dr inż. Andrzej Grzegorczyk
Katedra Klimatyzacji i Ciepłownictwa
Regulacja centralnych ogrzewań wodnych.
Ogrzewanie oblicza się i projektuje dla obliczeniowych temperatur zewnętrznych
(temperatury wg PN-82/B-02403), jednak w sezonie ogrzewczym (ok. 210 –250 dni w roku) temperatury zewnętrzne bezustannie zmieniają się, zatem tak należy regulować centralne ogrzewanie, aby dostarczyć do ogrzewanych pomieszczeń właściwą ilość ciepła. Centralna regulacja może być zatem jakościowa (stały przepływ czynnika grzejnego, a zmienne
temperatury zasilania i powrotu), ilościowa (zmienny przepływ a stałe temperatury zasilania i powrotu) oraz jakościowo-ilościowa. Najczęściej realizowana jest regulacja jakościowa.
Stosowane obecnie powszechnie grzejnikowe zawory termostatyczne spełniają rolę
uzupełniającej regulacji miejscowej, przymykając się w przypadku wystąpienia dodatkowych zysków ciepła w pomieszczeniu (np. zysków od nasłonecznienia w pomieszczeniach od strony południowej).
Krzywe centralnej regulacji jakościowej (nazywane niekiedy krzywymi regulacji kompensacyjnej) zadawane są w regulatorach (sterownikach) układów c.o. w postaci:
linii prostych (zwłaszcza w starszych regulatorach analogowych);
linii prostych z jednym lub dwoma punktami załamania;
linii łańcuchowej z kilkunastoma punktami załamania.
Przykładowe krzywe centralnej regulacji jakościowej przedstawiono na rysunku poniżej.
Założenia:
II strefa klimatyczna (te,o = -18°C). W czasie pracy obiektu temperatura w pomieszczeniach ti
= +20 °C, parametry obliczeniowe 95/70 °C (krzywe t1 i t2). W okresie osłabienia nocnego temperatura dyżurna w pomieszczeniach +10 °C; obniżono także parametry instalacji
(przyjmując przykładowo) do 82/62 °C w warunkach obliczeniowych (krzywe t1dyż, t2dyż).
(Dostawę ciepła można zmniejszyć też poprzez zmniejszenie strumienia czynnika grzejnego).
Wykładnik konwekcji grzejnika m = 0,3.
Krzywe centralnej regulacji jakościowej są w rzeczywistości lekko wypukłe dla ogrzewania z grzejnikami konwekcyjnymi. Można jednak w przybliżeniu założyć ich proporcjonalność w funkcji temperatury zewnętrznej i – przy braku wykresu lub tabeli – w prosty sposób obliczyć z proporcji przybliżoną temperaturę zasilania lub powrotu dla dowolnej temperatury
zewnętrznej.
Przykład: Obliczeniowa temp. zewnętrzna wynosi te,o = -20°C, parametry obliczeniowe ogrzewania tz,o/tp,o = 90/70°C, obliczeniowa temperatura wewnętrzna ti,o = +20°C. Jaka powinna być temperatura zasilania tz,x, jeżeli temperatura zewnętrzna wynosi te,x = -5°C ? Obliczenie:
Dt o = ti,o – te,o = 20-(-20) = 40°C; Dtx = 20- (-5) = 25°C; dto = tz,o-ti,o= 90-20 = 70°C. Zatem:
tz,x = ti,o + dto(Dtx/Dto) =+20 + 70(25:40) = 63,75°C (ok. 64°C). Podobnie obliczona temperatura powrotu będzie tu wynosiła ok. 52°C.
Temperatura skraplania się pary wodnej w spalinach (temperatura punktu rosy) wynosi dla gazu ziemnego około 58°C, a dla oleju opałowego około 48°C. Tak więc w warunkach powyższego przykładu obliczeniowego, w kotle gazowym będzie zachodziła kondensacja pary wodnej w spalinach wskutek kontaktu spalin ze ścianką kotła o temperaturze wody powrotnej. Odzyskanie ciepła skraplania pary wodnej w spalinach podnosi sprawność kotła i zostało wykorzystane w kotłach kondensacyjnych (patrz niżej), jednak ze względu na kwaśny odczyn spalin kotły te muszą być wykonane w specjalny sposób i z użyciem stali
kwasoodpornej, co podnosi ich koszt.
Grzejnikowe zawory termostatyczne (GZT) i zawory upustowe (nadmiarowe).
Zastosowanie GZT bez uwzględnienia ich oddziaływania dynamicznego na instalację (odpowiedniego rozwiązania skutków zmiennych przepływów wywołanych działaniem zaworów) może spowodować różne problemy. Przy dodatkowych zyskach ciepła, np.
wskutek nasłonecznienia, zawory termostatyczne zaczną się samoczynnie przymykać, zmniejszając przepływ, co w przypadku pompy wirowej oznacza zwiększanie wysokości podnoszenia. Problemem mogą tu być okresowe szumy w instalacji wskutek dużego
dławienia nadmiaru ciśnienia przez (silnie przymknięte) grzybki zaworów termostatycznych (rys. poniżej). Przy zmniejszonym przepływie Vx opory sieci plus opory nastaw zaworów termostatycznych wynoszą Hs,x a wysokość podnoszenia pompy Hx; różnica jest dławiona przez grzybek GZT, bowiem opór nastawy wstępnej GZT , tak jak opór sieci przewodów (i wszystkich elementów o stałym – przy danym przepływie – oporze) zmniejszy się z
kwadratem przepływu. Tak więc, regulacja hydrauliczna instalacji przeprowadzona na przepływy obliczeniowe kryzami czy zaworami regulacyjnymi o stałym dławieniu nie spełni swego zadania w warunkach zmiennych przepływów.
W skrajnym przypadku pompa będzie pracowała przy braku przepływu (chociaż sytuacja taka wystąpić może jedynie przy zbyt wysokiej temperaturze zasilania, bowiem wtedy wszystkie zawory termostatyczne będą zamknięte), co spowoduje jej przegrzanie, (w pompach z
„mokrym” wirnikiem silnika ciepło wynikające z pracy pompy jest odprowadzane przez przetłaczane medium) i ew. awaryjne wyłączenie. Problem ten rozwiązuje się przez
zastosowanie zaworu nadmiarowego (upustowego) albo przy samej pompie, albo na spięciu zasilania i powrotu na końcówkach przewodów rozdzielczych.
Skutki dławienia przepływu przez GZT.
Przy zmniejszeniu przepływu (z nominalnego Vn do mniejszego Vx) wskutek oddziaływania zaworów termostatycznych, rośnie różnica ciśnień dławiona przez silnie przymknięty grzybek zaworu. Może to spowodować hałaśliwą (szum, gwizd) pracę inatalacji.
Wspólne źródło ciepła dla c.o. i ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).
W układzie takim temperatura wody wychodzącej z kotła nie może być niższa od 60 - 65°C, jeżeli chcemy uzyskać ciepłą wodę o temperaturze 50 - 55°C, to nie można zejść zbyt nisko z temperaturą zasilania z kotła i konieczne jest (okresowe) podmieszanie zimne dla obiegu c.o.
Ponadto rozbiór ciepłej wody w zasadniczy sposób różni się charakterem oraz rozkładem dobowym i tygodniowym od zapotrzebowania ciepła na ogrzewanie. Możliwe są tu różne rozwiązania.
a) W domkach jednorodzinnych można zastosować nieduże wiszące lub stojące kotły gazowe bez zasobnika (podgrzewacza) ciepłej wody ale z t.zw. pełnym priorytetem ciepłej wody użytkowej, bez akumulacji cwu. W zespole kotła jest płytowy, wysokosprawny wymiennik i w chwili poboru ciepłej wody następuje odcięcie obiegu ogrzewania, a więc cała moc palnika służy do podgrzania ciepłej wody. Układ taki zajmuje bardzo mało miejsca, ale oczywiście nie może być stosowany w domu wielorodzinnym. Ponieważ c.o. i cwu nie działają
równocześnie, więc moc kotła powinna być dobrana na większe zapotrzebowanie (c.o. lub cwu). Ze względu na brak akumulacji cwu, zapotrzebowanie ciepła obliczane jest dla maksymalnego sekundowego poboru cwu, co wymaga mocy 16 - 28 kW (zatem na ogół więcej niż Qco obliczeniowe).
b) Układ z wymiennikiem ciepła (układ Chłudowa) i zasobnikiem lub z podgrzewaczem pojemnościowym („bojlerem”). Układ z pełną akumulacją cwu.
Producenci kotłów dostarczają gotowe zestawy, w których podgrzewacz (lub tylko zasobnik) pojemnościowy stanowi część zestawu kotłowego (pod lub nad kotłem) albo jest wolnostojący. Podgrzewacze
objętościowe są także produkowane jako urządzenia autonomiczne.
Domowy kocioł z pojemnościowym
podgrzewaczem c.w.u. stojącym pod kotłem lub obok kotła (Viessmann).
c) W przypadku większej liczby mieszkańców i centralnego zaopatrzenia w c.w.u. zachodzi zawsze konieczność zaprojektowania baterii zasobników (lub podgrzewaczy).
V H
Vn Vx
Hx
Hn
Hs,x
W rozwiązaniach b) i c) należy odpowiednio zaprogramować układ regulacyjny, tak, aby nie doszło do nadmiernego obniżenia temperatury c.w.u. w przypadku długotrwałych poborów. Najczęściej stosuje się rodzaj „ograniczonego priorytetu c.w.u.”, ale pamiętać należy, że układ c.o. + c.w.u. musi być zaprojektowany kompleksowo, ze staranną analizą rozwiązania c.w.u. oraz odpowiednim doborem i ustawieniem układu automatycznej regulacji.
Zbyt niska temperatura powrotu i wykraplanie się pary wodnej ze spalin.
W zwykłych kotłach na paliwo płynne i gazowe (zwłaszcza w przypadku paliw płynnych zawierających siarkę), skropliny o kwaśnym odczynie będą powodowały intensywną korozję i szybkie niszczenie kotła. (Problem ten nie występuje przy spalaniu paliw stałych , lecz przy spalaniu paliw węglowodorowych – oleju i gazu). Dla uniknięcia kondensacji pary wodnej stosowane są różne rozwiązania.
a) Prowadzenie ruchu kotła przy stałych lub zmiennych, ale odpowiednio wysokich
parametrach, tak aby temperatura powrotu była zawsze wyższa od temperatury punktu rosy.
Ponieważ ogrzewanie wymaga zmiennych temperatur zasilania w funkcji temperatury zewnętrznej, więc zachodzi konieczność obniżenia temperatury wody wychodzącej z kotła poprzez domieszanie wody powrotnej („podmieszanie zimne”).
b) Podniesienie temperatury powrotu przez domieszanie wody zasilającej („podmieszanie gorące”). Rozwiązanie takie jest konieczne w przypadku zwykłych kotłów, nieodpornych na korozję. Hydraulicznie układ może być rozwiązany z pompą podmieszania gorącego osobną dla każdego kotła, wspólną dla wszystkich kotłów albo z t.zw. zwrotnicą hydrauliczną (sprzęgłem hydraulicznym, rozdzielaczem hydraulicznym).
c) Wykonanie kotła stalowego jako „dwuobiegowego”: obieg pierwotny, o małej pojemności wodnej, z temperaturami powyżej punktu rosy otacza komorę spalania; obieg wtórny dla instalacji ogrzewania. Dzięki małej pojemności wodnej obiegu pierwotnego możliwe jest bardzo szybkie nagrzanie kotła ze stanu zimnego. Czasem oba obiegi połączone są przez zawór termostatyczny, otwierający się dopiero po uzyskaniu odpowiedniej temperatury w obiegu pierwotnym. Podobnym, ale częściowym, rozwiązaniem problemu jest zastosowanie blachy kierującej zimniejszą wodę powrotną ku najcieplejszej części kotła – komorze spalania.
Kocioł stalowy płomieniówkowy, trójciągowy, (Vitoplex 100, Viessmann) do współpracy z palnikiem nadmuchowym
(wentylatorowym) na gaz lub olej.
Spaliny płyną ku tyłowi (1. ciąg, komora spalania o dużej średnicy), zawracają ku przodowi (2. ciąg, tutaj dwie większe rury) i z komory nawrotnej płyną pękiem płomieniówek ku tyłowi, do dymnicy (rury spalinowej) i komina. W płomieniówkach – spiralne turbulizatory spalin.
Nad płomieniówkami – specjalna blacha kierująca wodę powrotną ku dolnej części kotła, w rejon wyższych temperatur spalin.
W kotłach na paliwo stałe komora spalania ) posiada ruszt, a z przodu są drzwiczki zasypowe i
popielnikowe.
d) Zwiększenie oporu cieplnego rurki przez którą przepływają spaliny, wykonując ją z
ożebrowaniem albo jako dwu lub trójwarstwową (np. Paromat Triplex, Viessmann), podobnie jak zastosowanie w wilgotnym pomieszczeniu zamiast okna jednoszybowgo, okna
trójszybowego spowoduje brak wykraplania się pary wodnej od wewnątrz na szybie.
Poniżej inne rozwiązanie turbulizatorów wewnątrz płomieniówek, w postaci prętów. Rury trójwarstwowe Triplex (Viessmann) dla zwiększenia oporu cieplnego a zatem podniesienia temperatury ścianki od strony spalin powyżej punkty rosy spalin.
e) Zastosowanie takiego układu regulacji, który w przypadku stwierdzenia zbyt niskiej temperatury powrotu zmniejsza przepływ a więc i dostawę ciepła do odbiorników. Ponieważ palnik pracuje z pełną mocą, więc następuje szybkie podgrzanie wody w kotle i przejście powyżej temperatury punktu rosy a układ powraca do trybu normalnej pracy.
f) Odrębnym problemem są kotły żeliwne, ze względu na konstrukcję i małą pojemność wodną.. Przykładem nowatorskiego rozwiązania są tu kotły w technologii Ecostream firmy
Buderus, bazujące na zaprojektowanej komputerowo strukturze powierzchni grzejnych (system Thermostream), w których woda powrotna miesza się z zasilającą w górnych piastach członów żeliwnych kotła i do obszary komory spalania dopływa już podgrzana.
