Równoważenie hydrauliczne. Metody równoważenia hydraulicznego instalacji i najczęstsze błędy

Równoważenie hydrauliczne to procedura projektowo-wykonawcza umożliwiająca uzyskanie równomiernego i zgodnego z projektem rozdziału nośnika ciepła w instalacji grzewczej podczas całego okresu ogrzewania. Równoważenie hydrauliczne pozwala wyeliminować niepożądane nad- i podprzepływy, często występujące w systemach ogrzewania – wodnych, pompowych, dwururowych z rozdziałem dolnym.

Spis treści

1. Pojęcie równoważenia hydraulicznego instalacji
2. Równoważenie hydrauliczne - typy instalacji grzewczych
3. Równoważenie hydrauliczne - armatura
4. Metody i procedury równoważenia hydraulicznego
5. Równoważenie hydrauliczne - 8 najczęstszych błędów

Pojęcie równoważenia hydraulicznego instalacji

Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii rosną wymagania dotyczące warunków pracy i wypoczynku, a nowo wznoszone obiekty muszą sprostać wymogom zrównoważonego rozwoju. Ostatnią czynnością przed przekazaniem instalacji do eksploatacji jest jej regulacja hydrauliczna. Dzięki niej układ odznacza się większym komfortem użytkowania oraz zapewnia efektywne wykorzystanie energii i obniża koszty korzystania z budynku. Mimo tych zalet nierzadko jest ona pomijana lub przeprowadzona w niewłaściwy sposób, przez co nie przynosi oczekiwanych efektów. Dzieje się tak ze względu na terminy, których musi dotrzymać wykonawca. Należy zaznaczyć, że nie każda instalacja ogrzewania wymaga zastosowania procedury równoważenia hydraulicznego.Odpowiednio dobrane grzejnikowe zawory termostatyczne z nastawami wstępnymi, obliczonymi na podstawie projektu, zapewniają właściwą regulację niewielkich układów (dom jedno- lub kilkurodzinny). W większych obiektach oprócz wykorzystania specjalnej armatury należy przed oddaniem systemu do eksploatacji przeprowadzić jego równoważenie. W innym przypadku instalacja może dawać następujące objawy:

• niedogrzewanie lub przegrzewanie niektórych wnętrz,
• zbyt wolne nagrzewanie się części pomieszczeń (duża bezwładność),
• wahania temperatury w niektórych wnętrzach (dwustawna praca zaworów termostatycznych, zwłaszcza w okresach przejściowych),
• wyraźnie słyszalny szum wody w instalacji (za wysoka prędkość wody, kawitacja),
• hałaśliwa praca zaworów termostatycznych (praca w zakresie granicznym),
• obniżona sprawność źródła ciepła (zbyt wysoka temperatura powrotu),
• nadmierne zużycie energii elektrycznej przez pompę obiegową,
• krótsza żywotność armatury regulacyjnej (kawitacja, zużywanie się napędów).

Równoważenie hydrauliczne pozwala obniżyć koszty ogrzewania o kilka lub kilkanaście procent w skali roku. Jest ono szczególnie ważne w budynkach poddawanych termomodernizacji oraz w przypadku instalacji niskoparametrowych, zasilanych zazwyczaj przez kotły kondensacyjne lub pompy ciepła.

Równoważenie hydrauliczne - typy instalacji grzewczych

Prawidłowe wykonanie równoważenia hydraulicznego instalacji wymaga określenia jej typu przez ustalenie w układzie dominującego charakteru przepływu – stałego lub zmiennego. Każdy z nich ma zalety i wady.Ten pierwszy nie ulega wahaniom w czasie całego okresu grzewczego (jakościowa regulacja mocy w wyniku zmiany temperatury wody zasilającej). Występuje w układach stało przepływowych, do których należą instalacje bez zaworów termostatycznych lub z nimi, z centralnym regulatorem pogodowym, jeśli zmiany przepływów wywołane przez zawory są mniejsze niż 20%. Zalicza się do nich również układy z zaworami termostatycznymi i upustowymi, gwarantujące stały przepływ w każdym pionie. W przypadku tego rodzaju instalacji wystarcza równoważenie statyczne za pomocą armatury z płynną nastawą ręczną oraz możliwością pomiaru i weryfikacji przepływu. Zawory instalowane są z reguły na podejściach do poszczególnych pionów.Podczas pracy układu zmienno przepływowego ta wartość ulega wahaniom. Zmiana natężenia dla wody zasilającej umożliwia ilościową regulację mocy. Instalacje wyposażone są w zawory termostatyczne i zasilane np. z grupowych węzłów ciepłowniczych. Równoważenie dynamiczne odbywa się za pomocą regulatorów różnicy ciśnienia składających się z pary połączonych zaworów równoważących. Wbudowany w armaturę membranowy model urządzenia umożliwia stabilizację różnicy ciśnienia. Układ należy wyposażyć w pompę o zmiennej wydajności.Do zalet instalacji pierwszego rodzaju należą m.in. stałe warunki jej pracy i prosty dobór zaworów regulacyjnych. Wadami są: mniejszy komfort użytkowników, duże koszty eksploatacyjne (stałe pompowanie, praca grzejników przy maksymalnym przepływie, wysoka temperatura powrotu).Układy drugiego typu mają następujące zalety: mniejszy koszt pompowania wraz ze spadkiem przepływu i możliwość obniżania temperatury wody powrotnej, co ma zasadnicze znaczenie dla kotłów kondensacyjnych. Wady to: trudniejszy dobór zaworu regulacyjnego, wzajemne oddziaływanie na siebie obiegów oraz konieczność zapewniania przepływów minimalnych w celu ochrony pompy. W praktyce odchodzi się od projektowania i budowy instalacji grzewczych stało przepływowych. W przypadku modernizacji przekształca się je na zmienno przepływowe w celu uzyskania nie tylko wyższego komfortu oraz właściwego rozkładu temperatury w budynku, lecz także obniżenia kosztów eksploatacyjnych.

Równoważenie hydrauliczne - armatura

Producenci zaworów równoważących oferują poradniki dotyczące warunków ich zastosowania w poszczególnych rodzajach instalacji oraz materiały służące do doboru armatury. Modele ręczne powinny mieć możliwość zadania nastawy wstępnej przez zmianę położenia grzybka zaworu względem gniazda oraz jej odczytu ze skali nastaw. Ponadto muszą być wyposażone w funkcję zamykania, króćce pomiarowe, kurek spustowy oraz blokadę nastawy wstępnej. Oferowane są też modele z wbudowaną kryzą pomiarową, która ułatwia dokładne pomiary przy ich zadawaniu.Zawory równoważące automatyczne powinny pozwalać na płynną nastawę przepływu oraz mieć określoną minimalną wartość ciśnienia podczas pracy i dopuszczalny maksymalny jego spadek, dla którego urządzenie utrzymuje stały rozpływ czynnika w granicach dozwolonego błędu. Im niższe będzie wymagane ciśnienie, tym niższe koszty pompowania. Ponadto zawory powinny umożliwiać odczyt wartości nastawionego przepływu na zewnątrz. Niektóre mogą być wyposażane w funkcje zamykania rozpływu czynnika bezpośrednio na nich oraz pozwalać na pomiar przy pomocy króćców pomiarowych.Armaturę należy zainstalować w taki sposób, aby możliwe było tworzenie modułów regulowanych niezależnie od reszty instalacji. Optymalna sytuacja to taka, gdy każdy odbiornik końcowy, pion, przewód główny rozdzielaczy, każde odgałęzienie oraz każda jednostka produkująca ciepło są wyposażone w zawory równoważące. Wówczas bardzo łatwo jest regulować układ, w którym wystąpiły pewne zmiany w stosunku do projektu, np. błędy konstrukcyjne oraz przewymiarowanie przewodów i urządzeń. Dzięki temu można zaoszczędzić czas i optymalnie zrównoważyć instalację. Pozwala to wykryć usterki oraz zamknąć przepływy w czasie naprawy i konserwacji układu.

Metody i procedury równoważenia hydraulicznego

Istotą równoważenia jest zapewnienie prawidłowego rozpływu czynnika w instalacji zgodnie z założeniami i wymaganiami cieplnymi pomieszczeń. W praktyce oznacza to ograniczenie wielkości przepływu w jednej części układu z jednoczesnym zwiększeniem w innej. Chodzi o to, aby wszystkie te zmiany były pod kontrolą. W związku z tym opracowano kilka metod postępowania.Metoda temperaturowa – najprostsza, polega na pomiarach temperatury między pionem zasilającym a powrotnym oraz dążeniu do równomiernego ich rozkładu. Ze względu na czasochłonność zaleca się stosować ją w niewielkich instalacjach. Nie ma potrzeby użycia specjalistycznego urządzenia ani obsługi wysoko wykwalifikowanego personelu.Istotne są za to warunki pogodowe – temperatura poniżej 0°C i niewielkie nasłonecznienie.Metoda komputerowa – wymaga użycia urządzenia do pomiaru różnicy ciśnienia. Pozwala określić jego spadki oraz przepływy w pionach i rozprowadzeniach w niezbyt rozległych instalacjach. Stosowana jest często jako kontrola pracy układu. Może zajść potrzeba kilkukrotnego powtórzenia pomiarów.Obie opisane wyżej metody mogą być niewystarczające w dużych instalacjach c.o. W zależności od dokładności wykonania i zaangażowania obsługi w sposób widoczny poprawią pracę układu niepoddanego wcześniej regulacji, lecz może to być niewystarczające do usunięcia wszystkich nieprawidłowości.Metoda proporcjonalna – pozwala osiągnąć wysoką dokładność regulacji. Sprawdza się przy rozległych instalacjach o skomplikowanym przebiegu sieci przewodów oraz wszędzie tam, gdzie możliwa jest dalsza rozbudowa układu. Poprawność jej wykonania potwierdza się przez ponowne przeprowadzenie pomiarów. Bez problemu mogą je zrealizować tylko dwie osoby. Metoda ta wykorzystuje zasadę braku proporcjonalnego rozkładu przepływu połączonych równolegle obiegów w momencie jego zmiany w jednym z nich. Powoduje to niekontrolowany rozpływ czynnika w pozostałych obiegach – najczęściej pionach. Zawory równoważące zamontowane na każdym z równoległych pionów mają za zadanie wywołać wzajemną zależność zmian przepływu i sprowadzić układ do kontrolowanej równowagi. Warunek jest jeden – źródło zmian stanowi dodatkowy zawór spoza układu równoległego, tzw. wspólny, sterujący przepływem w całym obiegu.Metoda kompensacyjna (pionu referencyjnego) podobnie jak proporcjonalna stosowana jest przy równoważeniu dużych, często bardzo rozległych instalacji. Wymaga jednak co najmniej trzech osób i łączności między nimi oraz dwóch mierników różnicy ciśnienia. Doświadczony serwis może ją wykonać w miarę szybko i sprawnie, gdyż nie trzeba robić powtórnych pomiarów. Wszelkie zmiany ciśnienia, a więc i przepływu, kompensowane są na bieżąco podczas równoważenia. Metoda wymaga określenia najbardziej niekorzystnego pod względem hydraulicznym pionu (tzw. referencyjnego) i utrzymania na nim stałego spadku ciśnienia za sprawą kontrolowanej zmiany rozpływu czynnika na zaworze wspólnym. W tym czasie pozostałe piony poddawane są regulacji, a towarzyszące temu wahania są od razu korygowane (kompensowane).Przy zastosowaniu opisanych metod konieczne jest zainstalowanie odpowiedniej armatury – ręcznych zaworów równoważących, z uwagi na miejsce ich montażu potocznie nazywanych podpionowymi. Powinny one umożliwiać podłączenie urządzeń do pomiaru spadku ciśnienia i przepływu oraz wyliczyć wymaganą nastawę. Warto również przewidzieć możliwość spustu i odcięcia przepływu oraz zablokowania ustalonej nastawy, zabezpieczając tym samym armaturę przed niepowołaną ingerencją z zewnątrz. Różnorodność cen i konstrukcji dostępnych typów zaworu równoważących jest dość duża, a dobór odpowiedniego rozwiązania dopasowanego do potrzeb i możliwości inwestora odgrywa ważną rolę.Z uwagi na to rozsądnie jest pozostawić tę decyzję osobom kompetentnym, z doświadczeniem i wiedzą. Dysponują one zazwyczaj wykwalifikowanym serwisem wyposażonym w specjalistyczny, nierzadko drogi sprzęt. Opisane wyżej metody można zastosować do równoważenia instalacji z zastosowaniem ręcznych zaworów, których wykorzystanie niesie jednak pewne niedogodności. Są to: wysoka pracochłonność, konieczność starannego wykonania pomiarów i obliczeń hydraulicznych oraz zróżnicowana dokładność na poziomie ok. 10%. Należy też pamiętać o okresowym kontrolowaniu stanu rozregulowania instalacji po dłuższym okresie jej eksploatacji. Aby uniknąć tych trudności, należy użyć automatycznych zaworów równoważących, tzw. dynamicznych, które w sposób ciągły samoczynnie reagują na zmiany ciśnienia w układzie i utrzymują zadany przepływ. Nie ma konieczności stosowania ich na pionach czy rurociągach głównych. Równoważenie sprowadza się do zapewnienia odpowiednich przepływów bezpośrednio na odbiornikach. Trzeba jednak pamiętać o wyższych kosztach tego typu armatury.

Równoważenie hydrauliczne - 8 najczęstszych błędów

Instalację należy odpowiednio przygotować do równoważenia. W przypadku nowej wiąże się to przede wszystkim ze starannym jej wykonaniem. Jeżeli podczas montażu wykonawca natrafia na problemy zmuszające go do odejścia od założeń projektowych, powinien ten fakt uzgodnić z projektantem w celu sprawdzenia proponowanej zmiany oraz jej wpływu na pracę pozostałych elementów instalacji. W przypadku modernizacji najlepiej sporządzić jej inwentaryzację i na tej podstawie dokonać niezbędnych obliczeń hydraulicznych, a także weryfikacji obciążeniacieplnego. Należy zaznaczyć, że im dokładniejsze będą zebrane dane i wykonane obliczenia, tym lepsze skutki przyniesie ta procedura.Niezależnie jednak od tego, czy instalacja jest nowa, czy zmodernizowana, przed przystąpieniem do jej właściwej regulacji zaleca się wykonanie kilku niezbędnych czynności, takich jak:

• kontrola szczelności połączeń i ciśnienia statycznego,
• dokładne przepłukanie oraz odpowietrzenie całego układu,
• sprawdzenie poprawności pracy pompy i armatury,
• otwarcie wszystkich zaworów odcinających,
• ustawienie dobranych w projekcie nastaw wstępnych na termostatycznych zaworach grzejnikowych,
• pełne otwarcie głowic termostatycznych.

Błędy w równoważeniu hydraulicznym:

1. Regulacja przy zdjętych głowicach termostatycznych

Często popełnianym błędem jest wykonywanie równoważenia bez zamontowanych głowic termostatycznych, które sprawiają, że zawory grzejnikowe osiągają maksymalną przepustowość. Dla tak przeprowadzonej regulacji hydraulicznej po założeniu głowic będzie występował mniejszy przepływ czynnika. Najkorzystniej wykonać procedurę w warunkach odpowiadających warunkom obliczeniowym, w przeciwnym razie należy się liczyć z niedokładnością regulacji hydraulicznej. By zmniejszyć odchyłkę, można np. ustawić głowicę termostatyczną powyżej rzeczywistej temperatury w pomieszczeniach. Dla pełnego otwarcia zaworu powinna być ona większa od projektowej we wnętrzu, co najmniej o wartość odchylenia proporcjonalnego (najczęściej 2 K).

2. Regulacja instalacji na gorącym czynniku lub przykręconych głowicach termostatycznychNajczęstszym błędem popełnianym podczas regulacji statycznej instalacji z zamontowanymi głowicami termostatycznymi jest równoważenie na tzw. gorącym czynniku, którego temperatura przekracza temperaturę zasilania wynikającą z krzywej grzewczej. Układ regulacji tego parametru, reagując według własnej charakterystyki, przymyka zawory termostatyczne, co ogranicza przepływ przez odbiornik. Wówczas konieczne staje się podwyższenie ciśnienia dyspozycyjnego w instalacji. W konsekwencji występuje nadwyżka przepływu, gdy zawór jest w stanie pełnego otwarcia. Analogiczna sytuacja ma miejsce, gdy temperatura ustawiona na głowicy będzie niższa od zaprojektowanej dla danego pomieszczenia.

3. Brak minimalnych spadków ciśnienia na regulatorach

Taka sytuacja występuje po termomodernizacji budynków, kiedy wymagany strumień ciepła dla pomieszczeń znacząco maleje, zatem również spadki ciśnienia na armaturze regulacyjnej są mniejsze od pierwotnie założonych, co powoduje obniżenie dokładności pomiarów.Przyczyną może tu być także sposób montażu zaworów regulacyjnych z nastawą wstępną. Niektórzy producenci dopuszczają przepływ czynnika w dwóch kierunkach, tak więc zabudowa armatury przeciwnie do sugerowanego jest poprawna hydraulicznie. Problem polega na tym, że jej nomogramy i charakterystyki są opracowywane zazwyczaj dla jednego, zalecanego kierunku.

4. Brak korekty przepływu w stosunku do projektowych nastaw wstępnych

Inną nieprawidłowością związaną z zaworami regulacyjnymi ręcznymi jest ustawienie nastaw wstępnych podanych w projekcie bez sprawdzenia przepływów za pomocą przyrządu pomiarowego. Wartości nastaw są wyjściowe do rozpoczęcia regulacji, przybliżone właściwym. Pomiary przepływów czynnika dokonane po ustawieniu nastaw wstępnych wykazują znaczne niezgodności w stosunku do zaprojektowanych. Spowodowane jest to np. rozbieżnościami między projektem a wykonaną instalacją, ograniczoną dokładnością obliczeń cieplnych i hydraulicznych czy niedotrzymaniem założonych warunków na obiekcie.

5. Regulacja mieszana w tym samym obiegu

Częstym błędem jest także próba łączenia regulacji dynamicznej ze statyczną na jednym obiegu grzewczym. Mogą tutaj wystąpić dwa przypadki. Pierwszy ma miejsce wtedy, gdy na regulatorze zostanie ustalona zaprojektowana różnica ciśnienia, a nadwyżki przepływu próbuje się zdławić zaworem ręcznym (rurkę impulsową podłącza się do niego od strony źródła). Podczas wprowadzania biernego elementu regulacyjnego generowane jest dodatkowe źródło zakłóceń, szczególnie w układzie o zmiennym przepływie, którego nadwyżki najprościej ograniczyć, zmniejszając wartość stabilizowanej różnicy ciśnienia w pionie przez zmianę nastawy na regulatorze. Drugi przypadek polega na zdławieniu nadwyżki przepływu za pomocą zaworu ręcznego przed układem regulacji różnicy ciśnienia (poprawne miejsce wpięcia rurki impulsowej od strony pionu). Przy dużej nadwyżce ciśnienia, gdy znaczna jego część jest dławiona w ramach pracy regulatora, który zostaje znacznie obciążony, równoważenie ręczne nie przynosi widocznych efektów. Jednak dławiąc dalej przepływ za pomocą zaworu ręcznego, można doprowadzić do sytuacji, gdy spadek ciśnienia na regulatorze będzie mniejszy od minimalnego, a on zacznie pracować niestabilnie. W efekcie obniży się jakość i precyzja równoważenia.

6. Nieprawidłowe podłączenie rurki impulsowej

Błędem popełnianym podczas równoważenia dynamicznego z zastosowaniem regulatorów różnicy ciśnienia jest niewłaściwe podłączenie rurki impulsowej. Każdy regulator musi być podłączony do dwóch punktów w instalacji, dla których ma stabilizować różnicę ciśnienia. W przypadku typowych jedno połączenie jest wewnętrzne w samym regulatorze, np. na przewodzie powrotnym. Drugie realizowane jest za pomocą rurki impulsowej do zaworu na przewodzie zasilającym. Często ten, do którego podłączona jest rurka impulsowa, to zawór regulacyjny z możliwością podpięcia przyrządu pomiarowego z wykorzystaniem tych samych króćców. Gdy rurka impulsowa zostanie podłączona po stronie źródła ciepła, zmienność przepływu przez zawór regulacyjny spowoduje zmienny spadek ciśnienia po stronie, gdzie jest stabilizowana różnica ciśnienia, wprowadzając dodatkowe zakłócenie. Dotyczy to tylko części producentów zaworów regulacyjnych. Na rynku oferowane są również takie, które mają dodatkowy króciec do podłączenia rurki impulsowej, wówczas ten rodzaj błędu nie występuje.7. Wykonywanie i uwzględnianie pomiarów chwilowych

Próba zmierzenia przepływu czynnika grzewczego w pionie z regulatorem różnicy ciśnienia przy odłączonej od zaworu rurce impulsowej (w celu umożliwienia wpięcia sondy przyrządu pomiarowego) to kolejna nieprawidłowość w trakcie równoważenia instalacji. Wówczas wykonany i przyjęty do regulacji pomiar przepływu jest jedynie chwilowy. Po ponownym podłączeniu rurki impulsowej jego wartość byłaby inna.8. Niewłaściwe przygotowanie przyrządów pomiarowych

Jest to błąd związany z rodzajem metody oraz brakiem wypoziomowania i autokalibracji przyrządów pomiarowych, pracą z zapowietrzonymi rurkami impulsowymi czy wykonaniem tylko jednej serii pomiarowej.Równoważenie hydrauliczne dużych instalacji grzewczych to konieczność. Powoli staje się standardem technicznym w naszym kraju. Wymaga projektu uwzględniającego istniejący stan techniczny systemu oraz wszystkie jego elementy. Nabiera to szczególnego znaczenia w przypadku równoważenia układów modernizowanych. Niezależnie od wybranego rozwiązania decydującym czynnikiem jest poprawność i solidność wykonania metody. Niedopełnienie lub niewłaściwe przeprowadzenie wymaganych czynności często uniemożliwia osiągnięcie i utrwalenie przewidywanych efektów: poprawy komfortu użytkowania budynku i wzrostu efektywności energetycznej instalacji ogrzewczej.

dr inż. Paweł Kędzierski