< повернутися до технічних статей

Автоматичне та динамічне гідравлічне балансування

У системах водяного опалення ми використовуємо воду як контейнер для зберігання та транспортування тепла. Але скільки води насправді потрібно і як забезпечити "правильну" кількість води по відношенню до кількості тепла, що транспортується, передається або зберігається? У цій статті ми хочемо показати, що термостатичний підхід може вирішити цю проблему простіше (автоматично) і краще (динамічно).

Які переваги має гідравлічне балансування? Метою гідравлічного балансування є забезпечення кожного споживача в розподільчій мережі "правильною" кількістю води. Вона не повинна бути надто малою, оскільки інакше споживач не отримає достатньої кількості тепла; але вона також не повинна бути надто великою, оскільки інакше навантаження на циркуляційні насоси непропорційно збільшиться і, можливо, погіршить постачання іншим споживачам. Крім того, гідравлічне балансування має ще одне завдання - підвищити ефективність теплової мережі, оскільки низькі температури зворотної лінії є однією з передумов того, що низькотемпературні джерела, такі як приховане тепло конденсації, сонячне тепло або інші регенеративні джерела тепла, можуть бути реально використані споживачами. Крім того, практичний досвід показує, що системи з надмірно високою температурою обратки або надмірно високими об'ємами циркулюючої води мають значно нижчі показники споживання (в деяких випадках до 40%) навіть без регенеративних джерел після гідравлічної реконструкції.
Це ж завдання в принципі стосується і гідравлічної інтеграції теплогенераторів: Якщо об'єм води, що протікає через них, занадто великий, температура потоку не досягне бажаного значення з тими ж негативними наслідками, особливо при завантаженні буферних накопичувачів. Тому "правильна" кількість води - це завжди якомога меншеале, звичайно, завжди настільки, наскільки це необхідно. Але тепер виникає питання: як ви знаходите ці "правильна" кількість води і як їх можна надійно відрегулювати?

Рис. 1: При передачі тепла ми використовуємо воду як транспортний контейнер, подібний до тачки, якою ми перевозимо пісок. Кількість перевезеного піску залежить від добутку кількості поїздок на тачці та різниці у вазі на виїзді та в дорозі назад.

§ 1 термодинаміки застосовується завжди

У системах водяного опалення з циркуляцією застосовується наступне спрощене правило трьох: теплова потужність Qꞌ, що транспортується або передається поверхнями нагріву, швидкість потоку Vꞌ і різниця температур ΔT, де c містить теплоємність води, що нагрівається, як константу:
Qꞌ = c - Vꞌ - ΔT
Таким чином, теплова потужність Qꞌ, що постачається споживачеві, пропорційна добутку швидкості потоку Vꞌ та різниці температур подачі/обратки або перепаду ΔT:
Qꞌ ~ Vꞌ - ΔT (швидкість споживання потужності)
Таким чином, ви можете транспортувати, передавати або зберігати однакову кількість тепла, злегка охолоджуючи (або нагріваючи) велику кількість води або сильно охолоджуючи (або нагріваючи) малу кількість води, див. рис. 1. Хорошим наближенням для теплоємності води є наступне
c ≈ 4,2 Дж/(г/К) = 1 кал
Це означає, що ви можете забрати (додати) 4,2 джоуля тепла до 1 грама [г] води, охолодивши (нагрівши) її на 1 кельвін [К]. Так само можна охолодити ½ г води на 2 К або ¼ г води на 4 К. Цю кількість тепла також називають "однією калорією". Оскільки один ват - це потужність, при якій за одну секунду передається або транспортується кількість тепла в один джоуль (1 Вт = 1 Дж/с), то вищезгадану потужність можна записати в стандартних одиницях наступним чином:
Qꞌ [кВт] = 7/6 - Vꞌ [м³/год] - ΔT [K]²
Наприклад, споживач з номінальною потужністю Qꞌ_N = 28 кВт, що для номінального розкиду ∆T_N = 20 K (наприклад, 80/60°C або 50/30°C), номінальна швидкість потоку становить:
Vꞌ_N = 7/6 - 28 кВт / 20 К = 1,2 м³/год
Поки що нічого нового.

Неавтоматичне та статичне гідравлічне балансування ...

... тепер полягає в регулюванні потоку через цього споживача до цього номінального об'ємного потоку після того, як він був попередньо розрахований. Отже, під "неавтоматичним" ми маємо на увазі, що гідравлічне балансування не може бути здійснене без знання всіх індивідуальних номінальних об'ємних витрат, що є перешкодою, яку не слід недооцінювати лише у випадку модернізації. Але що станеться, якщо споживач, який був "правильно" збалансований таким чином, споживає менше номінальної потужності при частковому навантаженні? Наприклад,

• тому що це повітронагрівач, вентилятор якого вимкнений електричним кімнатним термостатом?
• тому що це бак для зберігання питної води, який повинен покривати лише втрати в режимі очікування при циркуляції гарячої води?

Якщо кількість води Vꞌ не пристосована до зменшеної теплової потужності Qꞌ, то різниця температур ∆T повинна бути зменшена, оскільки Qꞌ ~ Vꞌ - ∆T діє завжди! Під "статичним" ми маємо на увазі, що швидкість потоку Vꞌ не пристосована до фактичної теплової потужності Qꞌ, що передається при частковому навантаженні.

Говорячи про часткове навантаження

На цьому етапі ми хотіли б чітко розмежувати два дуже різних типи "часткового навантаження":

Часткове навантаження з урахуванням погодних умов

При погодокомпенсованому частковому навантаженні ми припускаємо, що навантаження на опалення, як правило, збільшується пропорційно різниці між зовнішньою температурою і температурою в приміщенні через теплопровідність огороджувальних конструкцій будівлі. Потім температура подачі підвищується по кривій нагріву, коли зовнішня температура падає. Крутизна кривої нагріву показує, на скільки градусів Кельвіна підвищується температура подачі, коли зовнішня температура падає на один градус Кельвіна. Таким чином, часткове навантаження регулюється за допомогою температури потоку при майже постійній циркуляції води. Оскільки тепловіддача нагрівальних поверхонь приблизно пропорційна різниці між їхньою середньою температурою і температурою в приміщенні, температура зворотного потоку слідує за другою, більш пологою кривою нагріву, яка перетинає першу криву нагріву при нульовому тепловому навантаженні. У цій точці розкид також дорівнює нулю. Таким чином, опалювальне навантаження Qꞌ пропорційне різниці ∆T, а циркуляція води Vꞌ залишається майже постійною в усьому діапазоні погодно-компенсованих навантажень:
Qꞌ ~ ∆T | Vꞌ = const. (Дельта-регулювання за температурою потоку), див. рис. 2.

Рис. 2: При частковому навантаженні, компенсованому погодними умовами, температура подачі знижується разом з навантаженням, тоді як витрата залишається майже постійною. Оскільки середня температура поверхні нагріву також падає, температура зворотного потоку також слідує кривій нагріву, хоча і більш пологій.

Часткове навантаження, кероване середовищем

При частковому навантаженні, регульованому середовищем, ми припускаємо, що в будь-якому випадку навантаження, регульованого погодою, тобто з довільною, але фіксованою зовнішньою температурою і достатньо визначеною, але також постійною температурою потоку, отриманою з неї за допомогою правильної кривої нагріву, існує задане значення/фактичне відхилення температури цільового середовища, наприклад, кімнатної температури. В ідеалі, регулятори цільової температури дроселюють потік через нагрівальні поверхні:
Qꞌ ~ Vꞌ |∆T = const. (регулювання потоку)
Наприклад, термостатичні клапани радіаторів у двотрубних системах працюють, якщо закриті байпаси в блоках кранів. У випадку часткового навантаження з регулюванням потоку, керованого середовищем, швидкість потоку через нагрівальні поверхні зменшується, а розкид залишається принаймні постійним. У випадку термостатичних клапанів температура в обратній магістралі навіть знижується, оскільки середня температура поверхні нагріву падає разом із навантаженням на систему опалення. Мережа розвантажується гідравлічно і її теплова ефективність зростає, див. рис. 3.
На жаль, існує також інший випадокСпоживання тепла зменшується при постійній швидкості потоку:
Qꞌ ~ ∆T | Vꞌ = const. (Регулювання дельта-Т за допомогою температури зворотної лінії)

Рис. 3: Якщо, наприклад, термостатичні клапани дроселюють потік через радіатори двотрубної мережі, коли температура в приміщенні занадто висока, розкид навіть збільшується, оскільки середня температура поверхні нагріву падає разом з переданою потужністю, що також знижує температуру обратки. Таким чином, мережа розвантажується гідравлічно (циркуляція води) і термічно (температура обратки).

Це відбувається, наприклад, коли вентилятор повітряного калорифера вимикається електричним кімнатним термостатом або в однотрубних радіаторних контурах: Тепер розкид ∆T повинен зменшуватися з тепловою потужністю Qꞌ, а це означає, що температура обратки зростає, якщо температура подачі залишається незмінною. Мережа не розвантажується гідравлічно, її теплова ефективність знижується, див. рис. 4.

Рис. 4: Якщо, з іншого боку, передача потужності зменшується без зменшення швидкості потоку, як, наприклад, у випадку з повітряними нагрівачами або в однотрубних теплотрасах, температура у зворотному трубопроводі підвищується, оскільки розкид зменшується лише зі збільшенням переданої потужності. Таким чином, мережа не розвантажується гідравлічно (циркуляція води), а її теплова ефективність знижується (температура обратки зростає).

Як це впливає на окремі нагрівальні поверхні?

Майже всі нагрівальні поверхні мають окремі індивідуальні контролери для регулювання температури цільових середовищ:

• AHU: Триходовий змішувач відкривається/закривається безперервно^IIIна жаль, зазвичай від'єднується вимикачем перед ним^I
• Повітряний теплообмінник: кімнатний термостат вмикає/вимикає вентилятор^I
• Теплі стельові панелі: кімнатний термостат повністю відкриває/закриває зональний клапан^II
• Радіаторна/2-трубна система: термостатичний клапан безперервно дроселює витрату^III
• Радіаторна/1-трубна система: всі байпаси залишаються відкритими^I
• Підігрів підлоги: термостатичний клапан повністю відкривається/закривається^II
• Резервуар для питної води: зарядний насос вмикається/вимикається^II
• Вода в басейні: Зональний клапан повністю відкривається/закривається^II

Можна виділити наступні три випадки:
(I) Потік залишається постійним у всьому діапазоні часткового навантаження (регулювання потоку відсутнє взагалі).
(II) Витрата залишається постійною вище нульового значення часткового навантаження (двоточкове регулювання витрати ввімкнено/вимкнено).
(III) Регулювання потоку здійснюється у всьому діапазоні часткових навантажень (безперервне регулювання потоку 0-100%). Очевидно, що випадок I є найгіршим, випадок II - другим найгіршим і лише випадок III є найкращим рішенням для досягнення бажаної мети - максимізації безпеки постачання та ефективності гідравлічної і теплової мережі.

Двоточкове керування та теплова ефективність

Оскільки суть двоточкового регулювання полягає у повному вмиканні та вимиканні теплообміну, зменшити теплообмін можна лише шляхом обмеження часу теплообміну. Це означає, що

• Під час Фази вимкнення поверхні нагріву не впливають на температуру зворотної води, оскільки немає потоку.
• Під час Фази вмикання теплообмін повинен відбуватися в обмеженому обсязі і, отже, з більшою питомою поверхневою потужністю (потужність на одиницю площі поверхні нагріву або теплообмінника), що призводить до вищої температури поверхні, а отже, до більшої швидкості потоку і вищої температури на виході з системи.

Таким чином, двоточкове регулювання поступається пропорційному або безперервному регулюванню не тільки з міркувань теплового комфорту (іноді холодні поверхні підлоги часто критикують в новобудовах), але й через більш ефективне використання дефіцитних поверхонь нагріву.

Автоматичне та динамічне гідравлічне балансування

Якщо тепер розмістити термостатичний нагрівальний елемент у зворотному потоці нагрівальної поверхні Обмежувач зворотної температури (RTB) який, як автоматичний регулюючий клапан, дроселює витрату в залежності від температури обратки, підвищення температури обратки, пов'язане з двома найгіршими випадками I і II, призводить до того, що витрата через поверхню нагріву зменшується і таким чином компенсується підвищення температури обратки. Це відбувається як при повному навантаженні в номінальному стані "автоматично" - тобто без знання номінальної об'ємної витрати - так і при частковому навантаженні з регулюванням середовища "динамічно" - тобто в залежності від температури цільового середовища. Таким чином, два небажані випадки I і II, згадані вище, перетворюються на бажаний випадок III без необхідності проходити процедуру розрахунку всіх індивідуальних витрат, що часто навіть неможливо у випадку реконструкції і є досить складним завданням навіть при повному розрахунку трубної мережі в новобудовах, якщо час від часу поглядати на килими цифр, розрахованих на комп'ютері, які передаються монтажникам для цієї мети.

Те саме стосується, зокрема, котлів з піковим навантаженням

Якщо, наприклад, котел пікового навантаження повинен підтримувати верхню зону буферного накопичувача при мінімальній температурі, не заряджаючи відразу весь буфер, який зазвичай зарезервований для слабших регенеративних теплогенераторів, він, звичайно, повинен подавати в буфер принаймні таку температуру (плюс надбавка на втрати при транспортуванні і гістерезис). Але як це можна забезпечити, якщо, зокрема

• температуру на виході та
• потужність модуляції

котла з піковим навантаженням? Тоді єдиним рішенням є вимірювання температури подачі котла і регулювання витрати котла на основі цієї температури. Ми назвали ці клапани, які, на відміну від клапанів споживачів тепла, повинні відкриватися при підвищенні температури, обмежувачами температури подачі (ОТП).

А як щодо якості правил?

Ми виявили, що ці обмежувачі температури обратки (RTB), а також обмежувачі температури подачі (VTB) доцільно обладнати мінімальною витратою (MUL) порядку одного відсотка від їх номінальної витрати, щоб витрата ніколи не досягала нуля. В іншому випадку, у випадку перевищення температури після різкого падіння навантаження - наприклад, коли двигун вентилятора повітряного нагрівача вимикається, як зазначено вище - існує ризик того, що датчик температури обратки буде відключений від фактичного теплоспоживання нагрівальної поверхні через застій води, а це означає, що обмежувач температури обратки (RTB) не відкриється або відкриється занадто пізно, якщо в цей час з'явиться нова потреба в навантаженні. Зокрема, для нагрівальних поверхонь з вентилятором відповідний теплий старт є не лише вимогою комфорту, але й вимогою експлуатаційної безпеки у випадку подачі зовнішнього повітря в разі заморозків.
Звичайно, якість контролю, як завжди, залежить від якості вимірювання температури. Тому, в рамках проекту Датчики біля виходів нагрівальних поверхонь (найкоротший можливий час простою!) і - особливо для контролерів без додаткового живлення - як датчики занурення. Повністю оточений водою, що нагрівається Це означає, що відповідна підготовка до роботи має важливе значення. Крім того, кожен окремий паралельний трубопровід мережі повинен бути відкалібрований однаково, тобто кожна система кондиціонування, кожен повітряний теплообмінник, кожен радіаторний однотрубний трубопровід, кожен контур панельного опалення, кожен бак для зберігання питної води і кожен теплообмінник для води в басейні.

Як це виглядає в поєднанні з кривою нагріву?

Використання обмежувача температури обратки (ОТО) призводить до згладжування кривої нагріву температури обратки, а отже, і середньої температури поверхні нагріву в діапазоні регулювання часткового навантаження, компенсованого погодними умовами, порівняно з розрахунковим варіантом. Це необхідно компенсувати відповідним підвищенням температури подачі або крутизни кривої нагріву. Ось кілька прикладів, див. рис. 5.

Рис. 5: Якщо поверхні нагріву експлуатуються з обмежувачами температури зворотної лінії (RTL) на кривих нагріву з компенсацією погодних умов, температура зворотної лінії залишається постійною. Однак потужність поверхні нагріву може підтримуватися лише при однаковій середній температурі поверхні нагріву, тому температура подачі повинна бути збільшена. Завдяки більшому розкиду, потужність передається при значно меншій швидкості потоку і значно нижчій температурі зворотної лінії, а це означає, що робота мережі розвантажується гідравлічно і є більш ефективною з теплової точки зору. Підтримується умова, що витрати є майже постійними у всьому діапазоні погодно-компенсованого навантаження, що можна розпізнати за тим фактом, що спред збільшується і зменшується пропорційно до погодно-компенсованого навантаження.

Яке значення це має для ефекту саморегулювання?

Для систем теплої підлоги, позначених * у таблиці 1, температура зворотного теплоносія, яку контролює RTB, практично дорівнює температурі в приміщенні. В результаті підвищується так званий саморегулюючий ефект теплої підлоги. Термін "саморегулюючий ефект" означає, що середня температура нагрівальної поверхні системи теплої підлоги лише на кілька Кельвінів перевищує температуру в приміщенні. Наприклад, у новобудові (проект: 35/28 °C) з частковим навантаженням 50 %iger з погодним регулюванням (28/24 °C) це на 26 °C і, відповідно, на 6 К вище, ніж температура в приміщенні, яка становить 20 °C. Якщо кімнатна температура тепер підвищиться на 1 К до 21 °C, ця різниця температур зменшиться на 1 К до 5 К, тобто на 1/6 або 17 %. Однак ця різниця температур приблизно пропорційна тепловій потужності, яку випромінює нагрівальна поверхня, так що підвищення температури в приміщенні компенсується зменшенням подачі тепла.
Однак, як вже пояснювалося, поверхня нагріву з постійною швидкістю потоку і зменшеною тепловою потужністю реагує на підвищення температури зворотної води і, відповідно, на підвищення середньої температури поверхні нагріву. Таким чином, ефект саморегулювання частково нівелюється при статичному гідравлічному балансуванні без RTB. З іншого боку, у випадку динамічного балансування з RTB, підвищення температури обратки компенсується зменшенням витрати, а це означає, що ефект саморегулювання є повністю ефективним, див. рис. 6.

Рис. 6: У системах поверхневого та підлогового опалення температура обратки може бути настільки близькою до температури в приміщенні, що підтримується ефект саморегулювання, і за допомогою обмежувача температури обратки (RTB), який, однак, не має дистанційного керування та функції вимкнення, можна реалізувати "автоматично діючий пристрій для кімнатного регулювання температури в приміщенні" в розумінні Директиви EnEV. Однак, як регулятори безперервної дії, обмежувачі температури обратки (RTB) перевершують двоточкові регулятори з точки зору комфорту та ефективності.

Що саме вимагає EnEV?

Відповідно до § 14 (2) EnEV, "системи опалення з водою як теплоносієм ... повинні бути обладнані автоматичними пристроями для покімнатного регулювання температури в приміщеннях, якщо вони встановлені в будівлях". Таким чином, не передбачено, що задане значення повинно вводитися в приміщенні. Оскільки більшість індивідуальних кімнатних контролерів для систем теплої підлоги оснащені двоточковими регуляторами, регулювання температури в приміщенні за допомогою безперервно діючих терморегуляторів є кращим з точки зору теплової ефективності - як описано вище. Тільки якщо приміщення використовується як вітальня і спальня, додаткова функція вимкнення звичайних індивідуальних кімнатних регуляторів буде корисною.

А що кажуть BAFA + KfW?

Відповідно до пункту 5.25 "Вступне слово для інноваційних технологій" "Додатку до інформаційних листів" KfW для "Енергоефективна модернізація - кредит (151/152)", "Інвестиційний грант на енергоефективну модернізацію (430)" та "Енергоефективне будівництво (153)" зазначено: "Якщо технічні системні компоненти використовуються в житлових будинках, для енергетичної оцінки яких немає визнаних технологічних правил або надійних емпіричних значень, опублікованих відповідно до розділу 9 (2), речення 2, половина речення 3 EnEV, для цієї мети можуть бути використані компоненти, які мають еквівалентні або гірші енергетичні властивості". Термін "компоненти можуть бути використані для цієї мети" відноситься до традиційних методів і компонентів неавтоматичного і статичного гідравлічного балансування, описаних у стандартах розрахунку EnEV.
Тому інноваційна технологія повинна бути еквівалентною або кращою, на що може претендувати термостатичний обмежувач температури зворотної лінії як автоматичне та динамічне гідравлічне балансування опалювальних контурів. З цієї причини встановлення та правильне налаштування RTB (VTB) субсидується як BAFA, так і KfW.

Рис. 8: Завдяки встановленню обмежувачів температури зворотної лінії (RTB) витрата повітря повітронагрівачів автоматично регулюється як при повному навантаженні (повна швидкість вентилятора), так і при частковому навантаженні (зменшена швидкість вентилятора), а також при вимкненому вентиляторі. Функція термостатичного регулювання з фіксованою мінімальною циркуляцією гарантує теплий запуск і захист від замерзання.

Останній коментар щодо балансування енергії

Енергія керування - це механічна робота, необхідна для відкриття або закриття регулюючого клапана. У великих системах вона часто забезпечується за допомогою допоміжної електричної енергії, тобто за допомогою електроприводів. У малих системах, зокрема, велика кількість регулювальних клапанів використовується для гідравлічного балансування без допоміжної енергії. Однак це означає лише те, що вони не потребують додаткового енергопостачання, а не те, що їм не потрібна енергія для функціонування. Але звідки вони беруть енергію, необхідну для функціонування?

Клапани з гідравлічним приводом

Балансувальні клапани призначені для підтримання постійного перепаду тиску або витрати. У більшості випадків механічний хід приводу клапана генерується через діафрагму від перепаду тиску в самій гідравлічній мережі. Для того, щоб регулятор взагалі працював, необхідно забезпечити мінімальний перепад тиску - зазвичай близько 2 mWS, що означає додаткову роботу для циркуляційних насосів.

Клапани з тепловим приводом

З іншого боку, в клапанах з тепловим приводом ця робота відбувається внаслідок розширення або випаровування середовища, яким заповнений датчик температури. Оскільки керуюча енергія, таким чином, витягується з опалювальної води у вигляді тепла, якість теплового з'єднання датчика відіграє тут особливу роль, як описано вище. Однак, якщо це завдання вирішено під час монтажу, такі клапани не потребують додаткового мінімального перепаду тиску протягом усього терміну служби, а отже, не вимагають додаткової роботи від циркуляційних насосів, не кажучи вже про проблему "шуму потоку". Таким чином, можна зробити висновок, що термостатично збалансована мережа може експлуатуватися зі значно меншими перепадами тиску, а отже, зі значно меншим гідравлічним навантаженням на циркуляційні насоси, ніж мережа з гідравлічним балансуванням.

Підсумок

Встановлення термостатичних обмежувачів температури зворотної лінії

• забезпечує автоматичне гідравлічне балансування, тобто без знання індивідуальних номінальних об'ємних витрат
• Підвищує ефективність теплової мережі завдяки динамічній адаптації до часткового навантаження, зумовленого середовищем
• звільняє мережу від додаткової роботи насосів для роботи балансувальних клапанів з приводом від перепаду тиску
• може використовуватися з підлогою з підігрівом як індивідуальне керування приміщенням - але без функції вимкнення
• визнається та підтримується BAFA та KfW як щонайменше еквівалентна та
• вже випробувано і перевірено тисячі разів.

Завантажити технічну статтю у форматі PDF

< повернутися до технічних статей