, należy upewnić się, czy ciśnienie statyczne w systemie jest wystarczające do przeprowadzenia jego odpowietrzenia”

7.8. Regulacja temperatury nośnika ciepła w systemie ciepłowniczym

W każdym systemie ciepłowniczym ustala się parametry obliczeniowe: obliczeniową

temperaturę zasilania (wody zasilającej) i powrotu (wody powrotnej).Parametry obliczeniowe

odpowiadają ekstremalnym warunkom eksploatacji systemu ciepłowniczego, przy

obliczeniowej temperaturze powietrza zewnętrznego. Są one elementem umowy o dostawę

ciepła między odbiorcą i Przedsiębiorstwem Ciepłowniczym. Temperatura obliczeniowa

zasilania jest różna w różnych krajach Europy. W krajach skandynawskich nie przekracza

80 oC, z tendencją do dalszego obniżania do 50 oC. W większości systemów ciepłowniczych

w Polsce najwyższa temperatura zasilania jest równa 120÷130oC, w niektórych jest niższa i

wynosi 115 oC, 110 oC lub 105 oC. Są w Polsce nieliczne systemy projektowane przy

temperaturze obliczeniowej zasilania 150 oC, które w praktyce funkcjonują przy temperaturze

poniżej 100 oC. Przedsiębiorstwa Ciepłownicze zmniejszają temperaturę zasilania w miarę

postępu termomodernizacji budynków i zwiększenia udziału w systemach ciepłowniczych

budynków wznoszonych według najnowszych standardów ochrony cieplnej. W umowie o

dostawę ciepła podawana jest również temperatura wody powrotnej. Ma ona jednak charakter

informacyjny, mówiący o prawidłowym zaprojektowaniu i działaniu węzła. W obwodzie

ogrzewania rzeczywista temperatura wody powrotnej jest “odpowiedzią” układu na aktualne

warunki bilansu cieplnego budynku, zależy od zmian temperatury powietrza zewnętrznego,

obciążenia cieplnego i występowania zysków ciepła. Na ogół jest niższa niż wyznaczona z

równań bilansu cieplnego. Zbyt wysoka temperatura wody powrotnej, wyższa niż

wyznaczona z bilansu cieplnego bez uwzględnienia zysków ciepła, świadczy o

nieprawidłowym funkcjonowaniu węzła cieplnego. Przyczyna zbyt wysokiej temperatury

może tkwić w instalacji (np. zbyt małe schłodzenie wody w grzejnikach) albo w węźle

cieplnym (np. zbyt mała powierzchnia wymiennika ciepła). Jedną z przyczyn podwyższenia

temperatury w obwodach wentylacji jest przewymiarowanie wymienników ciepła do celów

wentylacji, przy stosowaniu regulacji ilościowej nagrzewnic wentylacyjnych (z zaworem

trójdrogowym rozdzielającym). Efektem działania obejścia nagrzewnicy wentylacyjnej jest

podwyższenie temperatury wody powrotnej w wyniku zmieszania z częścią strumienia

nośnika ciepła z przewodu zasilającego. Temperatura wody powracającej do sieci jest wyższa

niż temperatura wody powrotnej w instalacji. Temperatura wody powracającej z obwodu

172

pierwotnego ciepłej wody jest zależna od wielkości zapotrzebowania na ciepłą wodę.

Rzeczywista jej wartość może odbiegać od wartości przyjętej do doboru wymiennika ciepłej

wody. Jest interesujące, że zarówno w stanie większego, jak i mniejszego zapotrzebowania

na ciepłą wodę niż przyjęte do doboru wymiennika, temperatura wody powrotnej w obwodzie

ciepłej wody jest mniejsza niż temperatura obliczeniowa. Przy braku poboru ciepłej wody do

wymiennika ciepłej wody może dopływać strumień wody cyrkulacyjnej o temperaturze

50÷55 oC. Wówczas temperatura wody sieciowej w przewodzie powrotnym będzie zbliżona

do tej wartości. Zjawisko ma jednak marginalny charakter ze względu na niewielką moc

cieplną potrzebną do ogrzania wody cyrkulacyjnej. W sezonie grzewczym temperatura wody

wracającej do sieci ciepłowniczej (w obwodzie przyłączeniowym) jest wypadkową

temperatury powrotu z sekcji ogrzewania (wentylacji, technologii) i przygotowania ciepłej

wody.

Temperaturę zasilania i teoretyczną temperaturę powrotu w warunkach różnej

temperatury powietrza zewnętrznego można obliczyć z poniższych zależności. Przyjmijmy

następujące oznaczenia:

Φο – moc do ogrzewania w warunkach obliczeniowych (obliczeniowej temperatury powietrza

zewnętrznego), kW,

Φ – moc do ogrzewania w danej (aktualnej) temperaturze powietrza zewnętrznego, kW,

tso/tro – temperatura zasilania/powrotu w warunkach obliczeniowych, oC,

ts/tr – temperatura zasilania/powrotu w warunkach danej temperatury powietrza zewnętrznego, oC,

ti – temperatura przestrzeni ogrzewanej, oC,

teo – obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego (zgodnie z PN-EN 12831),oC,

te – aktualna temperatura powietrza zewnętrznego, oC,

m – wykładnik charakterystyki grzejnika (przeciętna wartość: 0.25).

W warunkach obliczeniowych i aktualnej temperatury powietrza zewnętrznego można zapisać

równania:

eoi

ei

o tt

tt

−−=

ΦΦ

(7.10)

m1

iroso

m1

irs

ot

2

tt

t2

tt

+

+

−+

−+

=ΦΦ

(7.11)

173

roso

rs

o tt

tt

−−=

ΦΦ

(7.12)

Stosunek aktualnej mocy cieplnej do ogrzewania do wartości obliczeniowej nosi nazwę

współczynnika obciążenia ϕ.

Po przekształceniach otrzymamy wzór do obliczenia temperatury wody zasilającej i powrotnej:

( ) m1

1

iroso

rosois t2

tttt

2

1tt +ϕ

−++ϕ−+= (7.13)

( )ϕ−−= rososr tttt (7.14)

Obydwie funkcje mają charakter quasi-liniowy, z niewielkim zakrzywieniem

spowodowanym występowaniem we wzorze charakterystyki grzejnika. Temperatura wody

zasilającej w systemach ciepłowniczych dostarczających ciepło do przygotowania ciepłej

wody jest ograniczona z dołu wartością 70 oC. Do wzoru (7.14) jest podstawiana temperatura

bez uwzględnienia ograniczenia. Na rys. 7.20 pokazano przykładowy wykres regulacyjny

temperatury w systemie ciepłowniczym.

Rys. 7.20. Przykładowy wykres regulacyjny temperatury w systemie ciepłowniczym. Parametry obliczeniowe

120/65 oC, temperatura obliczeniowa powietrza zewnętrznego -20 oC [69]

W przedziale temperatury powietrza zewnętrznego na prawo od punktu załamania

wykresu regulacyjnego (przy temperaturze ok. 2 oC) regulacja ma charakter wyłącznie

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

ts [oC]

tr [oC]

174

ilościowy. Przy stałej temperaturze zasilania zmienia się strumień masy nośnika ciepła w

obwodzie pierwotnym ogrzewania. Na rys. 7.21. pokazano przebieg zmiany względnego

strumienia masy nośnika ciepła w funkcji zmiany współczynnika obciążenia, na rys. 7.22. w

funkcji temperatury powietrza zewnętrznego [64].

Rys. 7.21. Przebieg zmiany względnego strumienia masy nośnika ciepła w funkcji zmiany współczynnika

obciążenia. Parametry obliczeniowe: sieć 100/65 oC, instalacja: 70/50 oC, obliczeniowa temperatura powietrza

zewnętrznego: -20 oC [64]

Rys. 7.22. Przebieg zmiany względnego strumienia masy nośnika ciepła w funkcji zmiany temperatury

powietrza zewnętrznego. Parametry obliczeniowe: sieć 100/65 oC, instalacja: 70/50 oC, obliczeniowa

temperatura powietrza zewnętrznego: -20 oC [64]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Φ/Φο

m/mo

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

te

m/mo

175

Strumień masy w warunkach najwyższej temperatury powietrza zewnętrznego stanowi

20% wartości obliczeniowej. Strata ciśnienia przy tym przepływie wyniesie ok. 5% straty

ciśnienia w warunkach obliczeniowych. Wykres zbudowano przy założeniu braku zysków

ciepła w pomieszczeniach ogrzewanych. W rzeczywistych warunkach bilansu budynków,

przy występowaniu zysków ciepła (wewnętrznych i od nasłonecznienia), strumień masy

nośnika ciepła w obwodzie ogrzewania może się zmniejszyć do 10%, a strata ciśnienia do 1%

wartości obliczeniowej. Nadwyżka dyspozycyjnej różnicy ciśnienia w węzłach cieplnych

spowoduje z dużym prawdopodobieństwem wystąpienie zjawiska kawitacji.

Wzory (7.13) i (7.14) służą również do obliczenia temperatury zasilania i powrotu w

instalacji wewnętrznej ogrzewania. W przypadku układów wentylacji wykładnik

charakterystyki „m” może przyjąć inną wartość. Na rys. 7.23. zilustrowano wykres

regulacyjny w instalacji wewnętrznej ogrzewania. Temperatura wody zasilającej jest

wyznaczana w układzie kompensacji pogodowej przez regulator obwodów węzła cieplnego

(ECL).

Rys. 7.23. Wykres temperatury wody zasilającej i powrotnej w instalacji wewnętrznej. Parametry obliczeniowe:

70/50 oC, temperatura obliczeniowa powietrza zewnętrznego -20 oC

W systemach ciepłowniczych o wysokiej temperaturze wody zasilającej można

przeanalizować możliwości kompensacji obniżenia temperatury zwiększeniem przepływu.

Należy jednak mieć na uwadze nieliniowość charakterystyki strumień masy- strumień ciepła.

W tabeli podano wartości temperatury wody zasilającej i powrotnej w sieci ciepłowniczej i

instalacji ogrzewania w przedziale temperatury powietrza zewnętrznego -20÷-8 oC.

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

ts [oC]

tr [oC]

176

Tabela 7.12. Parametry operacyjne przy temperaturze obliczeniowej 140 oC

te [oC] Ts [

oC] Tr [oC] ts [

oC] tr [oC]

-20 140.0 70.0 80.0 60.0

-18 134.8 68.3 77.5 58.5

-16 129.6 66.6 75.0 57.0

-14 124.4 64.9 72.4 55.4

-12 119.1 63.1 69.8 53.8

-10 113.8 61.3 67.2 52.2

-8 108.4 59.4 64.6 50.6

W tabeli 7.13. i 7.14. przedstawiono wyniki symulacji strumienia masy nośnika ciepła przy

ograniczeniu temperatury wody zasilającej do 120 oC w przedziale temperatury powietrza

zewnętrznego -12.3÷-20oC, Rys. 7.24. przedstawia graficzną interpretację wyników

symulacji.

Tabela 7.13. Parametry operacyjne przy ograniczeniu temperatury zasilania do 120 oC (opracowanie autora)

teśr [oC] Ts[

oC] Tr [oC] ts [

oC] tr [oC]

-20.0 120.0 73.0 80.0 60.0 -18.0 120.0 70.4 77.5 58.5 -16.0 120.0 67.9 75.0 57.0 -14.0 120.0 65.4 72.4 55.4 -12.3 120.0 63.4 70.2 54.1 -12.0 119.1 63.1 69.8 53.8 -10.0 113.8 61.3 67.2 52.2 -8.0 108.4 59.4 64.6 50.6

Tabela 7.14. Porównanie strumienia masy nośnika ciepła przy ograniczeniu temperatury zasilania do 120 oC

te[oC] Φ [kW] m140 [kg/s] -Tzo=140 oC m120 [kg/s] -Tzo=120 oC m120/m140 -12.3 201.88 0.847 0.847 1.00 -14.0 212.50 0.847 0.940 1.12 -16.0 225.00 0.847 1.043 1.24 -18.0 237.50 0.845 1.155 1.37 -20.0 250.00 0.843 1.280 1.52

177

Rys. 7.24. Porównanie strumienia masy nośnika ciepła przy temperaturze obliczeniowej zasilania 140 oC i przy

ograniczeniu temperatury zasilania do 120 oC w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego

Zwiększenie strumienia masy o 52% jest możliwe w przypadku pojedynczego węzła

cieplnego, ale w niewielkim stopniu prawdopodobne w skali całego systemu ciepłowniczego.

Strata ciśnienia w systemie uległaby w przybliżeniu podwojeniu.

Funkcja kompensacji pogodowej ustala temperaturę wody zasilającej instalację w

funkcji temperatury powietrza zewnętrznego. Nie zawsze jest uzasadnione nadążanie za

temperaturą zewnętrzną, zwłaszcza przy jej szybkich zmianach (okres wiosny i jesieni).

Masywność współczesnych budynków działa jak „filtr dolnoprzepustowy”, eliminując

cykliczne zmiany temperatury zachodzące z dużą częstotliwością. Pojemność cieplna

obudowy budynku jest przyczyną opóźnienia przejścia zmiany temperatury zewnętrznej do

wnętrza budynku. Opóźnienie może wynosić od kilku do kilkuset godzin. W takim przypadku

nie ma potrzeby szybkiej zmiany temperatury wody zasilającej instalację ogrzewania. Jako

funkcja „spłaszczająca” przebiegu temperatury powietrza zewnętrznego może być przyjęta

tzw. temperatura tłumiona. Może być wyznaczona z wzoru:

1])-k-t[j-k]-(t[j+i]-k-t[jm

1=[j]t

m

1i

d α∑=

(7.15)

gdzie:

t – rzeczywista temperatura powietrza zewnętrznego, oC,

td– tłumiona temperatura powietrza zewnętrznego, oC,

k – przesuniecie czasowe, h,

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

1.100

1.200

1.300

1.400

-22.0 -20.0 -18.0 -16.0 -14.0 -12.0 -10.0 -8.0

m140 [kg/s]

m120 [kg/s]

178

α - współczynnik tłumienia, bezwymiarowy,

i, j, j-k,j-k-1 – indeks godzin.

Na rys. 7.25. zilustrowano przebieg rzeczywistej i tłumionej temperatury powietrza

zewnętrznego. Przy ustalaniu temperatury zasilania w instalacji wewnętrznej przesuniecie

czasowe i współczynnik tłumienia są zależne wyłącznie od cech dynamicznych budynku.

Filtracja temperatury powietrza zewnętrznego w regulatorze ECL Comfort Danfoss odbywa

się według poniższej funkcji z krokiem sekundowym (symbolika oryginalna):

New T.out = ((T.out.new - T.out.old) * 50 / 100) + Old T.out

Przy wyznaczeniu temperatury wody zasilającej w systemie ciepłowniczym

przesunięcie czasowe jest zależne od cech dynamicznych budynków i od czasu przepływu

nośnika ciepła w sieci ciepłowniczej. W systemach o czasie przepływu kilku, kilkunastu

godzin jest wystarczające ustalenie temperatury raz na dobę, na podstawie przewidywanej

temperatury powietrza w następnym dniu. Najbardziej prawdopodobną wartością średniej

temperatury powietrza zewnętrznego w następnym dniu jest temperatura zmierzona o godz.

2100 lub średnia ważona temperatury zmierzonej o godzinie 900, 1400 i 2100.

Rys. 7.25. Rzeczywista i tłumiona temperatura powietrza zewnętrznego , k=5 h, m=10 h, α=0.1, 3,4 lutego roku

porównawczego, oznaczenia w tekście (opracowanie własne)

4

2t[21]+t[14]+t[9]=tav (7.18)

t[9] – temperatura o godz. 900,

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 10 20 30 40 50 60

time [h]

t

td

t, td

[oC]

179

t[14] – temperatura o godz. 1400,

t[21] – temperatura o godz. 2100.

W większości budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej zakłada się osłabienie

ogrzewania w okresie nocnym (budynki mieszkalne) i w okresie weekendu (budynki

użyteczności publicznej). Nie zaleca się obniżania temperatury wewnętrznej o więcej niż

3÷4 K. Im większa bezwładność cieplna budynku, tym dłuższy czas spadku temperatury i

czas powrotu do normalnego trybu ogrzewania. W obliczeniach zapotrzebowania na moc

cieplną pomieszczeń (projektowego obciążenia cieplnego) zgodnie z normą PN-EN 12831

zakłada się dodatkowy strumień ciepła kompensujący skutki obniżenia intensywności

ogrzewania. Zwiększona moc instalacji po okresie osłabienia pozwala na uzyskanie właściwej

temperatury pomieszczeń ogrzewanych w czasie kilku 3÷4 godzin. Funkcja „a morning start

up” powinna zacząć działać ok. godziny 400-500. W regulatorach pogodowych ECL jest to

ustawienie w harmonogramie czasowym godziny przełączenia z trybu pracy osłabienia

nocnego (symbol księżyca) na tryb pracy komfortu (symbol słoneczka).

W ekstremalnych warunkach klimatu zewnętrznego, przy temperaturze zewnętrznej

zbliżonej do obliczeniowej (w przedziale -20÷-15 oC) nie zaleca się stosowania funkcji

osłabienia ogrzewania. Bardziej racjonalne jest utrzymywanie stałej temperatury w

ogrzewanych pomieszczeniach. Funkcja osłabienia ogrzewania może być wyłączana

programowo przez regulator węzła cieplnego (ECL). W regulatorach pogodowych ECL

Comfort 210, 310 funkcja ta nazywa się "Autoszczędzanie (zależność temp. oszczędzania od

temp. zewnętrznej)" ID 11011, ID 120011. Znajduje się w grupie nastaw: "MENU - Nastawy

- Optymalizacja"

W systemach ciepłowniczych o znacznej rozległości efekt jednoczesnego wystąpienia

szczytowego zapotrzebowania na moc cieplną przy przejściu ogrzewania w tryb normalny nie

wpływa na bilans cieplny źródła z powodu długiego czasu przepływu wody (przesunięcie

czasowe w węzłach mieszających w przewodzie powrotnym sieci cieplnej).

7.9. Regulatory węzłów ciepłowniczych – charakterystyka i dobór

Wszystkie opisane uprzednio funkcje regulacyjne: regulacja temperatury wody w

instalacji ogrzewania i ciepłej wody, kompensacja pogodowa, priorytet ciepłej wody,

osłabienie ogrzewania i “a morning start up” są realizowane przez wielofunkcyjne regulatory

węzłów cieplnych. W tym rozdziale wykorzystano fragmenty dokumentacji regulatorów [60].

Regulator jest centrum zarządzania, “mózgiem” węzła. Rodzina regulatorów ECL Comfort

180

pozwala na dobór odpowiedniej jednostki do schematu ideowego węzła cieplnego. Regulatory

mają ponadto szereg dodatkowych funkcji, takich jak gromadzenie i przesyłanie danych w

systemie komunikacji i monitoringu. Do węzłów cieplnych są dedykowane następujące

regulatory: ECL Comfort 110, ECL Comfort 210 oraz ECL Comfort 310 [60]. Przy opisie

regulatorów dosłownie zacytowano karty katalogowe.

• ECL Comfort 110

„Jest to regulator jednofunkcyjnego węzła cieplnego ogrzewania lub przygotowania ciepłej

wody z funkcjami:

• kompensacji pogodowej (ogrzewanie),

• regulacji stałowartościowej temperatury ciepłej wody.

Regulator ma wyjście do sterowania siłownikiem zaworu i do regulacji pompy obiegowej.

Może być użyty w dwóch podstawowych aplikacjach: 116 – do regulacji temperatury ciepłej

wody użytkowej lub 130 – do instalacji ogrzewania. Schematy regulacji pokazano na rys.

7.26. i 7.27.” [60]

Rys. 7.26. Aplikacja 130 regulatora ECL Comfort 110 [60]

Rys. 7.27. Aplikacja 116 regulatora ECL Comfort 110 [60]

181

„Regulator umożliwia włączenie 4 czujników temperatury (Pt 1000). Można także podłączyć

czujnik temperatury powietrza w pomieszczeniu.

Kluczowe funkcjeKluczowe funkcjeKluczowe funkcjeKluczowe funkcje:

Regulacja temperatury • Ograniczenie temperatury powrotu Regulator automatycznie zmienia wymaganą temperaturę zasilania, kiedy temperatura powrotu spada poniżej lub wzrasta powyżej wartości nastawionej. Oddziaływanie temperatury powrotu może być ograniczone przez ustawienie wpływu min./max. OptymalizacjaOptymalizacjaOptymalizacjaOptymalizacja

• Auto tuning Funkcja automatycznego ustawienia zakresu proporcjonalności (Xp) i stałej całkowania (Tn). Funkcje zabezpieczające •Funkcja antyzamrożeniowa (dokładny opis w instrukcji obsługi), Regulator automatycznie załącza pompę cyrkulacyjną, kiedy temperatura zasilania jest niższa od

temperatury nastawionej przez użytkownika (nastawa fabryczna: 10°C). • Ochrona siłownika Regulator zapobiega przed niestabilną regulacją temperatury wydłużając żywotność siłownika. •Ćwiczenie pompy W czasie postoju ogrzewania regulator okresowo załącza pompę dla uniknięcia jej zablokowania

Podstawowe dane regulatora ECL Comfort 110 podano w tabeli 7.15.” [60]

Tabela 7.15. Podstawowe dane regulatora ECL Comfort 110 [60]

• ECL Comfort 210

„Regulator ECL Comfort 210 jest elektronicznym regulatorem do obiegów grzewczych

ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody i chłodzenia. Pozwala na regulację 2

obwodów regulacyjnych. Jest wyposażony w funkcję kompensacji pogodowej, ograniczenie

temperatury wody powrotnej oraz ograniczenie przepływu i mocy cieplnej. Umożliwia

optymalizację zużycia ciepła. Regulator ECL Comfort 210 jest wyposażany w odpowiednie

aplikacje (klucze). Dodatkowo jest wyposażony w funkcje gromadzenia danych i funkcje

alarmowe. Regulator ECL Comfort 210 można łatwo obsługiwać za pomocą

182

wielofunkcyjnego pokrętła lub panelu zdalnego sterowania (Remote Control Unit - RCU).

Pokrętło i wyświetlane ekrany w łatwy sposób prowadzą użytkownika po menu tekstowym w

wybranym języku. Regulator ECL Comfort 210 został wyposażony w wyjścia cyfrowe do

sterowania zaworami regulacyjnymi z siłownikami, wyjścia przekaźnikowe do sterowania

między innymi pompami obiegowymi/ zaworami przełączającymi oraz wyjście alarmu.

Istnieje możliwość podłączenia 6 czujników temperatury Pt 1000. Dodatkowo 2

konfigurowalne sygnały wejściowe mogą zostać wybrane jako wejście czujnika temperatury

Pt 1000, wejście analogowe (0–10 V) lub wejście cyfrowe. Obudowa regulatora jest

przystosowana do montażu na ścianie i szynie DIN. Dostępny jest także wariant ECL

Comfort 210B (bez wyświetlacza i pokrętła). Można go zamontować wewnątrz szafy

sterowniczej i sterować nim za pomocą panelu zdalnego sterowania ECA 30/31 znajdującego

się na zewnątrz. Regulator ECL Comfort 210 jest urządzeniem niezależnym wykorzystującym

do komunikacji z panelem zdalnego sterowania oraz innymi regulatorami ECL Comfort

210/310 szynę komunikacyjną ECL 485.

Panel zdalnego sterowania (RCU): Panele zdalnego sterowania ECA 30 oraz ECA 31 są

wykorzystywane do regulacji temperatury w pomieszczeniu i do zdalnego wprowadzania

nastaw do ECL Comfort 210. Podstawowe dane regulatora ECL Comfort 210 podano w tabeli

7.16. Najczęściej używaną aplikacją regulatora ECL Comfort 210 jest aplikacja A266.1, która

pozwala na regulację obwodu ogrzewania i przygotowania ciepłej wody w dwufunkcyjnym

węźle cieplnym. Aplikację tę pokazano na rys. 7.29. Funkcje kluczowe i optymalizacyjne są

podobne jak w regulatorze ECL Comfort 110, lecz jest ich więcej. Posiadają także

rozszerzone zakresy nastawy, co zwiększa elastyczność zastosowań.” [60]

Tabela 7.16. Podstawowe dane regulatora ECL Comfort 210 [60]

183

Rys. 7.29. Aplikacja A266.1 regulatora ECL Comfort 210 (także 310) [60]

• ECL Comfort 310

„ECL Comfort 310 jest to elektroniczny regulator temperatury z rodziny regulatorów

ECL Comfort, mający zastosowanie w układach ciepłowniczych do obwodów centralnego

ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody i chłodzenia. Umożliwia regulację

maksymalnie 3 obwodów regulacyjnych. Do regulatora ECL Comfort 310 wczytywana jest

wybrana aplikacja z klucza aplikacji ECL.

Do jego zalet należą: regulacja temperatury komfortu przy optymalnym zużyciu ciepła,

łatwa instalacja za pomocą klucza aplikacji ECL (typu Plug-and-Play) i wygodna obsługa.

Większa energooszczędność pozyskiwana jest dzięki regulacji pogodowej, zróżnicowaniu

temperatury zgodnie z harmonogramem, jak również optymalizacji i ograniczeniom:

temperatury powrotu, przepływu, mocy. Regulator wyposażony jest w takie funkcje, jak

rejestracja danych i alarm. Regulator ECL Comfort 310 można łatwo obsługiwać za pomocą

wielofunkcyjnego pokrętła lub panelu zdalnego sterowania (Remote Control Unit-RCU).

Pokrętło i wyświetlane ekrany w łatwy sposób prowadzą użytkownika po menu tekstowym w

wybranym języku.

184

Regulator ECL Comfort 310 został wyposażony w wyjścia cyfrowe do sterowania

zaworami regulacyjnymi z siłownikami, wyjścia przekaźnikowe do sterowania między

innymi pompami obiegowymi, zaworami przełączającymi oraz wyjście alarmu.

Istnieje możliwość podłączenia 6 czujników temperatury Pt 1000. Oprócz tego można wybrać

4 konfigurowalne sygnały wejściowe jako wejście czujnika temperatury Pt 1000, wejście

analogowe (0–10 V) lub wejście cyfrowe. Zależnie od zastosowania może być konieczne

użycie wewnętrznego modułu WE/WY (ECA 32) na dodatkowe sygnały wejściowe i

wyjściowe.

Obudowa regulatora jest przystosowana do montażu na ścianie i szynie DIN. Dostępny

jest także wariant ECL Comfort 310B (bez wyświetlacza i pokrętła). Można go zamontować

wewnątrz. szafy sterowniczej i sterować nim za pomocą panelu zdalnego sterowania ECA

30/31 znajdującego się na zewnątrz.

Regulator ECL Comfort 310 komunikuje się z panelem zdalnego sterowania i

pozostałymi regulatorami ECL Comfort 210/310 poprzez wewnętrzną szynę komunikacyjną

ECL 485. Regulator ma wbudowane złącze sieci Ethernet. Ponadto wbudowane są układy

komunikacyjne Modbus do komunikacji z systemami SCADA (Supervisory Control and

Data Acquisition, sterowanie urządzeniami automatyki przemysłowej i zbieranie danych o ich

funkcjonowaniu) oraz M-bus do komunikacji z ciepłomierzami.

Panel zdalnego sterowania (RCU):

Panel zdalnego sterowania ECA 30 i ECA 31 wykorzystywane są do regulacji

temperatury w pomieszczeniu oraz zdalnego wprowadzania danych do ECL Comfort 310.

Elementy te są połączone z regulatorami ECL Comfort za pomocą skrętki 2x2 - żyłowej do

komunikacji i zasilania (szyna komunikacyjna ECL 485).Panel zdalnego sterowania ECA

30/31 ma wbudowany czujnik temperatury. Wbudowany czujnik temperatury można zastąpić

przez podłączenie zewnętrznego czujnika temperatury. Ponadto ECA 31 ma wbudowany

czujnik wilgotności; sygnał wilgotności wykorzystywany jest w odpowiednich aplikacjach.

Do szyny komunikacyjnej ECL 485 można podłączyć maksymalnie 2 panele zdalnego

sterowania. Jeden panel może monitorować maksymalnie 10 regulatorów ECL Comfort

(układ urządzeń nadrzędnych/podrzędnych).

Podstawowe dane regulatora ECL Comfort 310 podano w tabeli 7.17. Schemat ideowy

układu regulacji jest taki sam jak na rysunku 7.27., jeżeli jest wybrana i zainstalowana

aplikacja A266.1 z klucza aplikacji w procesie uruchamiania. Regulator może obsługiwać

185

węzeł cieplny trójfunkcyjny (ogrzewanie, wentylacja, przygotowanie ciepłej wody).

Przykładowy schemat aplikacji pokazano na rys. 7.31 [60].

Tabela 7.17. Podstawowe dane regulatora ECL Comfort 310 [60]

186

Rys. 7.31. Aplikacja A367.1 regulatora ECL Comfort 310 [60]

Połączenia elektryczne regulatorów, czujników i siłowników są przedmiotem projektu

instalacji elektrycznych. Wybór napięcia zasilania należy do Przedsiębiorstwa

Ciepłowniczego. Przeważnie jest to 230 VAC.

187

8. OBLICZENIE DYSPOZYCYJNEJ RÓ ŻNICY CI ŚNIENIA W OBWODZIE

PIERWOTNYM W ĘZŁA CIEPLNEGO

Obliczenia hydrauliczne obwodów pierwotnych umożliwiają obliczenie niezbędnej

różnicy ciśnienia zapewniającej właściwe działanie węzła cieplnego. Jest to tzw. wewnętrzna

różnica ciśnienia. Jest ona regulowana regulatorem różnicy ciśnienia i jest stała w danych

warunkach eksploatacyjnych węzła cieplnego. Wewnętrzna różnica ciśnienia może być inna

w sezonie grzewczym i w okresie lata. Zawór regulacji różnicy ciśnienia (z funkcją

ograniczenia przepływu) jest elementem uniezależniającym węzeł cieplny od układu ciśnienia

w sieci ciepłowniczej. Do celów projektowania współdziałania sieci ciepłowniczej z węzłami

cieplnymi jest konieczne wyznaczenie niezbędnej różnicy ciśnienia całego węzła, łącznie z

urządzeniami zamontowanymi w module (obwodzie) przyłączeniowym. Jest to tzw. różnica

zewnętrzna. Najmniej korzystnie położony węzeł cieplny determinuje różnicę ciśnienia w

źródle ciepła jako sumę dyspozycyjnej różnicy ciśnienia i straty ciśnienia w danych

warunkach obciążenia sieci ciepłowniczej.

Dyspozycyjna (zewnętrzna) różnica ciśnienia węzła cieplnego jest wyznaczana po

dokonaniu doboru wszystkich elementów węzła, zgodnie z zasadami podanymi w

poprzednich rozdziałach.

Parametrami charakterystycznymi węzła cieplnego we współpracy z siecią ciepłowniczą

są:

• Strumień masy nośnika ciepła,

• Dyspozycyjna różnica ciśnienia (zewnętrzna).

Te dwa parametry wyznacza się w sezonie grzewczym i w okresie lata (tylko potrzeby ciepłej

wody). Wartości te różnią się od siebie, nawet jeśli wewnętrzna różnica ciśnienia będzie taka

sama w sezonie grzewczym i w lecie.

8.1. Dyspozycyjna różnica ciśnienia w węźle zmieszania pompowego

Strata ciśnienia miarodajna do doboru pompy w węźle zmieszania pompowego jest

obliczana z wzoru 6.4. (Rozdział 6.). Dyspozycyjną różnicę ciśnienia w miejscu włączenia do

sieci cieplnej można wyznaczyć z wzoru:

HMcvdPcvsciccDH ppppppp ∆+∆+∆+∆+∆+∆=∆ (8.1)

188

gdzie:

∆pDH – dyspozycyjna różnica ciśnienia węzła,

∆pcc – strata ciśnienia w obwodzie pierwotnym (po lewej stronie punktów włączenia

przewodu mieszania),

∆pi – strata ciśnienia w instalacji (na podstawie projektu instalacji),

∆psc – strata ciśnienia w obwodzie wtórnym, (po prawej stronie punktów włączenia

przewodu mieszania),

∆pcv – strata ciśnienia w zaworze regulacyjnym,

∆pHM – strata ciśnienia w ciepłomierzu,

∆pcvdP – strata ciśnienia w zaworze regulacji różnicy ciśnienia (i ograniczenia przepływu).

Nastawa zaworu regulacyjnego różnicy ciśnienia (wartość regulowana) jest równa:

cvsciccset ppppp ∆+∆+∆+∆=∆ int (8.2)

gdzie:

∆pset – nastawa zaworu regulacji różnicy ciśnienia,

∆pccint – strata ciśnienia w obwodzie pierwotnym od punktów włączenia przewodów

impulsowych ciśnienia do punktów włączenia przewodu mieszania.

Liniową i miejscową stratę ciśnienia, stratę ciśnienia w zaworach regulacyjnych i

filtrach oblicza się zgodnie z zasadami podanymi w rozdziale 5. Zawór regulacji różnicy

ciśnienia (i ograniczenia przepływu) dobiera się według procedur opisanych w rozdziale 7.

8.2. Dyspozycyjna różnica ciśnienia w wymiennikowym węźle cieplnym

Dyspozycyjna różnica ciśnienia w miejscu włączenia do sieci ciepłowniczej jest

obliczana z wzoru:

setcvdPccDH pppp ∆+∆+∆=∆ (8.3)

gdzie:

∆pcc – strata ciśnienia w obwodzie przyłączeniowym (z lewej strony punktów włączenia

przewodów impulsowych zaworu regulacji różnicy ciśnienia),

∆pset – nastawa zaworu różnicy ciśnienia, kPa,

∆pcvdP – strata ciśnienia w zaworze regulacji różnicy ciśnienia (i ograniczenia przepływu).

189

Liniową i miejscową stratę ciśnienia, stratę ciśnienia w zaworach regulacyjnych i

filtrach oblicza się zgodnie z zasadami podanymi w rozdziale 5. Zawór regulacji różnicy

ciśnienia (i ograniczenia przepływu) dobiera się według procedur opisanych w rozdziale 7.

Przy dużej różnicy strat ciśnienia w obwodach pierwotnych ogrzewania i

przygotowania ciepłej wody można przyjąć inną nastawę zaworu regulacji różnicy ciśnienia

w sezonie grzewczym i w okresie lata. Przy zbliżonych wartościach strat w obwodach,

różniących się nie więcej niż o 20% nie ma potrzeby zmiany wielkości regulowanej różnicy

ciśnienia. Zewnętrzna dyspozycyjna różnica ciśnienia węzła będzie różna w warunkach

sezonu grzewczego i lata ze względu na inną stratę ciśnienia w zaworze regulacyjnym

różnicy ciśnienia i ograniczenia przepływu.

190

9. PRZYKŁADY OBLICZE Ń WĘZŁÓW CIEPLNYCH

Rozdział przedstawia przykłady obliczeń węzłów cieplnych z wykorzystaniem

elementów węzłów produkcji Danfoss: wymienników ciepła, ciepłomierzy, armatury oraz

regulatorów obiegów grzewczych. Obliczenia są oparte o wzory i procedury opisane w

rozdziale 5,6,7 oraz programy wspomagające (program doboru wymienników ciepła Hexact

oraz program e-Quotation). Przykłady ilustrują kolejność kompleksowych obliczeń węzła

cieplnego. Schematy ideowe węzłów są pokazane w rozdziale 2.

9.1. Obliczenie węzła zmieszania pompowego

W przykładzie pokazano algorytm obliczeń węzła zmieszania pompowego. Schemat

ideowy węzła jest pokazany na rys. 2.6. w rozdziale 2. Oznaczenia wszystkich wielkości

fizycznych i parametrów są zgodne z podanymi w rozdziale 5. i 6. Białe pola zawierają dane

wprowadzone przez użytkownika. Niektóre z procedury, np. doboru średnicy przewodu, filtra,

ciepłomierza mogą być w programie obliczeń węzła zautomatyzowane, z możliwością zmiany

przez użytkownika. W tym przykładzie zawarto procedurę obliczeń zaworu bezpieczeństwa

zgodnie z PN-EN-ISO 4126.

Obliczenia węzła zmieszania pompowego Obliczenia pomocnicze, uwagi 1. Bilans cieplny

Moc cieplna do ogrzewania Φsh 80.00 kW

2. Obwód pierwotny Tav 70.0 oC

Temperatura wody zasilającej Ts 80 oC ρ 977.68 kg/m3

Temperatura wody powrotnej Tr 60 oC ν 0.00000041 m2/s

Strumień masy mn 0.955 kg/s cp 4.190 kJ/kg K

Strumień objętości Vn 3.515 m3/h

Średnica przewodu dn [mm] di[mm] FILTR 32 37.2 TYP DN Kv Dane obwodu l [m] ΣK Kvfiltra IMP 020-021 20 9.50 6.0 12.0 20.0 IMP 020-021 25 16.50 Prędkość przepływu v 0.90 m/s ≤ 1 IMP 020-021 32 20.00 Chropowatość przewodu k 0.15 mm IMP 020-021 40 33.00

Strata ciśnienia w obwodzie pierwotnym ∆pp 9.66 kPa IMP 020-021 50 54.00

Zakres nominalny przepływomierza Qn 3.50 m3/h Re 69443

Strata ciśnienia w ciepłomierzu ∆pHM 4.34 kPa Λ 0.0300 iteracja

Nastawa regulatora ∆p ∆pset 64.85 kPa DN Qn Kv

Współczynnik przepływu regulatora ∆p Kv 12.50 m3/h Sonometer 1000 15 1.5 5.48

Strata ciśnienia w dławiku ∆pFR 20.00 kPa Sonometer 1000 20 2.5 7.91

Strata ciśnienia w regulatorze ∆p ∆pFR 27.73 kPa Sonometer 1000 25 3.5 16.69

Dyspozycyjna różnica ciśnienia ∆∆∆∆pn 92.58 kPa

191

3. Obwód wtórny

Temperatura wody zasilającej Ts 60 oC

Temperatura wody powrotnej Tr 45 oC Tav 52.5 oC

Strumień masy mn 1.276 kg/s ρ 986.87 kg/m3

Strumień objętości Vn 4.654 m3/h ν 0.00000053 m2/s

Średnica przewodu dn [mm] di [mm] cp 4.180 kJ/kg K 40 43.1 Dane obwodu l [m] ΣK filtrKv 7.0 9.5 33.0 Prędkość przepływu v 0.89 m/s ≤ 1 Chropowatość przewodu k 0.15 mm Re 66594

Strata ciśnienia w obwodzie wtórnym ∆pp 7.47 kPa Λ 0.0290 iteracja

Wymagana przepustowość ZB Qm 6000.00 kg/h na podstawie obliczeń sieci

Deklarowany współczynnik wypływu ZB Kdr 0.30

Współczynnik poprawkowy lepkości Kν 1.00 dn[mm] A [mm2] Kd

Ciśnienie zrzutowe po 5.00 15 113.10 0.250 Przekrój przepływu ZB Α 197.41 20 153.94 0.200 Przekrój dobranego zaworu Α 314.16 25 314.16 0.300 Średnica nominalna ZB DN 25 32 572.56 0.250

Liczba Reynoldsa Reo 327675

Współczynnik lepkości (sprawdzenie) Kν 1.00 4. Obwód mieszania

Strumień masy mn 0.321 kg/s Tav 45.0 oC

Strumień objętości Vn 1.168 m3/h ρ 990.25 kg/m3

Średnica przewodu dn [mm] di [mm] ν 0.00000060 m2/s

25 28.5 cp 4.178 kJ/kg K Dane obwodu l [m] ΣK 2.0 4.5 Prędkość przepływu v 0.51 m/s ≤ 1 Chropowatość przewodu k 0.15 mm

Współczynnik przepływu zaworu regulac. Kv 16.00 m3/h

Strata ciśnienia w zaworze regulacyjnym ∆pcv 8.38 kPa Re 21104

Strata ciśnienia w obwodzie mieszania ∆pmc 11.51 kPa Λ 0.0346 iteracja

Strata ciśnienia w instalacji ∆pi 35.00 kPa na podstawie projektu instalacji

Wydajność pompy Vp 1.17 m3/h

Wysokość podnoszenia pompy Hp 6.42 m

W poniższej tabeli podano przykładową specyfikację (listę elementów) węzła cieplnego.

Specyfikacja może być generowana automatycznie w programie obliczeń węzła cieplnego. W

przypadku urządzeń pomocniczych (manometry, termometry) często nie precyzuje się

producenta.

192

Specyfikacja elementów c.d. (przykład)

No Opis Dane techniczne DN Liczba Producent

1 Regulator różnicy ciśnienia AVPQ/PN25 Kvs [m3/h] 12.50 32 1 Danfoss

strata ciśnienia w dławiku 20.00 kPa zakres nastawy 0.2..1.00 bar

2 Ciepłomierz Qn [m3/h] 3.50 Sonometer 1000+2 Pt500 32 1 Danfoss

3 Zawór regulacyjny trójdrogowy Kvs [m3/h] 16.00 VB3 siłownik AMV23/230 32 1 Danfoss

4 Regulator ECL Comfort 110 A130+ESMT+ESM11 1 Danfoss

5 Pompa obiegowa Stratos 25/1-8 1x230V 1 WILO

6 Filtr IMP 020-021 40 1 IMP Armature

7 Filtr IMP 020-021 32 1 IMP Armature

8 Zawór odcinający PN25/150 32 2 Danfoss

9 Zawór odcinający PN25/150 40 2 Danfoss

10 Zawór odcinający PN25/150 25 2 Danfoss

11 Zawór zwrotny PN25/150 25 1 Danfoss

12 Zawór bezpieczeństwa PN16 po=6 bar 25 2 SYR

13 Manometr 0-16 bar 5

14 Termometr G3/4" 0-150 oC 3

193

9.2. Obliczenie wymiennikowego węzła cieplnego do celów ogrzewania i przygotowania

ciepłej wody za pomocą programu e-Quotation

W instrukcji obsługi programu e-Quotation[70] podano zasady przyjęte przy doborze

elementów węzła cieplnego. Zasady te są zgodne z opisanymi w rozdziale 6. i 7. Poniżej na

rysunkach przedstawiono widok ekranu z danymi do obliczeń węzła cieplnego do celów

ogrzewania i przygotowania ciepłej wody. W dalszej kolejności przedstawiono wydruk

danych, schemat ideowy i specyfikację elementów węzła cieplnego.

Rys. 9.1. Ekran z danymi wejściowymi do ogrzewania w programie e-Quotation [70]

194

Rys. 9.2. Ekran z danymi wejściowymi do przygotowania ciepłej wody użytkowej w programie e-Quotation [70]

195

Rys. 9.3. Schemat ideowy węzła cieplnego wygenerowany w programie e-Quotation [70]

Poniżej zamieszczono wydruk specyfikacji elementów węzła.

196

197

198

Dane z programu e-Quotation pozwalają na wygenerowanie trójwymiarowych rysunków

węzła, które mogą być zgodnie z możliwościami producenta przekazane stronie

zainteresowanej w celu akceptacji projektu lub przygotowania pomieszczenia węzła

kompaktowego.

199

10. DOSTOSOWANIE PARAMETRÓW WĘZŁA CIEPLNEGO DO ZMIANY MOCY

ZAMÓWIONEJ

Przy projektowaniu nowego węzła cieplnego mamy zwykle precyzyjne dane do bilansu

cieplnego, które pozwalają na dokładny dobór wszystkich elementów węzła. Przy

wykorzystaniu programów wspomagających projektowanie [64, 70] można dobrać właściwe

parametry wszystkich urządzeń do bilansu cieplnego węzła. Ten model doboru jest

optymalny. W rzeczywistych systemach ciepłowniczych mamy istniejące budynki wzniesione

według poprzednio obowiązujących standardów ochrony cieplnej, z węzłami cieplnymi

dostosowanymi do początkowych wielkości zapotrzebowania na moc cieplną do ogrzewania.

W przypadku termomodernizacji budynków zmienia się wielkość zapotrzebowania na moc

cieplną do ogrzewania (projektowego obciążenia cieplnego). Może się również zmienić

zapotrzebowanie na moc cieplną do przygotowania ciepłej wody. Według poprzednich zasad

projektowania dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę na jednego mieszkańca wynosiło

110÷120 dm3na dobę. Według dzisiejszych standardów ta wielkość zmalała do 50÷60 dm3. W

dwustopniowych węzłach cieplnych ciepłej wody wykonanych według poprzednio

obowiązujących standardów przy zmniejszeniu zapotrzebowania na ciepłą wodę praktycznie

wystarczy moc wymiennika II. stopnia do pokrycia pełnego zapotrzebowania. W nowych

warunkach eksploatacyjnych, przy obniżonych parametrach wody sieciowej i wody

instalacyjnej nie jesteśmy w stanie uzyskać wystarczająco wysokiej temperatury wody

wracającej z sekcji centralnego ogrzewania do zasilania wymiennika i stopnia ciepłej wody.

Zmiana mocy zamówionej do ogrzewania budynku (projektowego obciążenia

cieplnego) musi mieć uzasadnienie – musi wynikać z rzeczywistych przesłanek. Jeśli w

budynku nie przeprowadzono żadnych prac modernizacyjnych, zwykle nie ma uzasadnienia

do zmiany mocy zamówionej. Nieuzasadnione zmniejszenie mocy zamówionej może

spowodować trudności w uzyskaniu właściwej temperatury pomieszczeń ogrzewanych. We

wniosku o zmianę mocy zamówionej kierowanym do Przedsiębiorstwa Ciepłowniczego

użytkownik obiektu powinien podać uzasadnienie wystąpienia. Może to być np.: wymiana

okien i drzwi zewnętrznych, dodatkowe zaizolowanie ścian i stropów, likwidacja mostków

cieplnych, uszczelnienie obudowy zewnętrznej budynku, zmiana systemu wentylacji – z

naturalnej na mechaniczną z odzyskiwaniem ciepła. W budynkach projektowanych w 80.

latach XX w. przy obliczeniowej temperaturze wody instalacyjnej 90/70 oC, 95/70 oC po

przeprowadzeniu termomodernizacji parametry instalacji mogą być niższe. Tzw.

200

ekwiwalentny współczynnik przenikania obudowy budynku, z uwzględnieniem wentylacji,

wyraża się wzorem [5]:

( )eie

sho

ttAU

−Φ= (10.1)

gdzie:

Uo – ekwiwalentny współczynnik przenikania obudowy budynku, W/m2 K,

Φsh – projektowe obciążenie cieplne budynku, W,

Ae – powierzchnia zewnętrznej obudowy budynku, m2,

ti – temperatura przestrzeni ogrzewanej, oC,

te – temperatura powietrza zewnętrznego, oC.

W przypadku niewielkiej zmiany powierzchni zewnętrznej obudowy budynku (dodatkowa

warstwa izolacji) możemy wprowadzić zależność projektowego obciążenia cieplnego w

różnych warunkach: 1 i 2.

2sh

1sh

2o

1o

U

U

ΦΦ= (2)

Do obliczenia nowych parametrów wody instalacyjnej można wykorzystać program

symulacyjny stanów stacjonarnych instalacji centralnego ogrzewania „Medium” [67]. W

tabeli 1. podano wartości temperatury wody zasilającej i powrotnej w instalacji przy zmianie

ekwiwalentnego współczynnika przenikania ciepła obudowy budynku.

Nowe parametry instalacji centralnego ogrzewania wynoszą: 72/58 oC. Te wartości

zostaną przyjęte w następnych przykładach. Temperatura wody powrotnej w sieci

ciepłowniczej zmieni się również wraz ze zmianą parametrów instalacji wewnętrznej.

Zmiana projektowego obciążenia cieplnego – mocy wymiennika w sekcji ogrzewania –

spowoduje zmianę strumienia masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym sekcji. Zmiana ta

jest nieliniowa w funkcji zmiany strumienia ciepła. Nie jest właściwe przyjmowanie

zmienionego strumienia masy nośnika ciepła w sieci proporcjonalnie do zmiany mocy

zamówionej (nawet jeśli nie zmienią się parametry instalacji c.o.). Na rys. 1. pokazano

przykładową charakterystykę cieplno-przepływową wymiennika XB, prezentowaną już w

rozdziale 1. Charakterystyka jest nieliniowa.

201

Tabela 1. Obliczenie zmienionych parametrów instalacji wewnętrznej ogrzewania w przypadku termomodernizacji budynku (Uo1/Uo2=0.7), poprzednie parametry instalacji ts/tr= 90/70 oC, ti=20 oC, te=-20 oC ------------------------- te tz tp ------------------------- -20 72.1 58.1 -19 71.0 57.3 -18 70.1 56.8 -17 68.8 55.8 -16 67.6 55.0 -15 66.5 54.3 -14 65.6 53.7 -13 64.6 53.1 -12 63.1 51.9 -11 62.0 51.2 -10 60.9 50.4 -9 59.9 49.7 -8 58.7 48.9 -7 57.6 48.1 -6 56.4 47.3 -5 55.4 46.6 -4 54.2 45.8 -3 53.0 44.9 -2 51.8 44.1 -1 50.5 43.2 0 49.3 42.3 1 48.3 41.7 2 46.8 40.5 3 45.8 39.9 4 44.3 38.7 5 43.1 37.9 6 41.8 36.9 7 40.6 36.1 8 39.3 35.1 9 37.9 34.1 10 36.6 33.1 11 35.2 32.1 12 33.8 31.0

Rys. 10.1. Charakterystyka cieplno-przepływowa wymiennika XB 51L-1 30, t11=120 oC, t21=55 oC,

m2=2.4 kg/s [64]

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

450.00

500.00

0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000

m1

202

Do obliczenia zmienionego strumienia masy można użyć programu Hexact [64]. Rys. 2.

pokazuje opcję właściwą do symulacji w zmienionych warunkach mocy cieplnej. Na rys. 3.

pokazano ekran programu Hexact z doborem wymiennika w poprzednich warunkach

obliczeniowych. Przyjmijmy następujący przykład:

Φsh1 = 165.00 kW,

Φsh2 = 115.82 kW, (0.7Φsh1)

ts1/tr1= 90/70 oC, Tz1/Tp1=130/75 oC (sieć),

ts2/tr2= 72/58 oC, Tz2/Tp2=110/65 oC (sieć).

Rys. 10.2. Wybór opcji symulacji w programie HEXACT przy zmianie mocy zamówionej do ogrzewania

[64]

Rys. 10.3. Ekran programu HEXACT – wyniki doboru wymiennika w warunkach początkowych [64]

203

Rys. 10.4. Ekran programu HEXACT – wyniki symulacji pracy wymiennika w zmienionych warunkach (ze zmianą temperatury obliczeniowej wody w instalacji ogrzewania i w sieci ciepłowniczej) [64]

Zmiana strumienia masy w powyższym przykładzie jest niezbyt znaczna – wynika to ze

zmiany parametrów obliczeniowych instalacji wewnętrznej i parametrów sieci. Jeśli nie

nastąpi zmiana temperatury obliczeniowej wody w sieci ciepłowniczej, zmiana strumienia

masy wody sieciowej będzie znacznie większa. Prezentuje to poniższy przykład.

Φsh1 = 165.00 kW,Φsh2 = 115.82 kW, (0.7Φsh1),

ts1/tp1= 90/70 oC, Ts1/Tr1=130/75 oC (sieć), ts2/tr2= 72/58 oC, Ts2/Tr2=130/75 oC (sieć).

Rys. 10.5. Ekran programu HEXACT – wyniki symulacji pracy wymiennika w zmienionych warunkach(bez

zmiany temperatury obliczeniowej wody w sieci ciepłowniczej) [64]

204

W przykładzie stosunek strumieni masy wynosi 0.54 przy stosunku strumieni ciepła 0.7.

Nowe wartości strumienia masy w obwodzie pierwotnym sekcji ogrzewania są danymi

początkowymi do przeliczenia węzła cieplnego w celu wyznaczenia nastawy zaworu regulacji

różnicy ciśnienia i przepływu oraz do wyznaczenia nowych wartości ciśnienia

dyspozycyjnego węzła. Średnice przewodów, zakres nominalny ciepłomierzy, średnica

filtrów, charakterystyka hydrauliczna wymiennika ciepła, współczynnik przepływu zaworu

regulacyjnego nie zmieniają się w stosunku do wartości początkowych. Przy nowym

strumieniu masy nośnika ciepła każde z urządzeń będzie się charakteryzować odmienną stratą

ciśnienia.

Zmiana zapotrzebowania na ciepłą wodę w przypadku zmiany mocy zamówionej

powinna mieć uzasadnienie, podobnie jak zmiana mocy cieplnej do ogrzewania.

Nieuzasadnione zmniejszenie mocy wymiennika ciepłej wody może spowodować

niedotrzymanie temperatury ciepłej wody i obniżenie standardu obsługi odbiorców.

Na podstawie nowej wielkości zapotrzebowania na ciepłą wodę możemy wyznaczyć

strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym sekcji przygotowania ciepłej wody.

Jeżeli zmieni się dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę, także ulegnie zmianie moc

zamówiona (przyjęta w Polsce praktyka to uwzględnienie średniej godzinowej wielkości

mocy cieplnej do przygotowania ciepłej wody jako składnika mocy zamówionej). Przyjmijmy

następujące dane do przykładu.

ΦDHW1 = 123.45 kW,

ΦDHW2 = 69.72 kW,

Temperatura obliczeniowa wody w obwodzie sieciowym c.w. jest taka sama. Inna będzie

temperatura wody powrotnej w zmienionych warunkach eksploatacji. Ts1/Tr1=70/30 oC.

Wybór opcji symulacji pokazano na rys. 8, wyniki doboru i symulacji na rys. 7. i 9.

.

205

Rys. 10.6. Ekran programu HEXACT – wyniki wymiennika w początkowych

Warunkach zapotrzebowania na ciepłą wodę [64]

Rys. 10.7. Wybór opcji symulacji w programie HEXACT przy zmianie mocy zamówionej do ciepłej wody

[64]

Rys. 10.8. Ekran programu HEXACT – wyniki symulacji pracy wymiennika w zmienionych warunkach

zapotrzebowania na ciepłą wodę [64]

206

Rzeczywista temperatura wody powrotnej do sieci ciepłowniczej jest wynikiem

symulacji. Podobnie jak w przypadku sekcji ogrzewania, nowe wartości strumienia masy w

obwodzie pierwotnym sekcji ogrzewania są danymi początkowymi do przeliczenia węzła

cieplnego w celu wyznaczenia nastawy zaworu regulacji różnicy ciśnienia i przepływu oraz

do wyznaczenia nowych wartości ciśnienia dyspozycyjnego węzła. Średnice przewodów,

zakres nominalny ciepłomierzy, średnica filtrów, charakterystyka hydrauliczna wymiennika

ciepła, współczynnik przepływu zaworu regulacyjnego nie zmieniają się w stosunku do

wartości początkowych. Przy nowym strumieniu masy nośnika ciepła każde z urządzeń

będzie się charakteryzować odmienną stratą ciśnienia.

Zmienione warunki hydrauliczne w sekcji ogrzewania i przygotowania ciepłej wody

powodują zmianę warunków hydraulicznych w obwodzie przyłączeniowym węzła cieplnego.

Jest istotne, że zmiana strumienia masy w obwodach sieciowych ogrzewania i

przygotowania ciepłej wody nie powoduje zmiany autorytetu zaworów regulacyjnych.

Zmiana straty ciśnienia w obwodzie jest proporcjonalna w przybliżeniu do 2. potęgi

strumienia objętości nośnika ciepła, a więc jest jednakowa w każdym elemencie węzła. Stąd,

jeżeli nie nastąpi w przewodach przejście do strefy ruchu laminarnego, autorytet zaworu w

sekcji ogrzewania i przygotowania ciepłej wody nie zmienia się. Nie ma powodów, aby po

zmianie mocy zamówionej w węźle cieplnym dokonywać zmiany zaworów regulacyjnych na

zawory o mniejszym współczynniku przepływu. Będzie to postępowanie nieuzasadnione.

Model obliczeń węzła cieplnego przy zmianie mocy zamówionej jest nieco inny niż

przy projektowaniu nowego węzła. Nowe, skorygowane dane węzła: strumień masy wody

sieciowej i dyspozycyjną różnicę ciśnienia należy przyjąć jako parametry operacyjne sieci

ciepłowniczej.

Poniżej pokazano wydruk z programu WEZELHEXACT [65] – doboru elementów

projektowanego węzła cieplnego i z programu korekty parametrów operacyjnych węzła

cieplnego przy zmianie mocy zamówionej. Odpowiednie wartości znajdują się w tabelach.

207

208

209

210

211

11. WSPÓŁPRACA WĘZŁÓW CIEPLNYCH Z SIECI Ą CIEPŁOWNICZ Ą I

ŹRÓDŁEM CIEPŁA

Węzeł cieplny jest częścią kompleksowego scentralizowanego systemu ciepłowniczego.

Wszystkie elementy systemu powinny z sobą współpracować w sensie technicznym i

ekonomicznym:

• źródło ciepła,

• sieć ciepłownicza,

• węzeł cieplny.

Pomiędzy elementami systemu zachodzą interakcje, których przyczyną jest głównie

zmiana parametrów operacyjnych węzłów cieplnych. Położenie zaworów regulacji

temperatury w obwodach węzła ciepłowniczego ustala wypadkowy strumień objętości

nośnika ciepła w sieci i źródle, zawory regulacji różnicy ciśnienia ustalają stałą wewnętrzną

dyspozycyjną różnicę ciśnienia – jest to oddziaływanie węzłów cieplnych na sieć i źródło.

Zmiana parametrów w źródle z kolei wywiera wpływ na położenie zaworów regulacyjnych w

węzłach cieplnych. Obwody wtórne wprowadzają zakłócenia do obwodów pierwotnych –

zmiana warunków bilansu cieplnego w instalacji ogrzewania, wentylacji lub przygotowania

ciepłej wody implikuje zmianę strumienia objętości i temperatury nośnika ciepła w obwodzie

pierwotnym, co z kolei powoduje zmianę położenia zaworów automatycznej regulacji

temperatury. Zmieniona charakterystyka hydrauliczna obwodów pierwotnych wpływa na

położenie zaworu regulacji różnicy ciśnienia.

Wyeliminowanie z systemów ciepłowniczych węzłów bezpośredniego połączenia

znacznie zmniejszyło liczbę problemów eksploatacyjnych: niekontrolowane ubytki wody,

przeniesienie stanów awaryjnych instalacji na sieć, oddziaływanie ciśnienia w sieci na

ciśnienie wody w instalacji.

11.1. Zrównoważenie hydrauliczne sieci ciepłowniczej. Współpraca źródła ciepła i sieci z

węzłami cieplnymi

Zrównoważenie hydrauliczne systemu ciepłowniczego polega na dostosowaniu

przepływu (strumienia masy) nośnika ciepła do aktualnych warunków zapotrzebowania na

moc cieplną w węzłach. Efekt zrównoważenia jest wynikiem szczegółowych obliczeń

hydraulicznych zarówno w warunkach obliczeniowych, jak i w warunkach zmniejszonego

strumienia masy wody sieciowej. Poszerzenie obszaru regulacji ilościowej, przy stałej

212

temperaturze wody zasilającej, powoduje konieczność zrównoważenia systemu przy dużej

nierównomierności przepływu. Zrównoważona sieć ciepłownicza powinna się

charakteryzować parametrami operacyjnymi zapewniającymi maksimum możliwości

poprawnej technicznie i uzasadnionej ekonomicznie współpracy ze źródłem ciepła i węzłami

cieplnymi. Ciśnienie (różnica ciśnienia) wytwarzana w źródle powinna być dostosowana do

wymagań węzłów cieplnych, przy uwzględnieniu straty ciśnienia w przewodach sieci

ciepłowniczej przy danym współczynniku obciążenia. O kosztach eksploatacji sieci

ciepłowniczej i źródła ciepła decyduje produkcja ciepła i zużycie energii elektrycznej do

napędu pomp w źródle (ewentualnie w pompowniach sieciowych). Zagadnienia te były

częściowo omawiane w rozdziale 7. w związku z ryzykiem kawitacji w rozległych systemach

ciepłowniczych. Ważne zadanie w uzyskaniu zrównoważenia hydraulicznego systemu

ciepłowniczego (węzłów, sieci i źródła) ma zastosowanie zaworów regulacji różnicy

ciśnienia. Obecnie prawie nie projektuje się kompleksowych scentralizowanych systemów

ciepłowniczych takich, jakie powstawały w latach 50. i 60. XX w. Systemy istniejące

rozbudowuje się w kierunku nowych osiedli mieszkaniowych, ale zasadniczy układ magistral

ciepłowniczych w wielu miastach nie ulega zmianie. Przy projektowaniu nowej sieci

ciepłowniczej w skali globalnej wybór średnicy przewodów jest podyktowany kryterium

maksymalnej prędkości lub maksymalnej wartości jednostkowego spadku ciśnienia

(jednostkowej liniowej straty ciśnienia). Można przyjąć średnice przewodów, zakładając

różną wartość prędkości maksymalnej. Przy założeniu większej prędkości przepływu wody

strata ciśnienia w sieci ciepłowniczej w warunkach obliczeniowych będzie większa niż przy

mniejszej prędkości granicznej. Będzie to oznaczać wyższą dyspozycyjną różnicę ciśnienia w

źródle ciepła, tym samym wyższe koszty pompowania nośnika ciepła. W sieci ciepłowniczej

bez pompowni sieciowych różnica ciśnienia w źródle ciepła musi być wytworzona przy

całkowitym strumieniu objętości wody w systemie ciepłowniczym. W systemie z

pompowniami sieciowymi w pompowniach położonych dalej od źródła ciepła strumień

objętości wody jest mniejszy – mniejsza jest też energia pompowania. Na rys. 11.1. pokazano

przykładowy wykres ciśnienia w sieci o średniej rozległości (5400 m) [20] wygenerowany

przy przyjęciu do doboru średnic maksymalnej prędkości przepływu wody 2.2 m/s.

Dyspozycyjna różnica ciśnienia jest równa 10.67 bar. Węzły cieplne położone w pobliżu

źródła ciepła mają dużą nadwyżkę różnicy ciśnienia – nadwyżka ta musi być zdławiona w

zaworach regulacji różnicy ciśnienia. Może się pojawić ryzyko kawitacji w węzłach

położonych bliżej źródła. Rys. 11.2. ilustruje wykres ciśnienia otrzymany przy przyjęciu do

213

doboru średnicy maksymalnej prędkości przepływu wody 1.5 m/s. Dyspozycyjna różnica

ciśnienia jest w tym przypadku mniejsza i wynosi 6.85 bar. W tabeli 11.1. porównano

średnice odpowiednich odcinków sieci przy różnym kryterium prędkości maksymalnej (2.2

m/s i 1.5 m/s). Sieć zaprojektowana przy przyjęciu maksymalnej prędkości przepływu 1.5 m/s

będzie stateczniejsza niż sieć zaprojektowana przy prędkości 2.2 m/s, tzn. zmiana strumienia

objętości nośnika ciepła (wymuszona działaniem węzłów cieplnych) będzie powodowała

zmianę ciśnienia w sieci w mniejszym zakresie.

Rys. 11.1. Wykres ciśnienia w sieci ciepłowniczej przy przyjęciu do doboru średnic maksymalnej prędkości

przepływu wody 2.2 m/s

Rys. 11.2. Wykres ciśnienia w sieci ciepłowniczej przy przyjęciu do doboru średnic maksymalnej prędkości

przepływu wody 1.5 m/s

ps1

pr1

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

distance [m]

p

ps1

pr1

ps1

pr1

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

800.00

900.00

1000.00

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

distance [m]

p

ps1

pr1

214

W początkowych odcinkach sieci trudno będzie uniknąć kawitacji w zaworach regulacji

różnicy ciśnienia. Struktura sieci zwykle pozwala na zamontowanie w odgałęzieniach od sieci

magistralnej zaworów regulacji różnicy ciśnienia. Przy określeniu niezbędnej dyspozycyjnej

różnicy ciśnienia w źródle ciepła należy uwzględnić stratę ciśnienia w zaworach

zamontowanych w odgałęzieniach sieci.

Tabela 11.1. Porównanie średnic sieci ciepłowniczej przy maksymalnej

prędkości przepływu wody 2.2m/s i 1.5 m/s, opracowanie własne

sekcja l [m] DNwmax=2.2 m/s DN wmax=1.5 m/s 1 800.00 600 600 2 759.00 600 600 3 14.00 500 600 4 60.00 500 600 5 27.00 450 600 6 86.00 450 600 7 85.00 400 500 8 93.00 400 500 9 133.00 400 500

10 64.00 400 500 11 68.00 400 500 12 60.00 400 450 13 270.00 400 450 14 34.00 350 450 15 20.00 350 450 16 46.00 350 450 17 38.00 350 450 18 103.00 350 450 19 151.00 300 400 20 201.00 300 400 21 55.00 300 400 22 62.00 300 400

23 332.00 300 350

24 4.00 300 300 25 287.00 250 300 26 81.00 250 250 27 29.00 250 250 28 139.00 200 250 29 100.00 200 250 30 119.00 200 250 31 69.00 200 250 32 22.00 200 200 33 186.00 200 200 34 49.00 150 200 35 68.00 150 150 36 37.00 150 150 37 159.00 100 100

38 38.00 100 100

39 80.00 100 100

40 46.00 100 100

41 147.00 100 100

42 50.00 100 100

43 50.00 65 65

215

Na rys. 11.3 porównano średnice odcinków sieci. Koszt sieci w wariancie przy niższej

prędkości będzie większy niż przy prędkości wyższej. Obliczono orientacyjny wskaźnik

kosztu inwestycji jako sumę iloczynu średnicy [m] i długości odcinków sieci [m]. Wskaźniki

te są równe odpowiednio: 1963 i 2174 (iloraz jest równy 0.9). Dokładny rachunek

ekonomiczny można sporządzić w oparciu o koszt wykonania sieci cieplnej i obliczone

koszty pompowania nośnika ciepła w obydwu wariantach.

Rys. 11.3. Porównanie średnicy odcinków sieci ciepłowniczej przy maksymalnej prędkości przepływu 2.2 m/s i

1.5 m/s.

Mniejsze koszty energii elektrycznej do napędu pomp w źródle będą występowały w

przypadku sieci ciepłowniczej z pompowniami sieciowymi. W kompleksowym rachunku

ekonomicznym należy uwzględnić koszt wybudowania, utrzymania i eksploatacji pompowni

sieciowych. Na rys. 11.4. przedstawiono wykres ciśnienia w sieci z poprzednich przykładów

przy założeniu budowy 2 pompowni sieciowych. Średnice przewodów sieci przyjęto przy

prędkości maksymalnej 2.2 m/s.

0

100

200

300

400

500

600

700

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43

0

100

200

300

400

500

600

700

216

Rys. 11.4. Wykres ciśnienia w sieci ciepłowniczej z dwoma pompowniami sieciowymi

Dyspozycyjna różnica ciśnienia w źródle jest równa 5.8 bar. W poprzednich latach

unikano budowy sieci ciepłowniczych z pompowniami sieciowymi ze względu na trudności w

regulacji parametrów pompowni, zwłaszcza po wprowadzeniu skutecznej regulacji

parametrów węzłów cieplnych.. Pompy o stałej charakterystyce nie mogły się dostosować do

współpracy z siecią ciepłowniczą o zmiennym przepływie. Zmniejszenie strumienia objętości

wody w sieci powodowało wzrost wysokości podnoszenia pompy, czyli skutek przeciwny do

wymaganego – przy zmniejszeniu strumienia masy wody sieciowej maleje strata ciśnienia.

Wprowadzenie bezstopniowej regulacji prędkości obrotowej pomp pozwoliło na skuteczną

współpracę pompowni sieciowych z systemem ciepłowniczym (siecią i źródłem). Pompownie

są zlokalizowane w punkcie “1”i “2”. Minimalne ciśnienie w sieci (w przewodzie

powrotnym) jest kształtowane przez pompy stabilizujące w źródle ciepła. Pompy w źródle i w

pompowniach sieciowych utrzymują dyspozycyjną różnicę ciśnienia (ps-pr) według

następującego schematu (algorytmu):

• pompy w źródle ciepła – w punkcie “1”

• pompy w pompowni 1. – w punkcie “2”

• pompy w pompowni 2. – w punkcie “3”.

Strumień objętości wody w sieci ciepłowniczej w okresie lata jest mniejszy niż w

sezonie grzewczym, odpowiednio mniejsza jest też strata ciśnienia. W celu zapewnienia

właściwych warunków działania węzłów i ekonomicznie uzasadnionego zużycia energii

elektrycznej do pompowania nośnika ciepła, należy ustalić odpowiednie parametry pracy

217

zespołów pompowych. Można zastosować odrębne zespoły pompowe do warunków sezonu

grzewczego i letnich.

Możliwości dostosowania parametrów pomp w źródle ciepła do współpracy z

dynamicznie działającą siecią ciepłowniczą stwarzają tylko rozdzielone układy źródeł ciepła:

ciepłowni i elektrociepłowni. W układzie rozdzielonym każdy z obwodów jest wyposażony w

pompy. Nie instaluje się urządzeń dławiących, aby uniknąć dyssypacji energii. W ciepłowni

można wyodrębnić następujące obwody (obiegi):

• kotłów z pompami PK,

• gorącego mieszania z pompami PM,

• zimnego mieszania z pompami PZ,

• sieci ciepłowniczej z pompami PS.

Schemat rozdzielonych obiegów ciepłowni pokazano na rys. 11.5.

Równania bilansu masy i ciepła określają wzory (11.1)..(11.4) [30]

zos mmm += (11.1)

spzkzoszs tmtmtm ⋅+⋅=⋅ (11.2)

o

n

1j

g

n

1j

k m]j[m]j[m +=∑∑==

(11.3)

spo

n

1j

kzg

n

1j

kpk tmt]j[mt]j[m ⋅+⋅=⋅ ∑∑==

(11.4)

Oznaczenia na rysunkach n – liczba kotłów.

Rys. 11.5. Schemat ciepłowni z rozdzielonymi obiegami [30]

K1..3 – kotły, PK1..3 – pompy kotłowe, PM1..3 – pompy gorącego mieszania,

PZ – pompy zimnego mieszania, PS – pompy sieciowe, m – strumień masy, p - ciśnienie

218

Zadaniem pomp kotłowych jest zapewnienie stałego przepływu wody przez kocioł

(pracujący). Pompy gorącego mieszania utrzymują minimalną wymaganą temperaturę wody

wracającej do kotła, zwiększając strumień objętości wody wracającej z sieci ciepłowniczej.

Pompy zimnego mieszania utrzymują zadaną temperaturę wody zasilającej w sieci

ciepłowniczej w wyniku mieszania strumienia wody powrotnej ze strumieniem dopływającym

z obiegów kotłów. Pompa sieciowa współpracuje z siecią ciepłowniczą – strumień objętości

(wydajność pompy) jest wynikiem oddziaływania systemu na źródło, wysokość podnoszenia

pomp sieciowych jest regulowana wymaganiami dyspozycyjnej różnicy ciśnienia w najmniej

korzystnie położonym węźle cieplnym (przeważnie najdalszym). Schemat pokazany na

rysunku pozwala zminimalizować zużycie energii elektrycznej do pompowania nośnika

ciepła, dostosowując różnicę ciśnienia w sieci do aktualnego stanu bilansu cieplnego. Układ

pozwala zmniejszyć zużycie energii w przypadku wystąpienia zysków ciepła w ogrzewanych

budynkach. Pompy kotłowe pracują tylko przy działających kotłach. Liczba działających

kotłów jest ustalana w zależności od zakresu temperatury powietrza zewnętrznego. Kotły

gazowe i olejowe mogą być utrzymywane w tzw. gorącej rezerwie, kotły spalające węgiel i

biomasę wymagają długiego rozruchu. Na rysunku 11.6. zilustrowano przykładowy diagram

przepływu w kotłowni z 4 kotłami, jednym o mocy 11.6 MW i trzema o mocy 5.8 MW.

Rys. 11.5. Diagram przepływu [t/h] w ciepłowni 1x11.6+3x5.8 MW w zależności od temperatury

powietrza zewnętrznego [oC] [68]. Oznaczenia na rys. 11.5.

Diagram pozwala na obliczenia wielkości maksymalnego strumienia objętości w

obiegach i wyznaczenie parametrów pomp. Skoki krzywych wyznaczają punkty zmiany

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

ms

mz

mo

mk

mg

219

liczby działających kotłów. Strumień masy wody sieciowej jest obliczony bez uwzględnienia

oddziaływania zysków ciepła w ogrzewanych budynkach.

W elektrociepłowni (z kotłami szczytowymi lub bez) obieg sieci powinien być również

oddzielony od obiegu wymienników ciepłowniczych (para-woda) i kotła szczytowego. W

elektrociepłowniach wybudowanych w latach 50. i 60. XX wieku przeważnie projektowano

wspólne zespoły pompowe w obiegu wymienników, kotłów i sieci. Brak skutecznie

działających urządzeń regulacyjnych w węzłach cieplnych i brak regulacji miejscowej w

ogrzewanych budynkach „usztywniał” układ przepływu i ciśnienia w sieci. Stosownie do

dzisiejszych standardów projektowania układy wspólnych zespołów pompowych nie mają

możliwości współpracy z dynamiczną siecią ciepłowniczą, współpracującą z nowoczesnymi

węzłami cieplnymi i instalacjami wewnętrznymi. Podobnie jak ciepłowniach wyposażonych

w kotły, w elektrociepłowni należy rozdzielić obiegi: wymiennika ciepłowniczego i sieci.

Ilustruje to rys. 11.7. Sama separacja hydrauliczna obiegów nie jest wystarczająca:

priorytetem w eksploatacji EC jest produkcja energii elektrycznej, najczęściej pozbawiona

elastyczności. Brak odbioru ciepła z wymiennika ciepłowniczego będzie zmniejszał

produkcję energii elektrycznej i utrudniał funkcjonowanie turbiny. Dlatego też elementem

niezbędnym do współpracy EC z siecią ciepłowniczą jest zasobnik ciepła. Pojemność

zasobnika określa się w oparciu o dobowy profil produkcji energii elektrycznej i profil

zapotrzebowania na moc cieplną w systemie ciepłowniczym.

Rys. 11.7. Rozdzielenie obiegów elektrociepłowni, 1 – pompa wymiennika ciepłowniczego, 2 – pompa sieciowa,

3 – wymiennik ciepłowniczy (para-woda), 4 – zasobnik ciepła

2

1

3

4

220

Zrównoważenie systemu ciepłowniczego przynosi korzyści odbiorcy ciepła. System o

dobrych cechach regulacyjnych pozwala na optymalizację parametrów operacyjnych i na

ekonomiczną eksploatację węzła cieplnego. Należy pamiętać, że na działanie węzła cieplnego

ma istotny wpływ instalacja wewnętrzna – jeśli jej działanie będzie wadliwe, eksploatacja

węzła cieplnego może odbiegać od optymalnej.

Główne korzyści wynikające ze zrównoważenia systemu ciepłowniczego to dla

dostawcy ciepła:

• zmniejszenie do minimum czynności eksploatacyjnych w węzłach cieplnych i

źródle ciepła,

• dostosowanie produkcji ciepła do aktualnego zapotrzebowania,

• możliwości dokładnej regulacji parametrów operacyjnych w źródle ciepła,

• możliwości dokładnej regulacji parametrów operacyjnych w węzłach cieplnych,

• minimalizacja przepływu nośnika ciepła,

• minimalizacja zużycia ciepła i energii pompowania w źródle,

• minimalizacja zużycia ciepła i energii pompowania w węzłach cieplnych,

• stabilność pracy systemu,

• minimalizacja kosztu eksploatacji systemu.

Główne korzyści dla odbiorcy ciepła:

• zmniejszenie do minimum czynności eksploatacyjnych w węźle,

• łatwe ustawienia wielkości regulowanych,

• stabilna temperatura w obwodach regulowanych,

• brak uciążliwości związanych z hałasem,

• długa żywotność elementów wyposażenia węzła cieplnego,

• dostosowanie konsumpcji ciepła do aktualnego zapotrzebowania,

• minimalizacja opłat z tytułu dostawy ciepła.

Tabela 11.2. podaje możliwe warianty własności i eksploatacji węzłów cieplnych.

Tabela11.2. Warianty własności i eksploatacji węzłów cieplnych, PC – Przedsiębiorstwo Ciepłownicze,

U - użytkownik

Lista Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Własność wyposażenia węzła PC PC U U Własność pomieszczenia węzła PC U U U Eksploatacja węzła PC PC PC U

221

W każdym przypadku własnością Przedsiębiorstwa Ciepłowniczego są następujące elementy

węzła cieplnego:

• ciepłomierz,

• regulator różnicy ciśnienia i przepływu.

11.2. Znaczenie regulatorów różnicy ciśnienia w systemie ciepłowniczym

Regulatory różnicy ciśnienia (z ograniczeniem przepływu) są elementem niezbędnym w

węźle cieplnym. Konieczność ich montażu jest podyktowana wymaganiami Przedsiębiorstw

Ciepłowniczych. Panują odmienne opinie na temat konieczności stosowania zaworów z

ograniczeniem przepływu. Przy starannym obliczeniu strat ciśnienia w węźle i zgodności

wykonania węzła cieplnego z projektem przyjęta wielkość regulowana dyspozycyjnej różnicy

ciśnienia (wewnętrznej) w zasadzie determinuje maksymalny strumień objętości wody w

węźle cieplnym. Stosowanie ograniczenia przepływu daje Przedsiębiorstwu Ciepłowniczemu

narzędzie do bezpośredniego ograniczenia przepływu, np. przy zmniejszeniu przez

użytkownika mocy zamówionej do ogrzewania lub przygotowania ciepłej wody.

Główne funkcje regulatora różnicy ciśnienia w węźle cieplnym to:

• regulacja (stałej wartości) różnicy dyspozycyjnej ciśnienia w pętli regulacji

(wewnętrznej) – zapewnia to odpowiednie warunki działania obwodów węzła wraz

z zaworami regulacyjnymi temperatury,

• eliminacja wpływu zmian ciśnienia w sieci ciepłowniczej na działanie węzła, tym

samym uniezależnienie od zmiennych warunków zasilania i oddziaływania innych

węzłów - zawór regulacji różnicy ciśnienia nie chroni przed wzrostem ciśnienia

ponad wartość dopuszczalną, jego działanie nie jest w stanie zapobiec przekazaniu

szybkiego impulsu ciśnienia przy jego wzroście; jeżeli ciśnienie w sieci może

wzrosnąć ponad wartość dopuszczalną w obwodach pierwotnych węzła cieplnego

(taki przypadek występuje niezwykle rzadko), należy w węźle cieplnym

przewidzieć zawór bezpieczeństwa,

• eliminacja zmiany dyspozycyjnej różnicy ciśnienia przy zmianie temperatury

wody zasilającej w sieci ciepłowniczej – wskutek zmiany stopnia otwarcia

zaworów regulacji temperatury ustala się odmienna charakterystyka hydrauliczna

obwodów,

222

• łatwa zmiana wielkości regulowanej (nastawy) przy zmianie parametrów

operacyjnych – np. zmianie mocy zamówionej albo zmianie warunków zimowych

na letnie,

• ograniczenie przepływu – strumień objętości wody sieciowej w węźle cieplnym

nie może wzrosnąć o więcej niż 5-10%. Zmiana przepływu w takim stopniu nie

jest w stanie zwiększyć mocy cieplnej wymiennika ciepła w obwodzie ogrzewania

i przygotowania ciepłej wody,

• łatwa zmiana nastawionej wartości ograniczenia przepływu, np. przy zmianie

mocy zamówionej,

• eliminacja wpływu zmiany charakterystyki hydraulicznej obwodów pierwotnych

na sieć ciepłowniczą – z dokładnością do zmiennej straty ciśnienia w regulatorze

różnicy ciśnienia węzeł cieplny w obrazie sieci może być uważany za punkt o

stałej wartości dyspozycyjnej różnicy ciśnienia.

Zawory regulacji różnicy ciśnienia (regulatory bezpośrednie lub z zawory regulacyjne z

siłownikami elektrycznymi) mogą być instalowane w odgałęzieniach sieci ciepłowniczej od

magistrali, zwłaszcza w odcinkach leżących w pobliżu źródła ciepła.

Główne funkcje tych zaworów to:

• ustalenie stałej różnicy ciśnienia w odgałęzieniu sieci, co pozwala na stabilną

pracę węzłów cieplnych,

• łatwa zmiana wielkości regulowanej różnicy ciśnienia przy rozbudowie sieci lub

zmianie mocy zamówionej przez odbiorców,

• eliminacja ryzyka wystąpienia kawitacji w zaworach regulacji różnicy ciśnienia,

• eliminacja wpływu zmian ciśnienia w przewodach sieci magistralnej i źródle na

działanie węzłów cieplnych w regulowanej gałęzi..

11.3. Ograniczenie mocy cieplnej i przepływu nośnika ciepła w źródle ciepła

Parametry projektowe źródła ciepła powinny korespondować z parametrami

operacyjnymi innych elementów systemu ciepłowniczego. Moc cieplna źródła ciepła jest

maksymalną mocą wszystkich zamontowanych jednostek kotłowych lub sumą mocy

wymienników ciepłowniczych i kotłów szczytowych w elektrociepłowni. Moc cieplna źródła

ciepła powinna pokrywać największą wielkość zapotrzebowania na moc cieplną w systemie

ciepłowniczym z uwzględnieniem strat przesyłu. Straty ciepła w sieciach budowanych

223

obecnie nie przekraczają 5÷8% mocy cieplnej systemu. W sieciach ciepłowniczych

wybudowanych w poprzednich latach poziom strat ciepła w odniesieniu do mocy cieplnej

może przyjmować wartości z przedziału 8÷12% mocy cieplnej systemu. Wskaźnik strat ciepła

odniesiony do przesyłanego ciepła jest zwykle większy niż wskaźnik odniesiony do mocy

cieplnej. Maksymalna moc cieplna do ogrzewania budynków jest przyjmowana przy

najniższej (obliczeniowej) temperaturze powietrza zewnętrznego. W polskich warunkach

klimatycznych może wystąpić dłuższy (kilkudniowy) okres o minimalnej temperaturze

powietrza zewnętrznego, stąd ryzykowne byłoby przyjmowanie współczynnika

zmniejszającego do wymaganej mocy źródła do celów ogrzewania. Jest istotne, aby

Przedsiębiorstwo Ciepłownicze dysponowało wiarygodnymi danymi wielkości

zapotrzebowania na moc cieplną ogrzewanych budynków. Zamówiona moc cieplna powinna

odpowiadać rzeczywistym potrzebom cieplnym budynku. Zmiany mocy cieplnej powinny

mieć uzasadnienie i być na bieżąco nanoszone na mapę systemu i do programu obliczeń sieci

ciepłowniczej.

W systemach ciepłowniczych w średnich i dużych miastach czas przepływu wody przez

najdalszy obieg sieci ciepłowniczej wynosi kilkanaście godzin. Maksimum zapotrzebowania

na ciepłą wodę występuje przeciętnie w tym samym czasie w większości budynków (szczyt

poranny i wieczorny). Efektem zwiększonego zapotrzebowania na ciepłą wodę jest obniżenie

temperatury wody sieciowej wracającej z obwodu przygotowania ciepłej wody, Strumień

masy nośnika ciepła jest ograniczony w wyniku działania zaworu regulacji temperatury i

zaworu regulacji różnicy ciśnienia. Woda o niższej temperaturze odpływająca z węzła o

aktualnie maksymalnym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę miesza się z wodą powrotną w sieci

ciepłowniczej, która dopłynęła z węzłów położonych dalej od źródła. Różnica czasu kilku

godzin powoduje niejednoczesność oddziaływania ochłodzonego strumienia wody

wracającego z węzłów cieplnych na przewody zbiorcze sieci ciepłowniczej.

W źródle ciepła potrzeby ciepłej wody redukują się do wartości średnich godzinowych.

Do bilansu mocy cieplnej źródła należy przyjmować moc cieplną do przygotowania ciepłej

wody określoną w warunkach średnich godzinowych. Przy określeniu niezbędnej mocy źródła

ciepła do przygotowania ciepłej wody w okresie lata należy przyjąć realne wartości strat

ciepła w sieci ciepłowniczej. Wskaźnik strat ciepła w lecie, mimo niższej temperatury nośnika

ciepła, jest wyższy niż w warunkach sezonu grzewczego. Zapotrzebowanie na moc cieplną

do przygotowania ciepłej wody w źródle ciepła stanowi zwykle 8÷15% zapotrzebowania na

moc cieplną do celów ogrzewania.

224

Największą niestabilnością mocy cieplnej charakteryzują się układy podgrzewania

powietrza wentylacyjnego. Układy mogą działać ciągle, ale np. w niektórych obiektach

użyteczności publicznej mogą działać okresowo. W przeciętnych systemach miejskich udział

układów wentylacyjnych jest niewielki i nie wpływa istotnie na działanie systemu. Może

natomiast zakłócać działanie odgałęzień sieci ciepłowniczej o dużej liczbie obiektów z

instalacją wentylacji mechanicznej.

Przedsiębiorstwo Ciepłownicze może w każdym sezonie grzewczym dokonać

weryfikacji mocy cieplnej na podstawie wskazań ciepłomierzy w budynkach i ciepłomierza w

źródle ciepła. Pozwala to także oszacować straty ciepła w systemie. Przedsiębiorstwo

Ciepłownicze powinno także skontrolować zgodność mocy zamówionej z rzeczywistą mocą

cieplną pobieraną przez budynek. Bazy danych systemu ciepłowniczego mogą

współpracować z systemami graficznymi i z systemem monitoringu parametrów.

Strumień masy (objętości) nośnika ciepła w systemie ciepłowniczym jest wypadkową

oddziaływania wszystkich węzłów. Jest wymuszony przez stan pracy węzłów cieplnych,

nie jest kształtowany przez pompy sieciowe. Dokładne obliczenie węzłów cieplnych,

projektowanych i węzłów o zmienionej mocy zamówionej prowadzi do wyznaczenia

wiarygodnej wartości łącznego strumienia nośnika ciepła w źródle. Z uwagi na nieliniowość

charakterystyki wymienników ciepła zmniejszonej mocy cieplnej będzie odpowiadał

zmniejszony strumień masy nośnika ciepła w stopniu istotnie większym niż zmiana

proporcjonalna. Program HEXACT pozwala na dokładne symulacje działania węzłów

cieplnych w zmienionych warunkach zapotrzebowania na moc cieplną. Występowanie

zysków ciepła w budynkach (wewnętrznych i zewnętrznych) prowadzi do istotnego

zmniejszenia strumieni masy w obwodzie pierwotnym ogrzewania. Zmniejszenie strumienia

nośnika ciepła może występować w różnych punktach sieci, prowadząc do obniżenia

strumienia w źródle. Funkcja priorytetu ciepłej wody stabilizuje strumień nośnika ciepła w

obwodzie przyłączeniowym węzła cieplnego. Na rys. 11.8. pokazano wyniki obliczeń

strumienia masy [20, 21..29] w węźle cieplnym do celów ogrzewania i przygotowania ciepłej

wody wyposażonym w funkcję priorytetu ciepłej wody, przy ograniczeniu sumy stopnia

otwarcia zaworów w obwodzie ogrzewania i przygotowania ciepłej wody do 150%. Większa

zmienność strumienia masy nośnika ciepła wystąpi w okresie lata. W pewnych okresach doby

przepływ w sieci ciepłowniczej może się zmniejszyć prawie do zera. Może wówczas mieć

miejsce znaczne ochłodzenie wody dopływającej do odległych węzłów cieplnych.

225

Przedsiębiorstwo Ciepłownicze powinno dokonać oceny technicznej i ekonomicznej

efektywności funkcjonowania systemu ciepłowniczego w okresie lata.

Rys. 11.8. Strumień masy nośnika ciepła w węźle cieplnym z priorytetem ciepłej wody w wybranej dobie. Górna

krzywa – przepływ sumaryczny, dolna krzywa – przepływ w obwodzie pierwotnym ogrzewania [21, 29]

Minimalizacja przepływu w źródle cieplnym jest możliwa przy prawidłowym ustaleniu

parametrów operacyjnych węzłów cieplnych. Uzyskanie efektów ekonomicznych w postaci

zmniejszenia zużycia energii elektrycznej przez pompy sieciowe jest możliwe tylko w

źródłach ciepła z rozdzielonymi obiegami.

Strumień masy nośnika ciepła można określić orientacyjnie (np. do celów koncepcji) w

funkcji całkowitego zapotrzebowania na moc cieplną w systemie. Dane, podane na podstawie

doświadczeń autora, należy jednak traktować jako przybliżone. W tabeli 11.2. podano

propozycję współczynnika zmniejszającego do obliczeniowego strumienia masy nośnika

ciepła w zależności od mocy cieplnej obszaru ciepłowniczego. Obliczeniowy strumień masy

nośnika ciepła wyznacza się z wzoru:

( )rosop

veDHWshs

ttscm

−Φ+Φ+Φ= (11.5)

gdzie:

Φsh – moc cieplna do celów ogrzewania, kW,

0.800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

2.200

2.400

00:0

0:51

00:4

0:51

01:2

0:51

02:0

0:51

02:4

0:51

03:2

0:51

04:0

0:51

04:4

0:51

05:2

0:51

06:0

0:51

06:4

0:51

07:2

0:51

08:0

0:51

08:4

0:51

09:2

0:51

10:0

0:51

10:4

0:51

11:2

0:51

12:0

0:51

12:4

0:51

13:2

0:51

14:0

0:51

14:4

0:51

15:2

0:51

16:0

0:51

16:4

0:51

17:2

0:51

18:0

0:51

18:4

0:51

19:2

0:51

20:0

0:51

20:4

0:51

21:2

0:51

22:0

0:51

22:4

0:51

23:2

0:51

msco

msc

226

ΦDHW – moc cieplna do przygotowania ciepłej wody (średnia godzinowa), kW,

Φsh – moc cieplna do celów wentylacji, kW.

Potrzeby technologiczne w dużych systemach ciepłowniczych można pominąć.

Tabela 11.2. Współczynnik korekcyjny do przepływu obliczeniowego

w sieci ciepłowniczej [20]

Moc cieplna obszaru [MW] Współczynnik korekcyjny do przepływu obliczeniowego

do 1 0.95 1÷5 0.90÷0.95 5÷10 0.85÷0.90 10÷20 0.80÷0.90 20÷50 0.75÷0.85 50÷300 0.65÷0.80

300÷3000 0.60÷0.75 większa niż 3000 0.50÷065

W celu osiągnięcia zrównoważenia każdy element systemu ciepłowniczego powinien

być zaprojektowany i eksploatowany prawidłowo. Pierwsza kwestia to zadanie projektantów,

druga służb eksploatacyjnych Przedsiębiorstw Ciepłowniczych.

227

12. POMIESZCZENIA WĘZŁÓW CIEPLNYCH – WYMAGANIA

Wymagania, jakie powinny spełniać pomieszczenia węzłów cieplnych mogą być różne

w różnych krajach. Większość wymagań odnośnie do pomieszczeń węzłów cieplnych w

Polsce, podanych w dalszej części rozdziału nie ma charakteru prawnego – jest wynikiem

stosowania wycofanych norm i „dobrych praktyk”. Pomieszczenie węzła cieplnego nie jest

miejscem pracy w rozumieniu przepisów Prawa pracy [56]. Jedyny przepis prawa, który może

mieć zastosowanie do węzłów cieplnych to „Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać

budynki i ich usytuowanie” [55]. Określają wymagania w stosunku do pomieszczeń

technicznych, do których zalicza się węzeł cieplny.

Wymagania, jakim powinny odpowiadać pomieszczenia węzłów cieplnych, podano

według [18].Pomieszczenie węzła cieplnego nie jest pomieszczeniem o zagrożeniu pożarem

lub wybuchem. Nie ma żadnych wymagań dotyczących montażu węzłów cieplnych w

budynkach jednorodzinnych, węzły kompaktowe nogą być montowane w dowolnym

pomieszczeniu. W budynkach mieszkalnych wielorodzinnych, użyteczności publicznej i

przemysłowo-magazynowych węzły cieplne powinny spełniać wymagania, które można

podzielić na następujące grupy:

a. Wymagania budowlane i funkcjonalne,

b. Wymagania montażowe i technologiczne,

c. Wymagania instalacyjne (woda i kanalizacja),

d. Wymagania wentylacyjne,

e. Wymagania elektryczne.

a. Wymagania budowlane i funkcjonalne

• węzeł cieplny powinien być położony możliwie w centralnej części budynku,

• pomieszczenie powinno być wyłącznie przeznaczone na węzeł cieplny, nie może

być dzielone z innymi użytkownikami),

• klucz do pomieszczenia węzła cieplnego powinien mieć administrator budynku i

przedstawiciel Przedsiębiorstwa Ciepłowniczego (PC),

• pomieszczenie powinno przylegać do ściany zewnętrznej budynku,

• okno nie jest wymagane, ale zalecane,

• wymiary pomieszczenia powinny umożliwiać montaż urządzeń i swobodny

dostęp do nich,

228

• minimalna wysokość pomieszczenia (w węzłach o mocy powyżej 1MW zaleca

się wysokość 2.5÷3.0 m,

• minimalna szerokość przejścia: 0.75 m,

• minimalna szerokość drzwi (w większych węzłach szerokość drzwi dostosować

do wymiarów urządzeń),

• minimalna wysokość drzwi: 2.0 m,

• wykonanie drzwi: z blachy lub obite blachą, otwierane na zewnątrz (pod

naciskiem),

• grubość ścian powinna umożliwi ć montaż urządzeń (jeśli potrzebny).

• ściany powinny być otynkowane i pomalowane farbą odporną na wilgoć,

• podłoga powinna być gładka, wykonana z elementów niepalnych, wodoodporna,

odporna na uderzenie, ze spadkiem minimum 1% w kierunku odwodnienia,

• podłoga nad pomieszczeniem powinna mieć odpowiednią nośność,

• poziom dźwięku generowany przez węzeł nie powinien przekraczać 40 dB(A),

• na drzwiach należy umieścić napis: WĘZEŁ CIEPLNY – WSTĘP

WZBRONIONY.

b. Wymagania montażowe i technologiczne

• minimalna odległość izolacji przewodu od przegrody budowlanej powinna

wynosić 0.1 m,

• przejście pod elementami węzła powinno wynosić minimum 1.9 m, wyjątkowo,

przy mniejszej wysokości, należy element pomalować w żółto-czarne pasy,

• minimalna szerokość przejścia przy silnikach i urządzeniach elektrycznych:

1.2 m,

• minimalna wysokość umieszczenia elementu wymagającego obsługi: 1.7 m,

• odległość od elementu wymagającego ciągłej obsługi: 1.3 m,

• minimalna odległość przed rozdzielnicą elektryczną: 1.2 m,

• maksymalna temperatura elementów: 70 oC,

• przejścia przez przegrody budowlane powinny umożliwiać swobodne

wydłużenie przewodu (tuleje ochronne).

229

c. Wymagania instalacyjne (woda i kanalizacja)

• w węźle cieplnym należy przewidzieć instalację wody z zaworem odcinającym

ze złączką do węża i nasadą antyskażeniową oraz zlew (na życzenie

Przedsiębiorstwa Ciepłowniczego),

• połączenie wody zimnej stanowi część instalacji ciepłej wody w węźle cieplnym,

• w posadzce należy wykonać wpusty podłogowe, w pobliżu urządzeń o znacznej

pojemności,

• jeżeli jest takie wymaganie PC, w posadzce wykonać studzienką schładzającą,

• wszystkie przybory należy połączyć z instalacją kanalizacyjną w budynku,

zalecany jest system grawitacyjny,

d. Wymagania wentylacyjne

• pomieszczenie węzła cieplnego powinno posiadać wentylację nawiewną i

wywiewną,

• wentylacja nawiewna powinna być wykonana w formie kanału “Z” wlot

powietrza na wysokości 2 m nad terenem, wylot 0.3÷0.5 m nad posadzką, wylot

powietrza powinien znajdować się z dala od chłodnych części instalacji, za

zgodą PC możliwe jest zastosowanie nawiewnika okiennego,

• wlot przewodu wywiewnego powinien być umieszczony nie niżej niż 30 cm pod

sufitem, przewód wentylacyjny powinien być wyprowadzony ponad dach

budynku i zakończony wylotem odpowiednio zabezpieczonym przed działaniem

czynników atmosferycznych,

• w pomieszczeniu węzła cieplnego bez okien jest wymagana wentylacja

mechaniczna.

e. Wymagania elektryczne

• minimalne natężenie oświetlenia powinno wynosić 50 lx,

• wyłącznik oświetlenia powinien być umieszczony wewnątrz pomieszczenia, od

strony otwierania drzwi, na wysokości 1.4 m nad posadzką,

• zasilanie elektryczne powinno być wykonane z oddzielnego obwodu,

230

• rozdzielnice i skrzynki elektryczne należy montować na wysokości1.5÷1.8 m

nad posadzką,

• przed rozdzielnicą powinien być na posadzce położony dywanik dielektryczny,

• zalecane jest zasilanie napięciem 230 V AC, jeśli jest potrzebne napięcie

24 V AC, należy zastosować transformator, przy wymaganiu napięcia 24 VDC

należy zainstalować prostownik,

• każdy element elektryczny powinien mieć sygnalizację świetlną pracy (zielone

światło – praca, czerwone – wyłączenie),

• na wewnętrznej stronie rozdzielnicy elektrycznej należy umieścić schemat

synoptyczny,

• wymagany jest odrębny licznik energii elektrycznej,

• wszystkie obwody elektryczne powinny mieć zabezpieczenie

przeciwporażeniowe i przeciw upływowi prądu,

• w zakres robót elektrycznych wchodzą przewody wyrównawcze, połączone z

elementami metalowymi węzła cieplnego, przewody należy połączyć z

systemem uziemienia (zerowania).

Przedsiębiorstwo Ciepłownicze może mieć inne wymagania, niż opisane powyżej.

Dodatkowe wymagania powinny być wyspecyfikowane w załączniku do warunków

przyłączenia do sieci ciepłowniczej.

231

LITERATURA 1 Albers J. et al.: Zentralheizungs- und Lüftungsbaufür Anlagenmechaniker SHK, Technologie, Hamburg

2007. 2 Boysen, H., Thorsen J. E. “How to avoid pressure oscillations in district heating systems”,

EuroHeat& Power English, Edition II 2003. 3 Burd A. L. „Computer Design of Thermal Heating Substations for District Heating”, ASHRAE

Transactions 1994, p.245-265. 4 David P. De Witt and D. P. Dewitt. “Fundamentals of Heat and Mass Transfer “(3rd ed.). John Wiley &

Sons, 1990. 5 Dostosowanie parametrów operacyjnych węzła cieplnego do zmiany mocy zamówionej, Sympozjum

Elektrotermex – Wierzba, 15-17.05 2013. 6 EuroHeat and Power Guidelines for District Heating Substations, 2008. 7 Idelchik E., Begell CRC .: “House Handbook of Hydraulic Resistance”, 3rd Edition – 1994. 8 Munson, Bruce R.. Fundamentals of Fluid Mechanics. John Wiley& Sons, , 1990. 9 Nejranowski J. Szaflik W. „Zmienność poboru ciepłej wody użytkowej w budynkach mieszkalnych

wielorodzinnych, wyposażonych w wodomierze mieszkaniowe”, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 1/99 s. 13-18,27.

10 NORSOK STANDARD R-004 Piping and equipment insulation, 2012. 11 Nowakowski E., Jeżowiecki J., Wymiarowanie przewodów instalacji wodociągowych według metody

uproszczonej, mat. konf. „Nowe technologie w sieciach i instalacjach wodociągowych i kanalizacyjnych”, Gliwice 2010.

12 Nowakowski E., Obliczeniowe przepływy wody w budynkach mieszkalnych. Wybór metody, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2011.

13 Oleśkowicz Popiel C. Wojtkowiak J. : Wzory aproksymujące właściwości fizyczne wody przeznaczone do obliczeń wymiany ciepła na komputerach PC. Ciep³ownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2/95 s. 55-58.

14 Pomiary zużycia ciepłej wody w budynkach w Toruniu, 2005 r. 15 Technical Document No. TP-V300 Effective: May 1997 Crosby® Pressure Relief Valve Engineering

Handbook Crosby Valve Inc. 16 Tyco Pressure Relief Valve Engineering Handbook AndersonGreenwood, Crosby and Varec Products

Preliminary Edition, March 2012. 17 Wiśniewski S. Wiśniewski T. S.: Wymiana ciepła, wyd.3 WN-T Warszawa 1994. 18 Zaborowska E. Zasady projektowania wodnych węzłów ciepłowniczych, Gdańsk 2011. 19 Żarski K. „Nowoczesne ciepłownictwo w Polsce - możliwości i ograniczenia”, Ciepłownictwo

Ogrzewnictwo Wentylacja 6/96 s. 367-372.. 20 Żarski K. „Sieci i węzły ciepłownicze”, Wydawnictwo Forum, Poznań 2013. 21 Zarski K.: “Minimisation of mass flow in district heating network equipped with one stage domestic hot

water production substations”, Latin America Journal of Management for Sustainable Development, No 1/2013.

22 Zarski K.: “Zasady obliczeń węzłów cieplnych”, materiały szkoleniowe, 2013, niepublikowane 23 Żarski K.: „Charakterystyka cieplna i hydrauliczna wymienników płytowych w układach przygotowania

ciepłej wody”, XIII Konferencja Ciepłowników „Efektywność dystrybucji i wykorzystania ciepła”, Rzeszów-Jawor 27-29.09. 2001.

24 Żarski K.: „Charakterystyka hydrauliczna dwustopniowego węzła cieplnego w systemie regulacji jakościowej z tłumioną temperaturą powietrza zewnętrznego”, Informacja INSTAL nr 10/2000 s. 7-11.

25 Żarski K.: „Mechanika płynów. Wybrane zagadnienia w ujęciu komputerowym”, Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, Warszawa, 2007 r.

26 Żarski K.: „Propozycja procedur obliczeniowych dwufunkcyjnych węzłów ciepłowniczych”, INSTAL nr 9/2009, s. 12-18.

27 Żarski K.: „Wpływ zmienności zapotrzebowania na ciepłą wodę na wielkość strumienia nośnika ciepła w węźle cieplnym z automatyczną regulacją różnicy ciśnienia”, Międzynarodowa Konferencja Naukowo-

232

Techniczna „Problemy Inżynierii Środowiska - u progu nowego tysiąclecia”, Wrocław, Szklarska Poręba 5-7.10 2000 r.

28 Żarski K.: Obliczeniowy strumień objętości ciepłej wody do celów projektowania węzłów cieplnych w budynkach mieszkalnych”, INSTAL nr 9/2013, s. 24-28.

29 Żarski K.:„Influence of the Maximum Consumption of Hot Domestic Water Periods on Thermal Balance in Residential Buildings”, Międzynarodowa Konferencja „Air Conditioning and District Heating”, Wrocław - SzklarskaPoręba 04-07.06.1998.

30 Żarski K. „Obiegi wodne i parowe w kotłowniach”, Instal, Warszawa 2000. 31 Żarski K. „Technika cieplna z elementami mechaniki gazów”, Toruń 2001. 32 Żarski K. „Termodynamika - zagadnienia praktyczne w ogrzewnictwie i klimatyzacji”, Óśrodek Informacji

Technika Instalacyjna w Budownictwie, Warszawa 2005. 33 Żarski K. „Uogólnione równanie wymiany ciepła w stanie stacjonarnym instalacji ogrzewania wodnego

współpracującej z przegrodami zewnętrznymi budynku”, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja nr 8/95 s. 382-384.

34 Żarski K. „Węzły cieplne w miejskich systemach ciepłowniczych”, Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie” Warszawa 1997.

35 Żarski K. „Wykorzystanie pojemności cieplnej konstrukcji budynku w nowoczesnych rozwiązaniach węzłów ciepłowniczych”, Konferencja Naukowo-Techniczna „Inżynieria Procesów Budowlanych”, Bydgoszcz 12-15.06.1997 r.

36 Żarski K.: „Aspekty techniczne i ekonomiczne stosowania dwustopniowych węzłów ciepłowniczych” ”, INSTAL 1/2007, s. 4-8.

37 Żarski K.: „Możliwości stosowania jednostopniowych węzłów ciepłowniczych w budownictwie mieszkaniowym”, INSTAL 3/2007, s. 16-19.

38 HEXACT User Manual v. 1.5.1 39 Flatstation_Handbook_Thermix, Danfoss, 2013. 39a “Danfoss knowledge and experience in District Heating applications” – “Wiedza i doświadczenie Danfoss

w ciepłownictwie” . Normy: 40 PN-EN 806-1:2004 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody

przeznaczonej do spożycia przez ludzi, Część 1: Postanowienia ogólne. 41 PN-EN 806-2:2005 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody

przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Część 2: Projektowanie (oryg.). 42 PN-EN 806-3:2006 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody

przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Część 3: Wymiarowanie przewodów. Metody uproszczone (oryg.). 43 PN-EN 806-4:2010 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody

przeznaczonej do spożycia dla ludzi. Część 4: Instalacje (oryg.). 44 PN-EN 12831:2006 „Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia

cieplnego” 45 PN-B-02414:1999P „Zabezpieczenia instalacji ogrzewań wodnych systemu zamkniętego z naczyniami

wzbiorczymi przeponowymi” 46 PN-B-02421:2000 ”Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Izolacja cieplna przewodów, armatury i urządzeń.

Wymagania 47 PN EN ISO 12241 „Izolacja cieplna wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych - Zasady obliczania” 48 PN-EN ISO 4126-1 „Urządzenia zabezpieczające przed nadmiernym wzrostem ciśnienia – Część 1: Zawory

bezpieczeństwa” 49 PN-EN ISO 4126-1 „Urządzenia zabezpieczające przed nadmiernym wzrostem ciśnienia –Część 7: Dane

ogólne” 50 PN-EN 12828 „Instalacje ogrzewcze budynkach. Projektowanie wodnych instalacji centralnego ogrzewania” 51 PN-EN 10216 -2 Rury stalowe bez szwu do zastosowań ciśnieniowych. Warunki techniczne dostawy. 52 PN-EN 10216 - 7Rury stalowe bez szwu ze stali nierdzewnej. Warunki techniczne dostawy.

233

53 PN-EN 1057 Miedź i stopy miedzi – Rury miedziane okrągłe bez szwu do wody i gazu stosowane w instalacjach sanitarnych i ogrzewania.

54 DT-UC-90 WO Warunki Techniczne Dozoru Technicznego. Urządzenia Ciśnieniowe. Wymagania Ogólne Akty prawne: 55 Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim

powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, z późniejszymi zmianami (Dz. U 75/2002) 56 Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 9 lipca 2008 w sprawie ogólnych przepisów

bezpieczeństwa i higieny pracy, tekst jednolity Dz. U 169/2003 Strony internetowe: 57 www.if.pw.edu.pl, dostęp 12.2013 58 www.academia.pl, dostęp 12.2013 59 www.elektroda.pl/rtvforum/topic889176.html, dostęp 12.2013 Katalogi: 60 Danfoss 61 Reflex 62 Giacomini 63 Honeywell Programy komputerowe 64 HEXACT 1wersja 2.1.2. Danfoss 65 WEZELHEXACT – OBLICZENIE WĘZŁÓW CIEPLNYCH Danfoss, opracowanie autora 66 MIX – obliczenie układów mieszania w kotłowniach, opracowanie autora 67 MEDIUM – symulacja stanów eksploatacyjnych instalacji ogrzewania, opracowanie autora 68 N258 – właściwości pary wodnej, ABB 69 WYKRESREG – wykres regulacyjny sieci cieplnej, opracowanie autora 70 e-QUOTATION– program do projektowania węzłów cieplnych, Danfoss 71 WILO SELECT – program doboru pomp

© Copyright Danfoss District Energy | MZ | July 2014

Danfoss Poland Sp. z o .o. • ul. Chrzanowska 5 • 05- 825 Grodzisk Mazowiecki Adres Tuchom: ul. Tęczowa 46, Tuchom • 80-209 Chwaszczyno • Tel.( 48 58) 512 91 00 • Fax ( 48 58) 512 91 05 E- mail: info.den@danfoss.com • www.danfoss.pl

Dbamy o Twoje interesyFirma Danfoss to więcej niż tylko marka urządzeń dla ciepłownictwa. Od ponad 75 lat dostarczamy naszym klientom na całym świecie pełen zakres urządzeń — od podzespołów po kompletne rozwiązania do sieci ciepl-nych. Od pokoleń prowadziliśmy naszą działalność, mając na uwadze inte-resy klientów — to jest i pozostanie naszym priorytetem.

Kierowani wymaganiami klientów przez lata gromadzimy doświadczenia, aby stanąć na czele twórców nowatorskich rozwiązań, stale dostarczać za-równo urządzenia, ekspertyzy, jak i kompletne systemy do aplikacji zwią-zanych z energią.

Naszym celem jest dostarczanie rozwiązań i produktów, które będą dla odbiorców zaawansowaną i łatwą w obsłudze technologią przynoszącą korzyści środowisku i klientom. Jednocześnie zapewniamy szeroki zakres wsparcia technicznego i serwisu.

Więcej informacji można uzyskać, kontaktując się z firmą Danfoss lub odwiedzając witrynę www.ecl.danfoss.com