WĘZŁY CIEPLNE PORADNIK PROJEKTOWANIA

Kazimierz Żarski WĘZŁY CIEPLNE PORADNIK PROJEKTOWANIA www.danfoss.pl

Kazimierz Żarski WĘZŁY CIEPLNE PORADNIK PROJEKTOWANIA Redakcja techniczna: Kazimierz Żarski 2014 r.

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

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 2. KLASYFIKACJA I CHARAKTERYSTYKA WĘZŁÓW CIEPLNYCH 43 2.1. Klasyfikacja węzłów cieplnych 43 2.2. Węzeł cieplny bezpośredniego połączenia 45 2.2.1. Węzeł cieplny bezpośredniego połączenia bez zmiany temperatury wody zasilającej 2.2.2. Węzeł zmieszania pompowego 46 47 2.3. Wymiennikowe węzły cieplne 51 2.3.1. Wymiennikowy węzeł cieplny do celów ogrzewania 2.3.2. Wielofunkcyjny wymiennikowy węzeł cieplny 2.3.3. Mieszkaniowe węzły cieplne 51 52 53 2.4. Celowość stosowania dwustopniowego przygotowania ciepłej wody 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 8 11 21 23 25 29 30 31 35 60 60 61 69 71 3

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) 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 73 73 74 75 77 77 95 95 98 102 106 106 107 108 111 111 120 124 125 126 130 4

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 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 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 134 136 137 137 138 141 149 152 153 163 171 179 187 187 188 190 190 193 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 12. POMIESZCZENIA WĘZŁÓW CIEPLNYCH WYMAGANIA 227 13. LITERATURA 231 210 211 221 222 5

Wykaz najważniejszych oznaczeń: Oznaczenia zostały wyjaśnione dodatkowo w tekście przy każdym wzorze. A pole powierzchni, m 2, b współczynnik poprawkowy do przepustowości zaworu bezpieczeństwa, c p ciepło właściwe, J/(kg K), kj/(kg K), d średnica, m e względne zwiększenie objętości, g przyspieszenie ziemskie, równe 9.80665 m/s 2, G transmitancja bloku regulacji, h entalpia właściwa, J/kg, kj/kg, h współczynnik przejmowania ciepła, W/(m 2 K), j, k, m, n liczba porządkowa, K współczynnik strat miejscowych, K współczynnik wzmocnienia (proporcjonalności) w regulacji, K dr 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/m 2, q, V strumień objętości, dm 3 /s, m 3 /s, m 3 /h, Q m przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/h, r ciepło parowania, J/kg, T temperatura, K, t temperatura, o C, U współczynnik przenikania ciepła, W/(m 2 K), v prędkość przepływu, m/s, 6

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, m 2 /s, ν objętość właściwa, m 3 /kg, ρ gęstość, kg/m 3, τ czas, s. Liczby podobieństwa: - liczba Grashofa l Gr = 3 g β T ν 2 - liczba Nusselta Nu = h l λ - liczba Prandtla ν ρ Pr = λ cp - liczba Reynoldsa Re = v d ν 7

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): Q = m cp T (1.1) gdzie: Q ciepło (ilość ciepła), J, m masa ciała, kg, c p ciepło właściwe ciała (najczęściej zależne od temperatury), J/(kg K), T różnica temperatury, K. Temperatura może być mierzona w stopniach Celsjusza ( o C) albo w kelwinach (K). Strumień ciepła jest to ilość ciepła wymieniona w czasie. Wyraża to formuła: Φ = Q (1.2) τ 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. 8

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. Q 1 m 1 m k-1 Q k-1 Q m Q k m k m n Q n Rys. 1.1. Schemat wymiany masy i ciepła w wymienniku Równania bilansu masy i ciepła mają następującą postać: [31, 32] gdzie: n mi + m = 0 (1.3) i= 1 n Qi + Q = 0 (1.4) i= 1 m i masa nośnika ciepła i, masa dopływająca ma znak +, masa wypływająca -, kg, m masa zakumulowana, kg, Q i 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). Φ i = mi cpi ti (1.5) gdzie: Φ i strumień ciepła doprowadzony przez nośnik ciepła i, W, m i strumień masy nośnika i, kg/s, c pi ciepło właściwe nośnika i, J/(kg K), t i temperatura płynu, K lub o C. albo, w przypadku zmiany stanu skupienia, jako 9

gdzie: h i entalpia właściwa nośnika ciepła i, J/kg. Φ i = mi hi (1. 6) Entalpia jest parametrem stanu, którego wartość w warunkach odniesienia jest przyjmowana w drodze konwencji jako 0 w temperaturze 0 o C (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]. Q Q 11 m 1 Q 12 m 1 Rys. 1.2. Pośrednia wymiana ciepła - schemat Równanie bilansu ciepła jest następujące: gdzie: n i= 1 ( Qi 1 + Qi2) + Q = 0 Q i1 ciepło dostarczone przez wpływający nośniki1, J, znak +, Q i2 ciepło odebrane przez wpływający nośniki2, J, znak -, Q ciepło zakumulowane. (1.7) 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 10

gdzie: ( ti1 ti2) Φ i = mi cpi (1.8) Φ i strumień ciepła doprowadzony (odprowadzony)do (z) medium i, W, m i strumień masy, kg/s, c pi ciepło właściwe, J/(kg K), t i1 temperatura wlotowa płynu, K lub o C, t i2 temperatura wylotowa płynu, K lub o C. albo w przypadku zmiany stanu skupienia: gdzie: h i1 entalpia właściwa wlotowa płynu, J/kg, h i2 entalpia właściwa wylotowa płynu, J/kg. ( hi1 hi2) Φ i = mi (1. 9) 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: gdzie: q gęstość strumienia ciepła, W/m 2, wielkość wektorowa, grad T gradient temperatury, K/m, wielkość wektorowa, q = λgrad T (1.10) λ współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K), wielkość skalarna. 11

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): T(o) - T(x) q = λ (1.11) x gdzie: q gęstość strumienia ciepła, W/m 2, wartość liczbowa wektora, T(0), T(x) wartość temperatury w punkcie o współrzędnej 0 i x, K, λ współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K). T(o) T=T(x) q(o) q=q(x) 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: gdzie: d m grubość warstwy materiału, m, 12 T2 T1 q = (1.12) n m= 1 gdzie: T 1 temperatura na granicy warstwy1, K, T 2 temperatura na granicy warstwy 2, K, R λm opór przewodzenia warstwy m, równy R R d λ λm m λ m = (1.13) m

λ m współczynnik przewodzenia ciepła warstwy materiału, W/(m K). Strumień ciepła Φ [W] jest obliczany z wzoru: gdzie: A powierzchnia wymiany ciepła, m 2. Φ = q A (1.14) W przypadku wielowarstwowej ścianki cylindrycznej wygodnie jest operować liniowym oporem przewodzenia ciepła, obliczonym z wzoru (patrz rys. 1.6): R lλm gdzie: R lλm liniowy opór przewodzenia ciepła warstwy m, W/(m K), d m+1 zewnętrzna średnica ograniczająca warstwę materiałum, m, d m+1 wewnętrzna średnica ograniczająca warstwę materiału m, m. 1 dm + 1 = ln (1.15) 2πλm dm Liniowa gęstość strumienia ciepła przewodzonego przez ściankę cylindryczną jest równa gdzie: q l liniowa gęstość strumienia ciepła, W/m, T2 T1 q l = (1.16) n m= 1 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 Φ = ql l (1.17) gdzie: l długość drogi wymiany ciepła, m. R lλm 13

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. Tw Tf Rys. 1.4. Przejmowanie ciepła Gęstość strumienia ciepła wymienianego w drodze przejmowania określa Prawo Newtona: gdzie: ( Tf Tw) h współczynnik przejmowania ciepła, W/(m 2 K), T f temperatura płynu, w pewnej odległości od powierzchni, K, T w temperatura powierzchni, K. q = h (1.18) Strumień ciepła jest obliczany z wzoru analogicznego do (1.14) (symbole mają inne znaczenie jest to ciepło wymieniane w drodze przejmowania) Φ = q A (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. 1 Rh = (1.20) h 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 14

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, c p ciepło właściwe płynu, J/(kg K), ν współczynnik lepkości kinematycznej płynu, m 2 /s, λ współczynnik przewodzenia ciepła płynu, W/(m K), β współczynnik rozszerzalności objętościowej płynu, 1/K, ρ gęstość płynu, kg/m 3, g przyspieszenie ziemskie, równe 9.80665 m/s 2. W spójnym układzie jednostek fizycznych można sformułować równanie określające wartość współczynnika przejmowania ciepła [31]: x1 x2 x3 x4 p x5 x6 h = C w l ν c λ ρ g β T (1.21) x7 x8 x9 Jednostki wielkości fizycznych we wzorze (1.21) muszą spełniać zależność: J s 1 m 2 K 1 = m s m m s J kg K J s m K kg m m s K K x 1 x 1 x 2 2 x 3 x 3 x 4 x 4 x 4 x 5 x 5 x 5 x 5 x 6 3 x 6 x 7 2 x 7 x 8 x 9 W wyniku pogrupowania odpowiednich wielkości otrzymamy równanie: J s m K = J s m K kg 1 2 1 x4+ x5 x1 x3 x5 2x7 x1+ x2+ 2x3 x5 3x6+ x7 x4 x5 x8+ x9 x4+ x6 15

które wyrażone w formie macierzowej ma postać: z rozwiązaniem 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 2 0 0 1 1 1 2 0 1 3 1 0 0 X = 2 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 h = C v x1 l 1+ x1+ 3x7 ν x4 x1 2x7 c x4 p λ 1 x4 ρ x4 g x7 β x7 T x7 lub, po przekształceniach: α d λ w d = C ν x1 ν cp ρ λ x4 d 3 g β T 2 ν x7 (1.22) Wielkości w nawiasach są bezwymiarowe. Można zdefiniować następujące liczby podobieństwa: - liczba Nusselta: h l Nu = (1.23) λ - liczba Reynoldsa: v l Re = (1.24) ν - liczba Prandtla: ν ρ cp Pr = (1.25) λ - liczba Grashofa: Po ich wprowadzeniu równanie (1.22) przyjmie postać: 3 l g β T Gr = (1.26) 2 ν Nu = C Re Pr Gr C1 C2 C3 (1.27) W przypadku dużej różnicy temperatury powierzchni ścianki i otaczającego płynu wprowadza się czynnik zwany współczynnikiem kierunkowym wymiany ciepła: Pr Pr f w C4 - indeks w oznacza temperaturę na powierzchni ścianki, f temperaturę płynu. 16

C1 C2 C3 Prf Nu = C Re Pr Gr Pr (1.28) w C4 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]: f Nu = Gr 0. 33 0. 43 0. 1 Pr 0. 17 Re Pr Pr w 0. 25 (1.29) W przypadku ruchu burzliwego najbardziej znanym wzorem jest wzór Mc Adamsa: [31, 32]: gdzie: Nu = 0. 023 m Re Pr 0. 8 0. 43 (1.30) m współczynnik poprawkowy, przy liczbie Reynoldsa mniejszej niż 10000, równy: m = 1 6 10 5 Re 18. 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/m 3 ] według [13]: 2 ρ = 999.732 + 0.07935 + 5 3 7 4 t 0 00857 t 583 10 t 2 677 10 t + 4 843 10 10 5.... t (1.31a) według [38]: ρ 2 5 = 999+ 0.0866 t 0.0073 t + 0.0000233 10 t 3 (1.31b) ciepło właściwe [kj/(kg K)] cp = 4.214-0.00220 t + 5 2 t 7 3 4 21 10 2 817 10 t + 8 4525 10 10 4... t (1.32) 17

współczynnik przewodzenia ciepła W/(m K)] λ = 0.5678 + 0.0019355 6 2 + 8 3 t 9 857 10 t 2 149 10 t 4 5165 10 11 4... t (1.33) współczynnik lepkości kinematycznej [m 2 /s] 1 ν = 556406.7 + 19689.27 t + 124. 6096 t 0. 3783792 t 2 3 liczba Prandtla 1 Pr = 0.0752 + 0.002909 t + 2. 827 10 t 7. 928 10 t 5 2 8 3 (1.34) (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]. Strumień ciepła jest równy: gdzie: 4 4 ( T ) q (1.36) 1 2 = ε12 σ0 1 T2 Φ1 2 = q1 2 A1 (1.37) ε 1-2 emisyjność zastępcza układu 2 ciał, zależna od wzajemnego usytuowania ciał i emisyjności (stosunku energii pochłoniętej do padającej) każdego z nich, σ o stała Stephana-Boltzmann, A 1 - powierzchnia ciała 1, m 2. 8 5.68 10 W/(m 2 K 4 ), 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. 18

Fluid 1 1 2 m n Fluid 2 T f1 q λ m d m T f2 Rys. 1.5. Przenikanie ciepła przez wielowarstwową ściankę płaską Gęstość strumienia przenikającego ciepła określa wzór ( Tf 2 Tf1) gdzie: T f1 temperatura płynu 1, K, T f2 temperatura płynu 1, K. U współczynnik przenikania ciepła, W/(m 2 K), równy: q = U (1.38) U = gdzie: 1 h 1 d n m 1 + + 1 m= 1λ m h2 h 1 współczynnik przejmowania ciepła od strony płynu1, W/(m 2 K), h 2 współczynnik przejmowania ciepła od strony płynu 2, W/(m 2 K), inne oznaczenia patrz wzór (1.12). (1.39) Strumień ciepła jest obliczany z wzoru (A powierzchnia wymiany ciepła, m 2 ): Φ = U A (1.40) W przypadku wielowarstwowej ścianki cylindrycznej (patrz rys. 1.6) liniowy współczynnik przenikania ciepła można obliczyć z wzoru: 19

U L = 1 πh1d 1 + 1 2π n 1 1 d ln λ d m m 1 m m 1 1 + πh 2d 2 (1.41) gdzie: h 1 współczynnik przejmowania ciepła od strony płynu 1, W/(m 2 K), h 2 współczynnik przejmowania ciepła od strony płynu 2, W/(m 2 K), inne oznaczenia patrz wzór (1.16). płyn 2 λ m, d m+1, d m płyn 1 q l d 1 d n+1 Rys. 1.6. Przenikanie ciepła przez wielowarstwową ściankę cylindryczną Strumień ciepła jest równy (l długość drogi wymiany ciepła długość wymiennika, m): Φ = Ul l (1.42) 20

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. 21

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 22

(patrz dalej).prąd krzyżowy ilustruje rys. 1.10. Jest to układ spotykany często w wentylacji Fig. 1.10. woda powietrze woda 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]. t 12 m w m 2, t 21 m 22 m 11 t 22 m 1, t 11 Rys. 1.11. Składowe bilansu wymiennika ciepła w stanie nieustalonym Ciepło dostarczone do układu: opisują równania: 23

dq11 11 = m1 t11 cp dτ ciepło odprowadzone z układu: dq 21 21 = m 2 t 21 cp dτ dq12 12 dq 22 22 = m1 t12 cp dτ = m2 t 22 cp dτ ciepło zakumulowane w nośnikach ciepła (cieczy): dq dq ac1 ac2 = m = m 11 22 dt1 c dt 2 c p1 p2 ciepło zakumulowane w materiale wymiennika: dq acw = m w dt w c w gdzie (jednostki zgodne z układem SI): m 1,m 2 strumień masy nośników ciepła, m l1, m 22 masa cieczy w wymienniku ciepła, m w masa wymiennika ciepła, Q ciepło, t temperatura, c p1,2 ciepło właściwe nośników ciepła, c w2 ciepło właściwe materiału wymiennika ciepła, τ czas, dx różniczka wielkości bilansowych. Przyjmując konwencję znaku ciepła (+ doprowadzone, - odprowadzone) można zapisać równanie: dq11 + dq 21 + dq12 + dq 22 + dqac1 + dqac2 + dqacw = 0 (1.43) W stanie ustalonym można pominąć ciepło zakumulowane w nośnikach ciepła i w materiale wymiennika. Równanie (1.43) upraszcza się do postaci: 24 dq11 + dq 21 + dq12 + dq 22 = 0 (1.44)

lub ( t11 t12) + m22 cp2 ( t21 t ) 0 m11 cp1 22 = (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: m 1 strumień masy nośnika oddającego ciepło, kg/s, m 2 strumień masy nośnika ogrzewanego, kg/s, c 1 ciepło właściwe nośnika oddającego ciepło, kj/(kg K), c 2 ciepło właściwe nośnika ogrzewanego, kj/(kg K), t 11 temperatura początkowa nośnika oddającego ciepło, o C, t 12 temperatura końcowa nośnika oddającego ciepło, o C, t 21 temperatura początkowa nośnika ogrzewanego, o C, t 22 temperatura końcowa nośnika ogrzewanego, o C, A powierzchnia wymiany ciepła, m 2, U współczynnik przenikania ciepła, kw/(m 2 K), Φ strumień ciepła wymieniany między nośnikami ciepła, kw, dx różniczka wielkości bilansowej. 25

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]: ( ) x 1 1 1 x 2x x 1 dt c m da t t U = ( ) x 2 2 2 x 2x x 1 dt c m da t t U = po uproszczeniu: dt dt m c m c x x 1 2 2 2 1 1 = W wyniku całkowania wzdłuż drogi wymiany ciepła otrzymamy: = m c m c dt dt x t t x x t t x 1 1 2 2 1 11 1 2 22 2 wprowadzając: t t m c m c m c m c t t x x 2 11 1 1 2 2 1 1 2 2 1 22 = + + po przekształceniach możemy równania doprowadzić do postaci: = 1 1 2 2 1 1 11 2 2 22 1x 2 2 1 1 2 2 1 1 x 1x c m c m c m t c m t t c m c m c m c m U da dt = 1 1 2 2 1 1 11 2 2 22 2x 2 2 1 1 1 1 2 2 x 2x c m c m c m t c m t t c m c m c m c m U da dt Wprowadźmy następujące oznaczenia: 2 2 1 1 2 2 1 1 1 1 2 2 c m 1 c m 1 c m c m c m c m = = µ (1.46) oraz 1 1 2 2 1 1 11 2 2 22 c m c m c m t c m t t = (1.47) gdzie: t teoretyczna temperatura końcowa nośników ciepła (w nieskończoności),

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 m 2 podstawić -m 2 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: czynnika ogrzewanego: t t Uµ Ax ( t t ) 1x t = 11 e (1.48) Uµ A t = (t t ) x (1.49) 2x 22 e Różnica temperatury nośników ciepła w przekroju x jest opisana wzorem: x 11 22 Uµ A x t = (t t ) e (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: UA Uµ A = m c 1 1 UA + m c 2 2 = NTU2 NTU1 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: LMTD (t t 11 22 12 21 = (1.51) t11 t 22 ln t ) (t 12 t 21 t ) 27

w przypadku współprądu: LMTD (t t 11 21 12 22 = (1.52) t11 t 21 ln t ) (t 12 t 22 t ) Wymienniki w węzłach ciepłowniczych są łączone w układzie przeciwprądu. Strumień ciepła przekazywanego w wymienniku można obliczyć z wzoru: Φ1 2 = U A LMTD (1.53) oznaczenia jak w powyższych wzorach. W zagadnieniach doboru lub sprawdzenia wymiennika ciepła w węźle ciepłowniczym muszą być spełnione równania: Φ 1 = m1 c1 (t11 t12) (1.54) Φ 2 = m 2 c2 (t 22 t 21) (1.55) równanie (1.53) i Φ 1 = Φ2 = Φ1 2 (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. t 11 t 22 m 1 A m 2 Φ t 12 t 21 Znane Obliczone 1 Φ, t 11, t 12, t 21, t 22 A, m 1, m 2 2 Φ,t 11, t 21, t 22, A m 1, m 2, t 12 3 m 1,t 11, m 2, t 21, A Φ,t 12, t 22 Rys. 1.13. Przypadki obliczeń wymienników ciepła w węzłach ciepłowniczych (oznaczenia jak w powyższych wzorach) 28

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 zakresem mocy cieplnej), Krok 2 obliczenie właściwości fizycznych nośników ciepła, obliczenie LMTD, Krok 3 założenie początkowej liczby płyt (najmniejsza wartość), Krok 4 obliczenie: strumienia masy, prędkości przepływu (medium 1i2), obliczenie liczb podobieństwa, Krok 5 obliczenie współczynnika przenikania ciepła, Krok 6 sprawdzenie równania (1.53), Krok 7 jeżeli strumień ciepła jest zgodny z założeniem koniec obliczeń, jeżeli strumień ciepła jest za mały zwiększ liczbę płyt i wróć do kroku 3. W drugim modelu występuje następująca sekwencja: Krok 1 przyjęcie wybranego wymiennika Krok 2 założenie końcowej temperatury t 12, n.p. t 12 =t1 21 +0.01, Krok 3 obliczenie właściwości fizycznych nośników ciepła, obliczenie LMTD, Krok 4 obliczenie: strumienia masy, prędkości przepływu (medium 1i2), obliczenie liczb podobieństwa, Krok 5 obliczenie współczynnika przenikania ciepła, Krok 6 sprawdzenie równania (1.53), Krok 7 jeżeli strumień ciepła jest zgodny z założeniem koniec obliczeń, jeżeli strumień ciepła jest za mały zwiększ temperaturę końcową i wróć do kroku 3. Trzeci model składa się z następujących kroków: Krok 1 założenie końcowej temperatury t 12, n.p. t 12 =t 21 +0.01, Krok 2 obliczenie: mocy cieplnej, końcowej temperatury t 22, Krok 2 obliczenie właściwości fizycznych nośników ciepła, obliczenie LMTD, Krok 4 obliczenie: strumienia masy, prędkości przepływu (medium 1i2), obliczenie liczb podobieństwa, Krok 5 obliczenie współczynnika przenikania ciepła, 29

Krok 6 sprawdzenie równania (1.53), Krok 7 jeżeli strumień ciepła jest zgodny z założeniem koniec obliczeń, jeżeli strumień ciepła jest za mały zwiększ temperaturę końcowąt 12 i wróć 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): gdzie: a1 1 = C1 m1 p 1 strata ciśnienia w obwodzie pierwotnym, kpa, C 1 stała, zależna od temperatury wody, m 1 strumień masy w obwodzie pierwotnym, kg/s, a 1 wykładnik potęgi, ustalony eksperymentalnie. p (1.57) po stronie wtórnej (instalacja): gdzie: a2 2 = C2 m2 p 2 strata ciśnienia w obwodzie wtórnym, kpa, C 2 stała, zależna od temperatury wody, m 2 strumień masy w obwodzie wtórnym, kg/s, a 2 wykładnik potęgi, ustalony eksperymentalnie. p (1.58) 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. 30

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] 31

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. \ 32

Rys. 1.16. Ekran programu HEXACT przy symulacji działania wymiennika w odmiennych warunkach, podkreślono wartości zmienione [64] 33

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. 34

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]. t 11 t 21 t 12 m 1 t 22 m 2 Rys. 1.19. Wymiennik ciepła jako blok regulacji z zespołem wejść i wyjść[20] Wielkościami wejściowymi (zakłócającymi) X są: temperatura początkowa wody sieciowej, t 11, temperatura początkowa wody instalacyjnej t 21, strumień masy wody sieciowej, m 1, strumień masy wody instalacyjnej, m 2. Wielkości wyjściowe (odpowiedzi na zakłócenia) Y są następujące: temperatura końcowa wody sieciowej, t 12, temperatura końcowa wody instalacyjnej, t 22. Na podstawie zespołu danych można określić strumień ciepła Φ jako odpowiedź wymiennika. Zespół charakterystyk statycznych może być zapisany w formie macierzowej: Y 1(X 1) Y 2(X 1) = Y 1(X 2) Y 2(X 2) Y(X) (1.59) Y 1(X 3) Y 2(X 3) Y 1(X 4) Y 2(X 4) 35

Za pomocą programu HEXACT [64] można wyznaczyć wszystkie charakterystyki wymiennika ciepła. Charakterystyki statyczne wybranego wymiennika (XB51L-30) ilustrują poniższe rysunki: A. Φ = f ( m1), t 12 = f ( m1), 22 f ( m1) [64]) t =, t 11, t 21, m 2 = idem; (przykłady na rys.. 1.20..1.22 500.00 450.00 400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 m 1 Rys. 1.20. Charakterystyka: Φ=f(m 1 ) HE: XB 51L-1 30, t 11 =120 o C, t 21 =55 o C, m 2 =2.47 kg/s 120.0 100.0 80.0 t 12 60.0 40.0 20.0 0.0 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 m 1 Rys. 1.21. Charakterystyka: t 21 =f(m 1 ) HE: XB 51L-1 30, t 11 =120 o C, t 21 =55 o C, m 2 =2.47 kg/s 36

120.0 100.0 80.0 t 22 60.0 40.0 20.0 0.0 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 m 1 Rys. 1.22. Charakterystyka: t 22 =f(m 1 ) HE: XB 51L-1 30, t 11 =120 o C, t 21 =55 o C, m 2 =2.39 kg/s Krzywe charakterystyk mają charakter quasi-hiperboliczny. Wzrost strumienia masy m 1 do nieskończoności (w matematycznym znaczeniu) powoduje skończony wzrost mocy cieplnej. B. Φ = f ( m2), t 12 = f ( m2), 22 f ( m2) t =, t 11, t 21, m 1 = idem; (przykłady na rys. 1.23..1.25) 180.00 160.00 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 m 2 Rys. 1.23. Charakterystyka: Φ=f(m 2 ) HE: XB 51L-1 30, t 11 =120 o C, t 21 =55 o C, m 1 =0.68 kg/s 37

120.0 100.0 80.0 t 12 60.0 40.0 20.0 0.0 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 m 2 Rys. 1.24. Charakterystyka: t 12 =f(m 2 ) HE: XB 51L-1 30, t 11 =120 o C, t 21 =55 o C, m 1 =0.68 kg/s 140.0 120.0 100.0 t 22 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 m 2 Rys. 1.25. Charakterystyka: t 22 =f(m 2 ) HE: XB 51L-1 30, t 11 =120 o C, t 21 =55 o C, m 1 =0.68 kg/s C. Φ = f ( t 21), t 12 = f ( t 21), 22 f ( t21) t =, t 11, m 1, m 2 = idem; (przykłady na rys. 1.26..1.28) 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 t 21 Rys. 1.26. Charakterystyka: Φ=f (t 21 ) HE: XB 51L-1 30, t 11 =120 o C, m 1 =0.68 kg/s, m 2 =2.39 kg/s 38

t 12 100.0 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 t 21 Rys. 1.27. Charakterystyka: t 12 =f(t 21 ) HE: XB 51L-1 30, t 11 =120 o C, m 1 =0.68 kg/s, m 2 =2.39 kg/s t 22 100.0 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 t 21 Rys. 1.28. Charakterystyka: t 22 =f(t 21 ) HE: XB 51L-1 30, t 11 =120 o C, m 1 =0.68 kg/s, m 2 =2.39 kg/s D. Φ = f ( t11), t 12 = f ( t11), 22 f ( t11) t =, t 12, m 1, m 2 = idem; (przykłady na rys. 1.29..1.30) 160.00 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 t 11 Rys. 1.29. Charakterystyka: Φ=f (t 11 ) HE: XB 51L-1 30, t 21 =55 o C, m 1 =0.68 kg/s, m 2 =2.39 kg/s 39

63.0 62.0 61.0 60.0 t 12 59.0 58.0 57.0 56.0 55.0 54.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 t 11 Rys. 1.30. Charakterystyka: t 12 =f (t 11 ) HE: XB 51L-1 30, t 21 =55 o C, m 1 =0.68 kg/s, m 2 =2.39 kg/s 80.0 70.0 60.0 50.0 t 22 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 t 11 Rys. 1.31. Charakterystyka: t 22 =f (t 11 ) HE: XB 51L-1 30, t 21 =55 o C, m 1 =0.68 kg/s, m 2 =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 40

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]: dy dτ dy dτ dy dτ = dy dτ dy dτ 1 1 1 dx dτ dx dτ dx dτ dx dτ 1 1 2 3 4 dy2 dx1 dτ dτ dy2 dx2 dτ dτ dy 2 dx3 dτ dτ dy2 dx4 dτ dτ (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. Wartość procentowa uchybu regulacji [%] 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0 5 10 15 20 25 Stała czasowa=10 s czas [s] Rys. 1.32. Zmiana wartości procentowej uchybu regulacji jako odpowiedź układu inercyjnego 1. rzędu przy skoku jednostkowym wielkości wejściowej 41

Zmiana uchybu regulacji wielkości wyjściowej w czasie może być opisana równaniem gdzie: Y(τ) uchyb regulacji po upływie czasu τ, Y początkowy uchyb regulacji, τ czas, s, T stała czasowa, s. τ ( τ) = Y e T Y (1.61) 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. 42

2. KLASYFIKACJA I CHARAKTERYSTYKA WĘZŁÓW 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. 43

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. 44

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 o C, 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 o C. Przyjmijmy następujące symbole graficzne elementów węzłów cieplnych: pompa filtr zawór odcinający zawór regulacyjny zawór regulacji różnicy ciśnienia zawór bezpieczeństwa zawór zwrotny 45

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: gdzie: t ns temperatura zasilania wody sieciowej, o C, 46 t ns = tis (2.1) t nr = tir (2.2) m n = m i (2.3)

t nr temperatura powrotu wody sieciowej, o C, t is temperatura zasilania wody instalacyjnej, o C, t ir temperatura powrotu wody instalacyjnej, o C, m n strumień masy wody w sieci cieplnej, kg/s, m i 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): oraz gdzie: m m m + m m m strumień masy wody w przewodzie mieszania, kg/s, inne oznaczenia jak wyżej. i = n m (2.4) i tis = mn tns + mm tir (2.5) t nr = tir Iloraz mm mn jest nazywany współczynnikiem mieszania i oznaczany literą α tns tis α = (2.6) tis tir 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 47

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 p3 p4 p5 p8 p7 p6 p1 p8 p7 p2 p3 p4 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 48

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 p3 p8 p7 p6 p5 p4 p1 p8 p7 p2 p6 p3 p5 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 p2 p8 p3 p6 p1 p7 p5 p8 p2 p4 p4 p3 p6 p5 p7 p4 Rys. 2.5. Pompa w przewodzie mieszania, schemat i układ ciśnienia [34] 49

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. 50

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] 51

Zawór bezpieczeństwa przy przeponowym naczyniu wzbiorczym jest elementem koniecznym w przypadku, gdy iloczyn nadciśnienia (bar) i pojemności całkowitej (w dm 3 ) 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 52

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). 53

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 o C, ze względu na konieczność podgrzania wody użytkowej do 55 60 o C, 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. 54

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 o C w przewodzie zasilającym i 70 o C w przewodzie powrotnym w węzłach hydroelewatorowych oraz 80 o C w węzłach wymiennikowych (w budynkach o specjalnym przeznaczeniu, np. w szpitalach, żłobkach). Sezon grzewczy rozpoczynał się przy temperaturze powietrza zewnętrznego poniżej 10 o C, temperatura wewnętrzna w mieszkaniach była przyjmowana jako 18 o C. Woda w instalacji wewnętrznej miała nominalną (szczytową) temperaturę 95/70 o C (zasilenie/powrót), wyjątkowo w budynkach służby zdrowia 90/70 o C. W latach 70. i 80. wytyczne projektowania instalacji ogrzewania (miały obowiązujący charakter) ustalały parametry instalacji wewnętrznej 110/70 o C. a nawet 115/70 o C. Rysunek 2.12. przedstawia typowe parametry sieci ciepłowniczej i instalacji ogrzewania przyjmowane w przeszłości [69]. 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 tns [oc] tnr [oc] tis [oc] tir [oc] 20,0 0,0-30 -20-10 0 10 20 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: t ns aktualna (odpowiadająca danej temperaturze powietrza zewnętrznego) temperatura zasilania wody sieciowej, o C, t nr aktualna temperatura powrotu wody sieciowej, o C, t is aktualna temperatura zasilania wody instalacyjnej, o C, 55

t ir aktualna temperatura powrotu wody instalacyjnej, o C. 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 o C. Zważywszy na graniczną temperaturę sezonu grzewczego (10 o C), 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 o C, co pozwalało na podgrzanie wody użytkowej do ok. 30 o C. Schemat dwustopniowego przygotowania ciepłej wody pokazano na rys. 2.13. 56

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 o C, w niektórych miastach są wyższe - 130/70 o C, w niektórych niższe - 110/60 o C, 105/60 o C. Temperatura pomieszczeń ogrzewanych obecnie wynosi 20 o C, powszechnie przyjmowane parametry instalacji wewnętrznej ogrzewania to 70/50 o C lub niższe. Sezon grzewczy obejmuje zakres temperatury powietrza zewnętrznego poniżej 12 15 o C. Rys. 2.14. ilustruje współczesny wykres regulacyjny w Polsce [69]. 57

140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 tns [oc] tnr [oc] tis [oc] tir [oc] 20,0 0,0-30 -20-10 0 10 20 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 o C), 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 o C. 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 o C. 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 58

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 t e [ o C] t is [ o C] t ir [ o C] 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 o C. Temperatura powrotnej wody sieciowej będzie zbliżona do temperatury wody instalacyjnej. W instalacji ogrzewania mogą wystąpić warunki praktycznie uniemożliwiające 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]. 59

3. BILANS CIEPLNY WĘZŁA 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/m 2 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/m 2 powierzchni użytkowej. Dodatkowy strumień ciepła do skompensowania osłabienia ogrzewania jest przyjmowany przez projektantów w przedziale 9 36 W/m 2 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 60

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: gdzie: Φ sh moc cieplna wymiennika do celów ogrzewania, kw, Φ hl projektowe obciążenie cieplne budynku, kw. Φ sh = Φhl (3.1) 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 dm 3 na dobę, przeciętnie 100 dm 3 [9]. Zużycie ciepłej wody do celów projektowania instalacji i węzłów cieplnych może być przyjęte w przedziale 50 60 dm 3 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 61

temperatury. Zdaniem autora zapotrzebowanie maksymalne godzinowe nie jest obecnie miarodajne do obliczeń wymiennika do przygotowania ciepłej wody. 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 00:00:28 01:03:28 02:06:28 03:09:28 04:12:28 05:15:28 06:18:28 07:21:28 08:24:28 09:27:28 10:30:28 11:33:28 12:36:28 13:39:28 14:42:28 15:45:28 16:48:28 17:51:28 18:54:28 19:57:28 21:00:28 22:03:28 23:06:28 time 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] 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 00:02:28 01:02:28 02:02:28 03:02:28 04:02:28 05:02:28 06:02:28 07:02:28 08:02:28 09:02:28 10:02:28 11:02:28 12:02:28 13:02:28 14:02:28 15:02:28 16:02:28 17:02:28 18:02:28 19:02:28 20:02:28 21:02:28 22:02:28 23:02:28 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 62

wymiennika ciepła. Dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę podzielone przez 24 daje w wyniku zapotrzebowanie średnie godzinowe [22]: md mh = (3.2) 24 gdzie: m d dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę, kg/d, m h 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] 63

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 LU max =2 i ΣLU 300 maksymalny, obliczeniowy strumień objętości ciepłej wody można obliczyć z wzoru [41, 42]: 64 ( ΣLU) 0. 415 q = 0.15 (3.3)

jeżeli ΣLU>300 przy każdej wartości LU max z wzoru: ( ΣLU) 0. 614 q = 0.0482 (3.4) gdzie: q obliczeniowy strumień objętości ciepłej wody, dm 3 /s, ΣLU suma jednostek obciążenia w instalacji. Przy powyższych założeniach strumień objętości ciepłej wody przypadający na 1 mieszkanie jest równy 0.28 dm 3 /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 [dm 3 /s] n f 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], n f - liczba mieszkań 65

q 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 [1] [2] [3] 0.00 0 50 100 150 200 250 300 liczba mieszkań 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 66

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: ( thw tcw) Φ DHW = q cp ρ (3.5) gdzie: q miarodajny strumień ciepłej wody (do doboru wymiennika ciepła), dm 3 /s, ρ gęstość ciepłej wody, kg/dm 3, t hw temperatura ciepłej wody, o C, zwykle przyjmowana jako 55 60 o C, t cw temperatura wody zimnej, o C, przyjmowana jako 10 o C. 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]. 67

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:. Φ DHW = n ΦDHW1 (3.6) gdzie: Φ DHW1 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] 68

Moc cieplna do przygotowania ciepłej wody w głównym węźle cieplnym jest obliczana z wzoru: Φ DHW = cf nf ΦDHW1 (3.7) gdzie: Φ DHW1 moc pojedynczego wymiennika ciepłej wody w mieszkaniu, kw, n f liczba mieszkań, c f 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. Φ DHW1 =36 kw Φ DHW [kw] n f 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 69

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: ( hs he) ( 1 ηhr) ( ηghe) Φ ve1 = mda 1 (3.8) gdzie: Φ ve1 moc cieplna nagrzewnicy wstępnej, kw, m da strumień masy powietrza suchego, kg/s, h s entalpia właściwa powietrza nawiewanego, kj/kg, h e entalpia właściwa powietrza zewnętrznego, kj/kg, η hr sprawność odzyskiwania ciepła odniesiona do entalpii, η ghe sprawność wymiennika gruntowego (odniesiona do entalpii powietrza nawiewanego). W praktyce, przy niewielkiej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym można zastosować wzór: 70

( ts te) cp ( 1 ηthr) ( ηtgh) Φ ve1 = V 1 (3.9) gdzie: V strumień objętości powietrza, m 3 /s, t s temperatura powietrza nawiewanego, kj/kg, t e temperatura powietrza zewnętrznego, kj/kg, η thr temperaturowa sprawność odzyskiwania ciepła, η tghe temperaturowa sprawność gruntowego wymiennika ciepła (odniesiona do temperatury powietrza nawiewanego), c p ciepło właściwe powietrza (odniesione do objętości), kj/(m 3 K). W nagrzewnicach wtórnych, stanowiących element wyposażenia układów klimatyzacyjnych, moc do ogrzania powietrza oblicza się jako: ( hs hc) Φ ve1 = mda (3.10) gdzie: h s entalpia właściwa powietrza nawiewanego, kj/kg, h c 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 71

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: ( t2 t1) Φ t = m cp (3.11) gdzie: Φ t moc cieplna do podgrzania wody basenowej, kw, t 1 początkowa temperatura wody, o C, t 2 końcowa temperatura wody, o C. c p ciepło właściwe wody w zakresie temperatury t 1 -t 2, 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. 72

4. STRUMIEŃ MASY NOŚNIKA CIEPŁA W OBWODACH WĘZŁA 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: m nh Φsh = (4.1) cp ( tnso tnro) gdzie: m nh strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym ogrzewania, kg/s, Φ sh moc cieplna do celów ogrzewania, kw, t nso nominalna (obliczeniowa) temperatura wody zasilającej w sieci ciepłowniczej, o C, t nro nominalna (obliczeniowa) temperatura wody powrotnej w sieci ciepłowniczej, o C, c p ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury t nso t nro, 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: m ih Φsh = (4.2) cp ( tiso tiro) gdzie: m ih strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wtórnym ogrzewania, kg/s, t iso nominalna (obliczeniowa) temperatura wody zasilającej w instalacji, o C, t iro nominalna (obliczeniowa) temperatura wody powrotnej w instalacji, o C, c p ciepło właściwe wody instalacyjnej w przedziale temperatury t iso t iro, kj/(kg K). 73

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 o C. Temperatura wody sieciowej powracającej z wymiennika ciepłej wody jest najczęściej przyjmowana w przedziale 25 35 o C. 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). m ndhw ΦDHW = (4.3) cp ( tnsb tnrb) gdzie: m ndhw strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym ciepłej wody, kg/s, Φ DHW moc cieplna przyjęta do doboru wymiennika ciepłej wody, kw, t nsb minimalna temperatura zasilania wody sieciowej, o C, t nrb obliczeniowa temperatura wody powrotnej sieciowej, o C, c p ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury t nsb t nrb, 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]. 74

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: m nve1 Φve1 = (4.4) cp ( tnso tnro) gdzie: m nve1 strumień masy nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym wentylacji, kg/s, Φ DHW moc cieplna do celów wentylacji (nagrzewnice wstępne), kw, t nso nominalna (obliczeniowa) temperatura wody zasilającej w sieci ciepłowniczej, o C, t nro nominalna (obliczeniowa) temperatura wody powrotnej w sieci ciepłowniczej, o C, c p ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury t nso t nro, kj/(kg K). Strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wtórnym wentylacji (nagrzewnice wstępne) określa wzór: m ive1 Φve1 = (4.5) cp ( tisv tirv) gdzie: m ih strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wtórnym wentylacji, kg/s, t isv nominalna (obliczeniowa) temperatura zasilania nośnika ciepła w obwodzie wtórnym, o C, t irv nominalna (obliczeniowa) temperatura powrotu nośnika ciepła w obwodzie wtórnym, o C, 75

c p ciepło właściwe nośnika ciepła (woda lub inne ciecze) w przedziale temperatury t isv t irv, 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: m nve2 Φve2 = (4.6) cp ( tnsb tnrb) gdzie: m nve2 strumień masy w obwodzie pierwotnym wymiennika zasilającego nagrzewnice wtórne, kg/s, Φ DHW moc cieplna wymiennika zasilającego nagrzewnice wtórne, kw, t nsb minimalna temperatura wody sieciowej, o C, t nrb założona temperatura wody powracającej do sieci, najczęściej 20 35 o C. c p ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury t nsb t nrb, kj/(kg K). Strumień masy nośnika ciepła po stronie wtórnej: m ive 2 Φve2 = (4.7) cp ( tiso tiro) gdzie: m ive2 strumień masy w obwodzie wtórnym wymiennika zasilającego nagrzewnice wtórne, kg/s, t iso nominalna temperatura zasilania obwodu nagrzewnic wtórnych, o C, t iro nominalna temperatura powrotu w obwodzie nagrzewnic wtórnych, o C, c p ciepło właściwe nośnika ciepła w przedziale temperatury t iso t iro, kj/(kg K). Nośnikiem ciepła po stronie wtórnej obwodu może być woda lub ciecz niezamarzająca, jeżeli centrale klimatyzacyjne są zamontowane w otoczeniu powietrza zewnętrznego. 76

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: m nt Φt = (4.8) cp ( t min nr) ns t gdzie: m nt strumień masy w obwodzie pierwotnym technologii, kg/s, Φ t moc cieplna wymiennika do celów technologii, kw, t nsmin minimalna temperatura wody sieciowej, o C, t nr założona temperatura wody powracającej do sieci, zależna od parametrów instalacji technologicznej, o C, c p ciepło właściwe wody sieciowej w przedziale temperatury t nsmin t nr, 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: m + nw = mnh + mndhw + mnve1 mnt (4.9) 77

gdzie: m nw 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: m + ns = mndhw + mnve2 mnt (4.10) gdzie: m ns 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 - 78

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: skokstrumień 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 79

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 o C i parametrach sieci 120/60 o C, temperatura wody w instalacji ogrzewania w tym punkcie wynosi odpowiednio 39/34 o C. 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 o C (50% przedziału temperatury przy pełnym przepływie w obwodzie wtórnym). Woda o obniżonej temperaturze dopłynie do grzejnika, w wyniku czego schłodzi się do temperatury 32 o C, w wymienniku ciepła podgrzeje do 34.5 o C, po kolejnym cyklu przepływu przez instalację temperatura zasilania osiągnie wartość 33.5 o C, 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. 22 00 ), 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: 80 m + nw = x mnh + mndhw + mnve1 mnt (4.11)

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) mnw = mnh 1 (4.12) gdzie: α stosunek średniej godzinowej mocy cieplnej do przygotowania ciepłej wody do mocy do ogrzewania, równy: ΦDHWh α = (4.13) Φsh gdzie: Φ DHWh średnia godzinowa moc cieplna do przygotowania ciepłej wody, kw, Φ sh 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 Φ sh = 120 kw, średnia godzinowa moc cieplna do przygotowania ciepłej wody Φ DHWh =8.46 kw, strumień masy w obwodzie pierwotnym ogrzewania m nh = 0.570 kg/s strumień masy w obwodzie pierwotnym ciepłej wody m ndhw = 0.266 kg/s, założono x = 0.3, wartość obliczona z wzoru (4.11): m nw = 0.437 kg/s, wartość obliczona z wzoru (4.12): m nw = 0.610 kg/s, Zatem: skorygowany strumień masy m nh = 0.610 0.266 =0.344 kg/s, skorygowany współczynnik redukcji strumienia masy x = 0.60 81

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. 82

5. DOBÓR ŚREDNICY PRZEWODÓW. OBLICZENIE STRAT CIŚNIENIA 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 [m 2 /s]. Rys. 5.2. Turbulentny przepływ cieczy [58] 83

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: v d Re = (5.1) ν gdzie: v prędkość przepływu cieczy, m/s, d średnica wewnętrzna przewodu, m, patrz podrozdział 5.2, ν współczynnik lepkości kinematycznej cieczy, m 2 /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. 84

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 d e d i 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, d e - średnica zewnętrzna, mm, d i - średnica wewnętrzna, mm, t- grubość ścianki 85

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] d e d i 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). m = ρ v A = ρ V = idem (5.2) gdzie: m strumień masy cieczy, kg/s, v prędkość przepływu cieczy, m/s, V strumień objętości cieczy, m 3 /s, ρ gęstość cieczy, kg/m 3, w odpowiednim przedziale temperatury (określona numerycznie), A przekrój poprzeczny przewodu, w przypadku rur okrągłych o średnicy wewnętrznej d równy 86

2 πd A = (5.3) 4 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 (w max =1 m/s) i miedzi (w max =0.5 m/s). Tabela 5.3. Maksymalny strumień objętości wody w przewodach o danej średnicy (ze stali węglowej) DN [mm] d i [mm] V max [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] 87

2 Λ ρv pl = l (5.4) di 2 gdzie: p l liniowa strata ciśnienia, Pa, v prędkość przepływu cieczy, m/s, ρ gęstość cieczy, kg/m 3, w odpowiednim przedziale temperatury, d i 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) 64 Λ = (5.5) Re gdzie: Re liczba Reynoldsa. w ruchu burzliwym (Colebrook-White formuła rekurencyjna [20, 25]) 2.51 2log Re Λ k d 3.71 i Λ n = + (5.6) n 1 gdzie: k chropowatość bezwzględna ścianki wewnętrznej przewodu, m, di średnica wewnętrzna przewodu, m. k wartość ułamka jest nazywana chropowatością względną i oznaczana przez ε. di 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. 2 Tabela 5.4. Zbieżność procedury iteracyjnej współczynnika oporów liniowych (przykład) [25] Λ 0 Λ 1 Λ 2 Λ 3 Λ 4 Λ 5 0.0007494 0.0368856 0.0318051 0.0318787 0.0318775 0.0318775 Λ o dowolna wartość (wejściowa). 88

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): w formie łańcuchowej: 2 Λ n = 2log (5.7) n 1 Re 2.51 Λ 2.51 Λ = 2log (5.8) 2 2.51 Re 2log Re... 2 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. ρ ν v pl = 32 l (5.9) 2 d i 89

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: ν m pl = 96 l (5.10) 4 πd i Jeżeli przekształcimy wzór (5.4) w ruchu burzliwym otrzymamy zależność 2 p 8Λm l = l (5.11) 2 π ρ d 5 i 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): pl R = (5.12) l 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 90

przepływów w otoczeniu elementów zaburzających. Miejscowa strata ciśnienia w odcinku obliczeniowym przewodu jest obliczana z wzoru: [7] 2 ρv ploc = ΣK (5.13) 2 gdzie: p loc miejscowa strata ciśnienia, Pa, v prędkość przepływu cieczy, m/s, ρ gęstość cieczy, kg/m 3, 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 90 o 0.5 Łuk R/DN>4 90 o 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 K v. Symbol K vs lub K v100 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] 91

gdzie: p loc miejscowa strata ciśnienia, bar, ρ gęstość cieczy, kg/m 3, K v (K vs ) współczynnik przepływu, m 3 /h, V strumień objętości cieczy, m 3 /h. 2 ρ Kv ploc = (5.14) 1000 V W literaturze przedmiotu [6, 70] występują wzory niezawierające czynnika ρ/1000, przyjmujące domyślnie gęstość cieczy równą 1000 kg/m 3. Przy temperaturze wody 120 o C 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 DN65 i wszystkie Do DN50 wszystkie Do DN50 mniejsze większe materiał brąz, żeliwo, brąz, żeliwo, brąz, żeliwo, żeliwo, stal stal węglowa, stal węglowa, brąz, stal brąz, stal stal węglowa, węglowa, stal stal stal nierdzewna nierdzewna stal nierdzewna nierdzewna nierdzewna nierdzewna połączenia spawane, spawane, spawane, spawane, spawane, spawane, kołnierzowe, kołnierzowe kołnierzowe, kołnierzowe kołnierzowe, kołnierzowe gwintowane gwintowane gwintowane 92

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 93

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. 94

6. DOBÓR ELEMENTÓW WĘZŁA 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 o C. 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 95

wymiennika ciepła Φ, nominalna (obliczeniowa) temperatura zasilania i powrotu wody w obwodzie pierwotnym (t 11 i t 12 ), nominalna (obliczeniowa) temperatura zasilania i powrotu wody w obwodzie wtórnym (t 21 i t 22 ). Strumień masy (m 1 i m 2 ) w każdym z obwodów jest wielkością wynikową. Należy założyć maksymalną stratę ciśnienia po stronie pierwotnej i wtórnej ( p 1 i p 2 ). Wynik doboru to: typ wymiennika i liczba płyt (powierzchnia wymiany ciepła). t 11 t 22 m 1 A m 2 Znane Założone Obliczone Φ sh(v), t 11, t 12, t 21, t 22 p 1, p 2 A, m 1, m 2 Φ sh(v) t 12 t 21 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]. 96

Rys. 6.2. Dobór wymiennika ciepła w sekcji ogrzewania [64] 97

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 o C lub 70/35 o C. 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 98

pokrywającej szczytowe zapotrzebowanie należy przyjąć ograniczenie straty ciśnienia w warunkach doboru wymiennika. t 11 t 22 m 1 A m 2 Znane Założone Obliczone Φ DHW, t 11, t 12, t 21, t 22 p 1, p 2 A, m 1, m 2 Φ DHW t 12 t 21 Rys. 6.4. Parametry doboru wymiennika ciepłej wody- krok 1. t 11 t 22 m 1 A m 2 Znane Obliczone Sprawdzone t 11, t 21, m 1, m 2 =q, A, t 12, t 22, Φ DHW p 2 Φ DHW t 12 t 21 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.) p 2 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. 99

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) 100

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] 101

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: V p wydajność pompy, m 3 /h strumień objętości cieczy w obwodzie, H p wysokość podnoszenia (wysokość słupa wody odpowiadająca różnicy ciśnienia wytwarzanego przez pompę), m. Strumień objętości jest obliczany z wzoru: Wysokość podnoszenia jest równa: = m Vp (6.1) ρ 102

H p ptot = (6.2) ρg gdzie: p tot całkowita różnica ciśnienia wytwarzanego przez pompę (różnica ciśnienia w króćcu tłocznym i ssawnym pompy), Pa, ρ gęstość cieczy, kg/m 3, g przyspieszenie ziemskie, równe 9.80665 m/s 2. 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. 103

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 kilkanaściekilkadziesiąt 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. 104

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 (m 3 /s) określa wzór: = m Vp (6.3) ρ 105

Do celów doboru pompy strumień objętości należy wyrazić w [m 3 /h]. Różnica ciśnienia wytwarzana przez pompę powinna zrównoważyć straty ciśnienia występujące w obwodzie: ptot = pi + pm + psc + pcv (6.4) gdzie: p i strata ciśnienia w instalacji ogrzewania, poza węzłem cieplnym, Pa, (na podstawie projektu instalacji), p m strata ciśnienia w przewodzie mieszania, Pa, p sc strata ciśnienia w obwodzie instalacji, Pa, (na prawo od włączenia przewodu mieszania). p cv 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 (m i ) jest obliczony z wzoru (4.2), strumień objętości (m 3 /s) jako: 106 m V = i p (6.5) ρ

Całkowitą różnicę ciśnienia wytwarzaną przez pompę określa wzór (6.6). ptot = pi + psc + pshe (6.6) gdzie: p i strata ciśnienia w instalacji ogrzewania, Pa, (na podstawie projektu instalacji), p sc strata ciśnienia w obwodzie wtórnym(instalacji), Pa, p she 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 (V pc ): mc V pc = (6.7) ρ Przy braku precyzyjnych danych (np. przy wyprzedzającym wykonaniu projektu węzła cieplnego przed projektem instalacji ciepłej wody) można przyjąć strumień objętości wody cyrkulacyjnej jako [20]: V = Vp = ( 0.08 0.12)q (6.8) pc 107

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: ptot = pci + pc + phe' (6.9) gdzie: p ci strata ciśnienia w instalacji cyrkulacji ciepłej wody, Pa, (na podstawie projektu instalacji), p c strata ciśnienia w obwodzie cyrkulacji węzła cieplnego, Pa, p che 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 108

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] d e DN d e 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, d e - średnica zewnętrzna, mm. Ważnymi parametrami doboru zaworów i armatury są: ciśnienie (nadciśnienie) nominalne [bar], temperatura nominalna (najwyższa temperatura robocza) [ o C]. 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 o C, często jest niższa. Wystarczającą temperaturą roboczą będzie zatem 150 o C. 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 o C, we współczesnych rozwiązaniach instalacji niższa niż 70 o C. 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 109

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 110

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: ( po pb) 2 v = (6.10) ρ 111

gdzie: v teoretyczna prędkość przepływu, m/s, p o ciśnienie zrzutowe, Pa, p b przeciwciśnienie, Pa, ρ gęstość cieczy przy ciśnieniu zrzutowym i temperaturze zrzutowej, kg/m 3. lub v = 2( po pb)ν (6.11) gdzie: ν objętość właściwa cieczy przy ciśnieniu zrzutowym i temperaturze zrzutowej, m 3 /kg. Teoretyczny strumień masy (w jednostkach układu SI) można obliczyć z wzoru: gdzie: Q m teoretyczny strumień masy, kg/s. A powierzchnia kanału przepływowego, m 2. ( po pb) 2 Q m = A (6.12) ν Strumień wyrażony w jednostkach zgodnych z PN-EN ISO 4126 jest równy: gdzie: Q m teoretyczny strumień masy, kg/h. A powierzchnia przepływu,mm 2, p o ciśnienie zrzutowe, bar, p b przeciwciśnienie, bar. ( po pb) Q m = 1.61A (6.13) ν 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]. Q m = 1.61Ab ( po pb)ρ (6.14) 112

gdzie: b współczynnik bezpieczeństwa równy b=1, przy p o - p b 5 bar, b=2 przy p o - p b > 5 bar. Jeśli wielkości we wzorze (6.14) wyrazimy w jednostkach zgodnych z PN-B-02414:1999, otrzymamy zależność: Q m = 447.3Ab ( po pb)ρ (6.15) gdzie: Q m teoretyczny strumień masy, kg/s, A powierzchnia przepływu, m 2, p o ciśnienie zrzutowe, bar, p b 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 [mm 2 ]. 113

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: gdzie: Q m wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/s, V pojemność wodna urządzenia (instalacji), m 3. 114 Qm = 0.44V (6.16) 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 [dm 3 ] przekracza 300, w praktyce przy każdej wielkości stabilizatora.

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]: Q m ρφ dν = (6.17) cp dt 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: Q 1 m = X(t ) Φ (6.18) gdzie: Q m 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 t 1 [ o C], obliczany według wzoru (propozycja autora) (R 2 =0.9999): X(t 2 1) 0.0075 + 0.01t 1 0.00004t 1 = (6.19) Ciśnienie zrzutowe p o jest obliczane zgodnie z PN- EN ISO 4126-1 [49] jako: p + o = pset + pover pamb (6.20) gdzie: p set wartość nastawy zaworu bezpieczeństwa (ciśnienie początku otwarcia), 115

p over wzrost ciśnienia przy otwarciu zaworu, zwykle przyjmowany jako 10% p set, p amb 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 m 3 3 Początkowa temperatura wody t 1 50 o C 4 Początkowa gęstość wody ρ 1 988.04 kg/m 3 patrz rozdział 1. 5 Masa wody m 879.36 kg patrz rozdział 1. 6 Ciepło właściwe c p 4.179 kj/(kg K) patrz rozdział 1. 7 Prędkość zmiany temperatury 8 9 Zmiana objętości właściwej przy zmianie temperatury Prędkość zmiany objętości właściwej dt/dτ 0.07 K/s dν/dt 4.876E-07 m 3 /(kg K) ν/ τ 3.317E-08 m 3 /(kg s) 10 Prędkość zmiany objętości V/ τ 2.917E-05 m 3 /s 11 Wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa Q m 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 [mm 2 ] określa wzór: A = 1 1.61 Qm KdrK ν ν po pb (6.21) gdzie: Q m wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/h, p o ciśnienie zrzutowe, bar, p b przeciwciśnienie, bar, ν objętość właściwa przy parametrach zrzutowych (ciśnieniu i temperaturze), m 3 /kg, K dr poświadczony zredukowany współczynnik wypływu zaworu bezpieczeństwa, równy 0.9 wartości katalogowej, K ν współczynnik korekcyjny lepkości, przy liczbie Reynoldsa niższej niż 80000, określony z nomogramu w [49] patrz rys.6.10. Liczba Reynoldsa jest obliczona przy średnicy 116

dolotowej (średnicy odpowiadającej powierzchni przepływu zaworu bezpieczeństwa) wzór (5.1). Liczbę Reynoldsa można wyrazić jako funkcję strumienia masy: 4Qm Re = (6.22) πρνdo gdzie: Q m wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/s, d o średnica przewężenia (odpowiadająca powierzchni przepływu), m, ρ gęstość wody przy parametrach zrzutowych, kg/m 3, ν współczynnik lepkości kinematycznej przy parametrach zrzutowych, m 2 /s. K ν współczynnik korekcyjny lepkości, obliczony z formuły aproksymacyjnej (R 2 =0.995). 3 2 ( ) 0.0482( ln Re) + 0.4957ln Re 0. 7338 Kν = 0.001585 ln Re (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, d over weryfikowana średnica dolotowa, inne oznaczenia w tekście (wyróżnione pole oznacza dobrany zawór) t 1 50.0 o C ρ 1 988.04 kg/m 3 ν 1 0.00000055 m 2 /s d o DN[mm] [mm] K d K dr =0.9K d p o -p b [bar] Q msf [kg/h] Re K ν A [mm 2 ] d over [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 17.16 117

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): Qm d o = 54 (6.24) Kdr ( po pb)ρ gdzie: 118

Q m wymagana przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/s, d o średnica przekroju dolotowego zaworu bezpieczeństwa, m 2, K dr poświadczony zredukowany współczynnik wypływu zaworu bezpieczeństwa, równy 0.9 wartości katalogowej, p o ciśnienie zrzutowe, bar, ρ gęstość cieczy przy parametrach zrzutowych, kg/m 3, p b 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 o C. 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 o C, zgodnie z DIN 4747 [1] Nominalna moc cieplna Średnica przyłączeniowa przewodu dolotowego (zawór membranowy 2.5 or 3 bar) Średnica przewodu wyrzutowego Φ [kw] d i [mm] d e [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 o C [1]. Tabela 6.6. Dobór średnicy zaworu bezpieczeństwa w wymiennikowym węźle cieplnym przy temperaturze czynnika wyższej niż 143.6 o C [1] Nominalna moc cieplna Średnica przyłączeniowa przewodu dolotowego Średnica przewodu wyrzutowego Φ [kw] d i [mm] d e [mm]..50 15 20 50..100 20 25 100.200 25 32 200..350 32 40 350..600 40 50 119

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 [dm 3 ] d i [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 120

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, V sys [dm 3 ], maksymalną temperaturę wody w instalacji, t max [ o C], objętość rezerwy wody w naczyniu, V WR [dm 3 ], ciśnienie statyczne (hydrostatyczne) p ST [bar], ciśnienie maksymalne (końcowe), p e [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 dm 3 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 t 1 -t 2 może być obliczona z wzoru: ν2 ν1 e = (6.25) ν1 gdzie: e względna zmiana objętości właściwej, ν 1 początkowa objętość właściwa wody (przy temperaturze napełniania t 1 ), m 3 /kg, 121

ν 2 końcowa objętość właściwa wody (przy maksymalnej temperaturze t 2 ), m 3 /kg. Wzór można wyrazić za pomocą gęstości wody: gdzie: ρ 1 początkowa gęstość wody, kg /m 3, ρ 2 końcowa gęstość wody, kg /m 3. 1 1 1 1 e = ρ (6.26) ρ2 ρ Objętość powstała w wyniku rozszerzalności cieplnej jest równa: gdzie: V e objętość powstała w wyniku rozszerzalności cieplnej, dm 3. V e = evsys (6.27) Minimalną wymaganą pojemność całkowitą przeponowego naczynia wzbiorczego określa wzór (6.28). V exp min pe + 1 = ( Ve + VWR) (6.28) pe po gdzie: V exp min minimalna wymagana pojemność całkowita naczynia wzbiorczego, dm 3, V WR - rezerwa objętości wody w naczyniu, dm 3, p e ciśnienie maksymalne w instalacji, bar, p o ciśnienie początkowe (nadciśnienie), bar obliczane jako p + gdzie: p D naddatek ciśnienia, przyjmowany jako 0.3 bar. o = pst pd (6.29) Po dokonaniu doboru naczynia wzbiorczego należy określić skorygowaną wartość ciśnienia początkowego z warunku: gdzie: 122 p ocor ( po + 1) V exp sel 1 (6.30) V exp sel VWR

V expsel pojemność całkowita dobranego naczynia wzbiorczego, dm 3, p ocor skorygowane ciśnienie początkowe, bar, inne oznaczenia jak w powyższych wzorach. Aby nie nastąpił wzrost ciśnienia ponad wartość maksymalną, ciśnienie początkowe powinno ponadto spełniać warunek: p ocor p V 1+ V e + 1 ( pe + 1) e exp sel po + 1 1 (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 V sys 990 dm 3 Wzór 2 Rezerwa objętości wody V WR 4.95 dm 3 0.5% of V sys 3 Temperatura początkowa t 1 10 4 Początkowa gęstość wody ρ 1 999.72 kg/m 3 wzór (1.28) 5 Temperatura końcowa t 1 70 6 Końcowa gęstość wody ρ 1 977.68 kg/m 3 Wzór (1.28) Względna zmiana objętości 7 właściwej e 0.023 wzór (6.25) 8 Wzrost objętości V e 22.33 dm 3 wzór (6.27) 9 Ciśnienie statyczne p ST 0.95 bar 10 Margines (naddatek) ciśnienia p D 0.30 bar 10 Ciśnienie początkowe p o 1.25 bar wzór (6.29) 11 Ciśnienie maksymalne p e 5.00 bar Wymagana pojemność całkowita 12 naczynia V expmin 43.64 dm 3 wzór (6.28) 13 Pojemność dobranego naczynia V expsel 50.00 dm 3 14 Sprawdzenie warunku (1) p ocormin 1.50 bar wzór (6.30) 15 Sprawdzenie warunku (2) p ocormax 1.74 bar wzór (6.31) 16 Przyjęte ciśnienie początkowe p oset 1.50 bar o C o C 123

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 m 3 /h. Przedsiębiorstwa Ciepłownicze ustalają w taryfie cenę 1 m 3 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. 124

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] 125

Przy napełnieniu instalacji można przyjąć wydajność odpowietrznika równą 60 80 dm 3 /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. 126 Rys. 6.22. Zasada działania stabilizatora temperatury ciepłej wody. Opis w tekście

Przed okresem szczytowego zapotrzebowania na ciepłą wodę stabilizator jest całkowicie wypełniony wodą o temperaturze 55 60 o C. 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 o C). 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]: gdzie: m = q τ (6.32) 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/m 3 ]): V = m (6.33) ρ 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 127

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: Φ V ρ c = ( tdhw tcw) gdzie: Φ load moc cieplna wymiennika c.w. (moc ładowania zasobnika), kw, V objętość wody zasobniku, m 3, load p τ (6.32) 128

ρ gęstość wody, kg/m3, c p ciepło właściwe wody, kj/(kg K), t DHW temperatura ciepłej wody, o C, t CW temperatura wody zimnej, o C, τ czas podgrzewania wody (ładowania zasobnika), s. Strumień masy wody w obiegu ładowania jest równy oznaczenia jak w powyższych wzorach. = Vρ mload (6.33) τ 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: = V Voad (6.34) τ Wysokość podnoszenia pompy należy określić na podstawie łącznej straty ciśnienia w obiegu ładowania: ptotload = pload + pbv + phe (6.6) gdzie: p totload całkowita strata ciśnienia przewodach i armaturze obiegu ładowania, Pa, p BV strata ciśnienia w zaworze równoważącym, Pa, p HE 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 129

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 o C i grubości izolacji o wspólczynniku przewodzenia ciepła λ=0.035 W/(m K), równej w przybliżeniu średnicy wewnętrznej przewodu. 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 6.9 7.4 10.3 12.8 15.9 19.4 24.5 30.9 33.2 35.2 5.0 0.0 DN20 DN25 DN32 DN40 DN50 DN65 DN80 DN100 DN125 DN150 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 o C. 130

90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 d ins Rys. 6.26. Zależność strumienia traconego ciepła od grubości izolacji cieplnej o współczyniku przewodzenia ciepła 0.035 W/(m K), (DN50, t w =100 o C) 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 o C (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]. 131

Tabela 6.10. Minimalna grubość warstwy izolacji właściwej na przewodach sieci ciepłowniczych w podziemnych kanałach nieprzechodnich i w budynkach (wg PN-B-02421) [46] D nom Grubość obliczeniowej warstwy izolacji [mm] przy temperaturze przesyłanego czynnika [mm] do 60 o C 95 o C 135 o C 150 o C 200 o C 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/(m 2 K). Straty ciepła określono przy temperaturze wody w przewodzie zasilającym 120 o C, w przewodzie powrotnym 65 o C, w instalacji odpowiednio 70 o C i 50 o C. 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 o C). Przy innej wartości współczynnika przewodzenia ciepła należy dokonać przeliczenia grubości izolacji, zakładając ten sam strumień traconego ciepła. 132

Tabela 6.11. Zalecana grubość izolacji przewodów w węzłach cieplnych (propozycja autora) DN d i t ins U l Φ 120 Φ 65 Φ 70 Φ 50 [mm] [mm] [mm] [W/(m K)] [W/m] [W/m] [W/m] [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 t ins grubość izolacji, U l liniowy współczynnik przenikania ciepła, Φ xx 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. 133

7. DOBÓR ELEMENTÓW POMIAROWYCH I AUTOMATYCZNEJ REGULACJI 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, 134

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, 135

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 o C w obwodzie pierwotnym (w przewodzie zasilającym i powrotnym) oraz 0..100 o C 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 o C. 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 o C, stała czasowa: 3s. Przy większej średnicy i przy pomiarze temperatury wody w zbiornikach ma zastosowanie czujnik zanurzeniowy ESMU 100/250 (zakres pomiarowy: 0..140 o C, stała czasowa: 2s). Mała stała czasowa jest szczególnie wymagana w układzie przygotowania ciepłej wody. 136

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 o C 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 m 3 /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 137

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 m 3 ciepłej wody. Wodomierz dobiera się stosownie do maksymalnego strumienia objętości cieczy w obwodzie. Parametrem charakterystycznym wodomierza jest przepływ nominalny (nominalny strumień objętości) Q n. 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 Q n. 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 o C, w przewodzie układu uzupełniania PN16 i 90 o C. 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 138

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. Przepływomierzprzetwornik 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 m 3 /h). W urządzeniach o większym przepływie nominalnym czujniki są montowane w przewodach. Podstawowym parametrem doboru przepływomierza jest nominalny zakres przepływu, oznaczany przez producenta jako q p (czasem jako q n ). 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 q min /q n 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. 139

Podstawowe dane ciepłomierza zawiera tabela 7.1. Tabela 7.1. Podstawowe dane ciepłomierza (Sonometer TM 1100 Danfoss) [60] Strata ciśnienia w przepływomierzu jest w tabeli podana przy przepływie nominalnym q p. Współczynnik przepływu można obliczyć z zależności: K 1 vs = qp (7.1) p p(q ) gdzie: K vs współczynnik przepływu przepływomierza, m 3 /h, q p nominalny zakres przepływu (przepływ nominalny nominalny strumień objętości cieczy), m 3 /h, p(q p ) strata ciśnienia przy przepływie nominalnym, bar. W katalogu może być podany bezpośrednio współczynnik przepływu K vs. 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. 140

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 (proporcjonalnocałkujący) 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 141

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 K vs. Jego wartość jest podana w katalogu. Kryterium doboru zaworu regulacyjnego jest autorytet A, określony jako: pv A = (7.2) ptot gdzie: A autorytet zaworu, p v strata ciśnienia przy przepływie przez zawór (przy pełnym otwarciu), p tot 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 142

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. względne kv 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 względny stopień otwarcia zaworu Rys. 7.2. Typowe bezwymiarowe charakterystyki zaworów regulacyjnych [60], liniowa, split i wykładnicza 143

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). 1,00 V/V o 0,80 0,60 A=0.10 A=0.30 A=0.50 A=0.70 A=0.90 0,40 zawór 0,20 zawór A=0.10 A=0.30 A=0.50 A=0.70 A=0.90 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 h/h o Rys. 7.3. Wypadkowa charakterystyka przepływowa obwodu regulacyjnego: względny stopień otwarcia zaworuwzględny 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. 144

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: ptot = phe + pp + pst + phm + pv (7.3) gdzie: p tot całkowita strata ciśnienia w obwodzie regulowanym,. p HE strata ciśnienia w wymienniku ciepła, p p strata ciśnienia w przewodach (liniowa i miejscowa) obwodu, p ST strata ciśnienia w filtrach (jeśli występują w obwodzie), p HM strata ciśnienia w ciepłomierzu (jeśli występuje w obwodzie), p v strata ciśnienia w zaworze (przy pełnym otwarciu). Straty ciśnienia są określane w oparciu o zasady podane w rozdziale 5. 145

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] 146

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 quasiciągły. 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 147

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. 148

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 149