Równoważenie hydrauliczne kluczem do właściwej eksploatacji Sławomir Świątecki, Grzegorz Onyszczuk Równoważenie hydrauliczne to jedna z ostatnich procedur przeprowadzanych przed oddaniem instalacji HVAC do użytku. Udana realizacja tego zadania jest niezbędna dla właściwej i ekonomicznej eksploatacji systemu. Równoważenie hydrauliczne to nie tylko dopasowanie przepływów projektowych do warunków rzeczywistych, ale również rozwiązywanie problemów w instalacji tzw. trouble-shooting. 1. Zawór równoważący STAD 2. Korpus ze stopu odpornego na odcynkowanie 3. Pokrętło z cyfrową skalą Czy przeprowadzanie pomiarów na obiekcie jest konieczne? Inwestorzy, projektanci i wykonawcy świetnie zdają sobie sprawę z dodatkowych kosztów i niezadowolenia, gdy przepływ w poszczególnych częściach instalacji jest niezgodny z założeniami projektowymi. Dlatego, w każdym większym budynku, w układach HVAC instalowane są zawory równoważące, których zadaniem jest m.in. dostosowanie przepływów we wszystkich obszarach instalacji. Aby wykonać pomiary i w konsekwencji zrównoważyć hydraulicznie budynek, należy w pierwszej kolejności wybrać odpowiedni zawór równoważący wyposażony w niezbędne elementy, takie jak: pokrętło z cyfrową skalą, pozwalające na dokładne ustawienie nastawy, a dzięki temu na zrównoważenie instalacji. Zawór powinien być wyposażony w łatwo dostępną funkcję pełnego odcięcia oraz blokadę nastawy. Na pokrętle powinna znajdować się informacja o średnicy i typie zaworu; samouszczelniające króćce pomiarowe do szybkiego i dokładnego pomiaru: spadku ciśnienia, przepływu, temperatury, mocy, ciśnienia dyspozycyjnego; korpus ze stopu odpornego na odcynkowanie, który 1. 2. 3. 34 Polski Instalator 6/2012
gwarantuje długą i niezmienną pracę zaworu oraz obniża ryzyko przecieku, np. Ametal. Jednak sam zawór nie wystarczy do poprawnego zrównoważenia obiektu potrzebne jest odpowiednie urządzenie. Wykonanie nastaw projektowych na wszystkich zaworach równoważących nie gwarantuje poprawności funkcjonowania instalacji, ponieważ obliczone nastawy są tylko wartościami wstępnymi, które powinny zostać zweryfikowane na budowie w oparciu o precyzyjne pomiary. Dlatego przed oddaniem obiektu do użytku należy przeprowadzić równoważenie hydrauliczne w celu dopasowania przepływów projektowych do warunków rzeczywistych wg. normy PN-EN 14336. Proces równoważenia hydraulicznego należy wykonać w oparciu o metodę TA-Wireless bądź TA-Diagnostic przy użyciu przyrządów regulacyjno-pomiarowych TA SCOPE firmy TA Hydronics. Po przeprowadzonej regulacji hydraulicznej należy sporządzić protokół z regulacji zawierający wartości przepływu: obliczeniowe oraz rzeczywiste, wielkość zaworu i nastawę, spadek ciśnienia na zaworze oraz odchyłkę przepływu. Maksymalna dopuszczalna tolerancja przepływu powinna być zgodna z wymaganiami normy PN-EN 14336. Protokół powinien także zawierać dane jednostki dokonującej regulacji hydraulicznej. Protokół z regulacji hydraulicznej powinien zatwierdzić i odebrać inspektor nadzoru. Po sporządzeniu protokołu należy wypełnić tabliczkę znamionową przy każdym zaworze (dołączona do urządzenia przez producenta), wpisując wszystkie dane z protokołu. Najbardziej efektywne narzędzie pomiarowe powinno być w pełni skomputeryzowane, pozwalające na dokładne pomiary zarówno spadku ciśnienia, przepływu, jak i temperatury. Okazuje się, że dysponując nawet zaawansowanym technologicznie urządzeniem pomiarowym, służącym do wykonywania indywidualnych pomiarów na konkretnych zaworach, nie jesteśmy w stanie szybko i precyzyjnie zrównoważyć bardziej rozbudowanej instalacji. Problem ten związany jest z interaktywnością poszczególnych obiegów, więc ustawiając przepływ na konkretnym zaworze, przy kolejnym dopasowaniu przepływu na kolejnym zaworze, zmieniamy tym samym to, co już ustawiliśmy i konieczna jest kolejna korekta. W przypadku instalacji rozbudowanych taka procedura jest czasochłonna i trudna do przeprowadzenia. Dlatego niezbędna jest skuteczna metoda ustawiania przepływów na wszystkich zaworach równoważących. Metod jest kilka, m.in. proporcjonalna, kompensacyjna oraz całkowicie skomputeryzowana TA-Wireless oraz TA-Diagnostic. Wybór metody uzależniony jest od liczby osób uczestniczących w równoważeniu, urządzeń i oczywiście czasu na wykonanie równoważenia. Należy wybrać metodę która optymalizuje spadki ciśnienia Tabela 1. Odchyłki przepływu wg normy PN-EN 14336 Odchyłka temperatury w pomieszczeniu 2 C Temperatura zasilania i powrotu [ C] i zajmuje jak najmniej czasu oraz angażuje jak najmniejszą liczbę osób. Etap planowania i projektowania Zadaniem projektanta instalacji HVAC jest dobór właściwego zaworu równoważącego oraz określenie wstępnej nastawy na etapie projektowania. Wybierając zawory równoważące projektanci muszą uwzględnić miejsce ich lokalizacji. Założenia projektowe muszą wskazywać projektową wartość przepływu oraz spadku ciśnienia dla każdego zaworu równoważącego, dla którego przeprowadzane są pomiary, lub którego sygnał sterujący podlega regulacji. Oczywiście dobór pomp, zaworów regulacyjnych itp. oparty jest o typoszereg charakterystyczny dla większości producentów, dlatego prawie niemożliwym jest dobranie produktu (pompy, zaworu regulacyjnego) idealnie w punkcie jego pracy. Powinniśmy również mieć świadomość tego, że wymiarowanie każdego układu jest do pewnego Dopuszczalna odchyłka przepływu w % zależna od temperatury zewnętrznej 0 C -10 C -20 C 90/70 +/- 50 +/- 40 +/- 25 80/60 +/- 50 +/- 40 +/- 20 75/65 +/- 50 +/- 40 +/- 30 60/45 +/- 50 +/- 40 +/- 25 4. 4. Urządzenie pomiarowe TA SCOPE Polski Instalator 6/2012 35
5. o tym, czy zwymiarowanie danego układu hydraulicznego jest zawyżone, czy też zaniżone. Może się również zdarzyć, że praca jednego z odbiorników nie przebiega prawidłowo, ale nie można ustalić przyczyny problemu. W takim przypadku, jeżeli przeprowadzone pomiary dowiodą, że przepływ projektowy został osiągnięty w określonym punkcie, projektant nie musi się martwić o to, że niewłaściwe działanie układu zostało spowodowane przez błąd projektowy. 5. Rodzaje metod równoważenia hydraulicznego 6. Schemat modułu hydraulicznego 7. Każde odejście od pionu tworzy moduł hydrauliczny stopnia zawyżone lub zaniżone (margines/współczynnik bezpieczeństwa), co często prowadzi do pogorszenia pracy układu zamiast do jej udoskonalenia: należy pamiętać, że nadprzepływy powodują podprzepływy. Zwiększony przepływ przez zawory regulacyjne prowadzi do zwiększenia prędkości przepływu przez zawór, co powoduje zniszczenia erozyjne, szybkie zużycie elementu, hałas, wibracje. Rozwiązaniem dla tego typu niedoskonałości na etapie projektowym są pomiary i równoważenie hydrauliczne instalacji. Co więcej, pomiary dostarczają projektantowi informacji 6. 7. Podział instalacji na moduły hydrauliczne Ważnym etapem projektowania jest podział instalacji na moduły hydrauliczne. Na rys. 6 zawór równoważący przy odbiorniku nr 5 ustawia się na 3 kpa (min. wartość spadku ciśnienia, aby dokonać pomiaru), zawór ten nazywany jest zaworem odniesienia bądź zaworem referencyjnym. Zawór równoważący na dany moduł nosi nazwę zaworu wspólnego i pełni on bardzo istotną rolę w procesie równoważenia hydraulicznego. Równoważenie optymalne oznacza, że: autorytet zaworów regulacyjnych jest zwiększony do maksymalnej wartości; znane jest przewymiarowanie pompy i można dopasować wysokość podnoszenia, aby zminimalizować koszty pompowania wody. Równoważenie optymalne ma miejsce wtedy, gdy bierze się pod uwagę najmniejsze możliwe straty ciśnienia na zaworach równoważących przy odbiornikach końcowych (co najmniej 3 kpa dla dokładnego pomiaru przepływu). Pozostały nadmiar ciśnienia jest równoważony zaworem wspólnym. Zawory wspólne przy równoważeniu dynamicznym pełnią również funkcję diagnostyczną, jak na rys. 6. Z teoretycznego punktu widzenia, hydrauliczne działanie układu może być prawidłowe również w przypadku zastosowania równoważenia automatycznego, co oznacza, że układ można zrównoważyć wykonując tylko pojedyncze pomiary na poszczególnych zaworach przy odbiornikach końcowych. W takim przypadku wskazane jest zainstalowanie zaworów równoważących, niezależnych od ciśnienia w odpowiednich miejscach, aby stanowiły one punkty diagnostyczne i służyły nie tylko przy uruchomieniu instalacji, ale również podczas jej serwisowania. W przypadku nieprawidłowego przepływu na zaworach przy obornikach, na zaworach równoważących na poszczególnych kondygnacjach możemy stwierdzić, co jest przyczyną braku odpowiedniego przepływu. Jest to bardzo ważne na etapie serwisowania instalacji i rozwiązywania problemów. 36 Polski Instalator 6/2012
klimatyzacja Teraz masz narzędzia do jeszcze lepszego zrównoważenia systemu i obniżenia zużycia energii przez... 35% Unikalna metoda TA Diagnostic pozwala na łatwiejsze, bardziej dokładne pomiary i rozwiązywanie problemów. Zeskanuj kod aby dowiedzieć się więcej Utrzymanie ciśnienia i odgazowanie Równoważenie i regulacja Termostatyka ENGINEERING ADVANTAGE TA-SCOPE jest teraz jeszcze lepszy TA SCOPE umożliwia zrównoważenie hydrauliczne systemów HVAC w prosty, szybki i bardziej precyzyjny sposób, dzięki czemu możliwe jest obniżenie zużycia energii aż o 35 % i w konsekwencji zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych. Dzięki specjalnym bezprzewodowym przekaźnikom dalekiego zasięgu równoważenie bardzo rozległych obiektów jest teraz znacznie łatwiejsze, a rozwiązywanie problemów jeszcze prostsze. Odwiedź www.tahydronics.pl, aby dowiedzieć się więcej www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl 39
8. 9. Lord Kelvin powiedział: Jeśli umiesz zmierzyć to, o czym mówisz i wyrażać to za pomocą liczb, to wiesz coś o tym. Ale kiedy nie możesz tego zmierzyć i wyrazić za pomocą liczb, twoja wiedza jest skromna i niedostateczna. Pomiar przepływu Do zmierzenia przepływu na zaworze równoważącym potrzebne jest tylko ciśnienie w instalacji. Wystarczy zatem, że pompa obiegowa pracuje nie potrzebna jest praca kotła czy agregatu chłodniczego, aby mieć odpowiednią temperaturę. W przyrządzie pomiarowym TA Scope każda wartość nastawy zaworu równoważącego jest zaprogramowana, jako konkretna wartość Kv. Odczytując z pokrętła typ i rozmiar zaworu, wartość nastawy, znamy Kv. Korzystając ze wzoru na współczynnik Kv, znając spadek ciśnienia Δp na zaworze i przekształcając wzór, urządzenie oblicza precyzyjnie wartość przepływu. Pomiar przepływu za pomocą przyrządu TA Scope jest bardzo prosty i wystarczy tylko podłączyć sprzęt pomiarowy odpowiednio do planowanego pomiaru. Funkcja Zmierz przepływ umożliwia jednoczesny pomiar różnicy ciśnienia ( p), przepływu i temperatury. Za pomocą funkcji Definiuj zawór wybiera się typ zaworu, na którym będzie wykonywany pomiar. Następnie wpisuje aktualną wartość nastawy na pokrętle zaworu. Jest również możliwość określenia rodzaju cieczy i ewentualnego stężenia różnych mieszanin, np. glikolu. Po wprowadzeniu danych wejściowych należy nacisnąć przycisk Pomiar, a następnie wcisnąć przycisk kalibracyjny 1 (rys. 10) w celu usunięcia pęcherzyków powietrza z wężyków pomiarowych. Po kilku sekundach i komunikacie na urządzeniu należy zwolnić przycisk kalibracyjny wykorzystując w tym celu przycisk 2 (rys. 10). Wynikiem tych działań będzie wskazanie wartości przepływu, spadku ciśnienia oraz ewentualnie temperatury czynnika. Model brytyjski Wykonawcy często są zobowiązani do dołączenia do dokumentacji powykonawczej protokołu z regulacji hydraulicznej. Nierzadko ten dokument wykonywany był na kolanie i odchyłka przepływu wynosiła 0%. W ostatnim czasie zauważalne jest, że protokół z równoważenia jest wymogiem inwestorów, którzy chcą wiedzieć, za co płacą. Coraz częściej w Polsce staje się popularny Model brytyjski w równoważeniu obiektu. W Wielkiej Brytanii standardem jest, że jedna firma wykonuje montaż odbiorników, przewodów, zaworów, a niezależna od firmy wykonawczej firma specjalizująca się w regulacji hydraulicznej, równoważy obiekt. Zatrudniana jest przez inwestora i to ona odpowiada za odpowiednie przepływy. Jeśli brakuje jakiegoś zaworu w instalacji, to jej zadaniem jest uzupełnienie ewentualnych braków. Dzięki takiemu podejściu inwestor ma gwarancję poprawnej pracy instalacji i ma świadomość, że koszty eksploatacyjne są na optymalnym poziomie, ponieważ wykonano w prawidłowy sposób równoważenie hydrauliczne. Ewentualne błędy można skorygować przed przekazaniem budynku do eksploatacji, przed uruchomieniem instalacji v v Kv = p p V przepływ [m 3 /h] Δp spadek ciśnienia [bar] 8. Funkcja diagnostyczna zaworów wspólnych 9. Pomiar przepływu za pomocą TA Scope Polski Instalator 6/2012 37
10. Sposób kalibracji sensora Dp TA Scope 10. 11. Zatkana rura stalowa plastikowymi korkami w budynku biurowym w Warszawie grzewczej lub chłodniczej, przed opuszczeniem budynku przez wykonawcę i przejęciem go przez właściciela. Dzięki temu ewentualne nieprawidłowości można naprawić wcześniej i mniejszym kosztem. Typowe błędy i usterki w instalacjach Sytuacje, z którymi mieliśmy nagminnie do czynienia w naszej praktyce: zapchane filtry, ciała obce w przewodzie (rys. 11), zapchane odbiorniki końcowe (centrale, klimakonwektory), nieprawidłowa instalacja zaworów zwrotnych, nieprawidłowa instalacja zaworu trójdrogowego, błędny kierunek cyrkulacji pomp obiegowych, zawory odcinające pozostawione w pozycji zamkniętej całkowicie lub częściowo, parametry pracy pompy odbiegały znacząco od wartości katalogowych, zbyt małe lub zbyt duże pompy (pompy o zbyt dużym rozmiarze mogą powodować hałas i przegrzewanie się układu), wzajemne oddziaływanie na siebie podukładów (np. pompy o mniejszej wysokości podnoszenia nawet nie podjęły pracy), przepływy wody w źródle i w przewodach rozdzielczych nie są zgodne (kompatybilne), wzajemne oddziaływanie jednostek produkcyjnych (kotły, agregaty), 11. niestabilna regulacja odbiorników końcowych, zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura zasilania, zbyt wysokie lub zbyt niskie różnicowe ciśnienie dyspozycyjne w danym obiegu. Dzięki urządzeniu pomiarowemu TA Scope w/w problemy udało się dość łatwo zidentyfikować. Podczas pracy układu może dojść do całkowitego zapchania filtrów i innych urządzeń, czego często nie można stwierdzić przy pomocy standardowo stosowanych urządzeń pomiarowych. Jednakże tego rodzaju problem zostanie natychmiast wykazany w pomiarach, jeżeli w zaworze równoważącym nie ma przepływu. W niektórych układach błędy pojawiają się jedynie w określonych momentach. Przyrząd pomiarowy TA SCOPE może gromadzić dane dotyczące spadku ciśnienia, przepływu i temperatury. Informacje na temat zmian podstawowych parametrów pracy instalacji mogą być rejestrowane, a ich wyniki zilustrowane np. w formie wykresu. Na podstawie zgromadzonych danych można wysunąć właściwe wnioski. Bardzo często właściciel budynku to zupełnie inna osoba niż użytkownik, ale w takim przypadku łączy ich wspólny cel. Oboje chcą, aby instalacja HVAC była ekonomiczna, zapewniała odpowiedni poziom komfortu i była wygodna w użyciu. We wspólnym interesie leży to, aby użytkownik, najemca, czy mieszkaniec czuł się dobrze w budynku (zazwyczaj 85% dnia spędzamy w pomieszczeniu!). Jednak, jeżeli podstawowe problemy opisane powyżej nie zostaną rozwiązane, precyzyjne dostosowywanie zaawansowanej technologii regulacji nie ma większego sensu. Należy zwrócić uwagę na dwa dobrze znane czynniki zapewniające wydajne użytkowanie instalacji. Z jednej strony właściwa dystrybucja przepływów w budynku zmniejsza zużycie energii przez instalacje grzewcze i chłodnicze, zapewniając jednocześnie żądaną temperaturę pomieszczenia i doprowadzanego powietrza. Z drugiej strony, poprzez ustawienie punktu roboczego pomp obiegowych, można zminimalizować zużycie energii elektrycznej. Tego nie można osiągnąć bez pomiarów. Wszędzie tam, gdzie są zainstalowane pompy niezależnie od tego czy jest to pompa o stałej prędkości obrotowej czy elektroniczna, dlatego powinien znaleźć się na rurociągu przeciwległym do montażu pompy zawór równoważący STAD lub STAF. Równoważenie w obiekcie krok po kroku Niedostateczne przygotowania mogą znacznie wydłużyć czas równoważenia i uniemożliwić przeprowadzenie pełnej procedury. 38 Polski Instalator 6/2012
12. Plan równoważenia Po pierwsze, inżynier musi dokładnie zapoznać się z dokumentacją projektową. Na podstawie projektu można oszacować zakres procedury równoważenia oraz określić metodę równoważenia. W planach należy sprawdzić, czy suma jest taka sama jak obliczeniowe wartości przepływu zaworu wspólnego po dodaniu przepływu odbiorników i podukładów. Może się tak zdarzyć, że jeden plan uwzględnia wartość przepływu określone dla różnych warunków pracy. Przed rozpoczęciem równoważenia na miejscu, warto sporządzić tabele, zawierające dane zaworów z dokumentacji projektowej. Przegląd wstępny O ile to możliwe, przed rozpoczęciem realizacji procedury równoważenia należy dokonać przeglądu budynku, zwracając uwagę na następujące elementy: czy zrealizowany układ jest zgodny z projektem, czy układ został w pełni ukończony, sprawdzić wszystkie zawory równoważące i sprawdzić ich dyspozycyjność (podłączenia do urządzeń pomiarowych, klucze, dźwignia, zezwolenia itd.), w razie potrzeby można w tym momencie oznaczyć zawór, jeżeli pomiary nie odpowiadają wymogom bezpieczeństwa, należy powiadomić klienta, sprawdzić, czy filtry są puste, układ został odpowietrzony, ciśnienie układu jest prawidłowe, sprawdzić, czy zawory zwrotne, regulacyjne i pompy zostały zainstalowane w prawidłowym kierunku, czy układ automatyczny i regulacyjny budynku będzie sterował zaworami i pompami zgodnie z metodą równoważenia podczas przeprowadzania równoważenia, czy kierunek pracy pomp jest prawidłowy, czy zawory równoważące zostały wstępnie nastawione (w przypadku braku nastaw należy ustawić zawory w pozycji w pełni otwartej). Procedura równoważenia Przeprowadzanie procedury równoważenia rozpoczyna się w kotłowni, centrali grzewczej lub centrali chłodzenia od sprawdzenia wartości przepływu na głównych zaworach wspólnych. Jeżeli odbiegają one znacznie od wartości projektowych, równoważenie można kontynuować jedynie po skorygowaniu błędów. Przed rozpoczęciem przeprowadzania procedury równoważenia, najlepiej na etapie projektowym, należy określić standard lub regulację w zakresie oceny dokładności procedury równoważenia. Kwestią istotną jest osiągnięcie wyniku równoważenia hydraulicznego, wymaganego przepływu, który pozostaje 13. 14. 12. Problemy w obiektach związane z wielkością urządzeń, z dodatkowymi oporami oraz z pomyleniem zasilania i powrotu 13. Charakterystyka różnych pomp obiegowych 14. Rozmieszczenie zaworów równoważących na poszczególne obiegi Polski Instalator 6/2012 39
15. Prawidłowo opisana tabliczka znamionowa przy zaworze po balancingu 15. w określonym zakresie tolerancji zgodnie z założeniami normy PN-EN 14336, przy minimalnej mocy pompy. Na koniec, zawory równoważące należy ograniczyć do wartości zadanej poprzez wykonanie blokady nastawy wstępnej. W innym przypadku, zrównoważony stan zostanie utrzymany tylko przez krótki czas. Zakończenie procedury równoważenia należy zgłosić osobie kompetentnej tak, aby układ automatyczny mógł ponownie przejąć obsługę budynku. Protokół z regulacji hydraulicznej Zapis równoważenia można sporządzić na podstawie gotowych formularzy wypełnionych na miejscu lub danych zachowanych w komputerze pomiarowym. Zapis z równoważenia musi zawierać określone dane podstawowe oraz umożliwiać powtórzenie pomiarów na podstawie zapisu. Rozdziały protokołu z regulacji hydraulicznej dotyczące zapisu z równoważenia: Informacje ogólne Okładka: Nazwa placówki, adres, nazwa zrównoważonego systemu, nazwa klienta (przedsiębiorstwa), które zleciło przeprowadzenie procedury równoważenia, nazwa przedsiębiorstwa przeprowadzającego procedurę równoważenia, data, Treść, producent, typ, zakres pomiarowy, data ostatniej kalibracji wykorzystanych przyrządów. Tekst, opis arkusz tytułowy, przygotowania, procedura równoważenia, ocena równoważenia. Wartości pomiarowe w tabelach W odniesieniu do zaworów równoważących zapis musi zawierać co najmniej następujące informacje: nazwa, numer identyfikacyjny (musi być zgodny z numerem wskazanym w planach i liczbą na etykiecie umieszczonej na miejscu), typ, rozmiar, ustawienie pokrętła (nastawa), spadek ciśnienia na zaworze, wartość przepływu projektowana, wartość przepływu pomierzona, odchyłka % przepływu. dane pomp działających w układzie: nazwa, numer identyfikacyjny, producent, typ, wybrana metoda równoważenia. Jedną z zalet hydraulicznego równoważenia jest to, że można napotkać wiele opisanych usterek w czasie wykonywania procedury równoważenia. Znacznie taniej jest usunąć je na tym etapie wykonywania instalacji niż po wprowadzeniu lokatorów/pracowników do budynku. fot. TA Hydronics 40 Polski Instalator 6/2012