Postęp w regulacji instalacji klimatyzacyjnych i chłodniczych

Obecnie większość instalacji klimatyzacyjnych i chłodniczych równoważona jest przy użyciu statycznych regulatorów przepływu. Są to urządzenia, w których regulacja strumienia medium odbywa się poprzez ręczne dławienie nadmiaru ciśnienia, uzyskiwane za pośrednictwem stosownej nastawy. Oznacza to, że po sporządzeniu projektu i określeniu nastaw oraz zamontowaniu armatury regulacyjnej w instalacji, konieczne jest zmierzenie i wyregulowanie przepływu przez każdy odbiornik oraz poszczególne sekcje, tak by wszędzie uzyskać wartości obliczeniowe strumieni medium. W tego typu regulacji bardzo uciążliwa i mogąca prowadzić do istotnych niedokładności jest współzależność pracy wszystkich regulatorów – zmniejszenie przepływu przez jeden odbiornik wywołuje zwiększenie przepływu w innym odbiorniku i na odwrót. Czas wykonania instalacji, zwłaszcza rozległej, jest długi ze względu na konieczność wielokrotnych zmian nastaw na tych samych regulatorach, co skutkuje wzrostem kosztów realizacji inwestycji. Niezmienność raz wybranego współczynnika Kv w regulatorze statycznym podczas pracy układu, prowadzi ponadto do zmian przepływu pod wpływem wahań ciśnienia, a tym samym może skutkować złą pracą instalacji. Jedynym rozwiązaniem pozwalającym na uniknięcie takich niedogodności jest zastosowanie regulatorów dynamicznych.

Dynamiczna regulacja przepływu
Charakterystyki regulatorów statycznych wskazują jednoznacznie, że wraz ze wzrostem ciśnienia musi przez element regulacyjny przepłynąć więcej medium. Często zatem po wykonaniu instalacji przepływy są większe niż wynika to z założeń projektowych lub mniejsze, jeśli instalacja jest niestarannie wyregulowana. Aby przepływ obliczeniowy zawsze był utrzymywany na jednakowym poziomie, charakterystyka regulatora w punkcie przepływu "100%" powinna być jak najbardziej płaska – równoległa do osi ciśnienia różnicowego (Rys. 1).

Rys. 1 Charakterystyki statycznych i dynamicznych regulatorów przepływu
Ponieważ w regulatorach statycznych uzyskanie takiej charakterystyki jest niemożliwe, konieczne staje się zastosowanie podzespołu dopasowującego się do zmiennych warunków hydraulicznych występujących w układzie.

Nowoczesna armatura regulacyjna
Aby wyjść naprzeciw wymaganiom stawianym przez nowoczesne systemy chłodnicze i klimatyzacyjne firma Frese A/S specjalizująca się w produkcji rozmaitych dynamicznych regulatorów przepływu zaproponowała zupełnie nowe rozwiązanie. Korpusy armatury i automatyczne podzespoły regulacyjne dostarczane są jako oddzielne elementy. Powstałe z ich złożenia urządzenia stają się dynamicznymi regulatorami przepływu, które pomimo nieco bardziej skomplikowanej budowy w porównaniu z odpowiednikami statycznymi, zapewniają konkurencyjność cenową oraz dużą uniwersalność zastosowań.
Podzespół regulacyjny noszący nazwę CARTRIDGE – plastikowa wkładka regulacyjna - jest montowany w korpusach regulatorów Frese AB, ABV, ALPHA, LUNA, EVA lub KLIMA. Dzięki dużemu wyborowi wkładek regulacyjnych istnieje możliwość skorzystania z bardzo szerokiego spektrum nastaw przepływu pozwalającego zapewnić właściwą pracę każdej instalacji.

Plastikowa wkładka regulacyjna
O najważniejszych cechach plastikowej wkładki regulacyjnej decydują dwa elementy. Pierwszym z nich jest obudowa z otworami o różnych średnicach, służąca do nastawienia wymaganej wielkości przepływu. Drugim jest podzespół składający się ze sprężyny i membrany przysłaniającej otwory w górnej części wkładki, utrzymujący przepływ na stałym poziomie, niezależnie od wahań ciśnienia występujących w instalacji (Rys.2).

Rys. 2 Plastikowa wkładka regulacyjna koloru czerwonego

Rys. 3 Przekrój plastikowej wkładki regulacyjnej:
1 Obudowa - mosiądz tłoczony na gorąco CuZn40Pb2
2 Membrana – EPDM
3 Sprężyna - stal nierdzewna
4 Obudowa z otworami nastaw wstępnych – POM
5 Gniazdo klucza - imbusa – POM
6 Rurka impulsowa – mosiądz CuZn40Pb2
7 Otwory przysłaniane przez membranę (2), pozwalające na utrzymanie nastawionej wartości przepływu

Medium wpływa do wkładki otworami 2 (Rys. 4), następnie wypływa w górnej części, otworami 3. Membrana sterowana impulsem ciśnienia przekazywanym rurką kapilarną 1 w połączeniu z przeciwdziałającą sile ciśnienia sprężyną, reaguje na zmienne warunki hydrauliczne przysłaniając, lub odsłaniając otwory 3 o stałej wielkości.

Rys. 4 Przepływ medium przez plastikową wkładkę regulacyjną
Zasadę działania regulatora dynamicznego można prześledzić na schematycznym przekroju plastikowej wkładki regulacyjnej (Rys. 5), zgodnie z którym ciśnienie przed regulatorem przyjmuje wartość P1, za regulatorem P3, natomiast we wkładce regulacyjnej P2. Różnica P1-P3 określa stratę ciśnienia na regulatorze. Wartość P2 jest ustalana przez oddziaływanie ciśnienia P1 na membranę w górnej części regulatora. Dzięki pracy sprężyny we wkładce regulacyjnej wartość P1-P2 pozostaje niezmienna, a tym samym utrzymywane jest stałe P w obszarze otworów 2 wkładki regulacyjnej (Rys. 4), przez które przypływa medium. Wynikiem tego działania jest niezmienna wartość przepływu przez regulator, niezależnie od zmian warunków hydraulicznych w układzie - stała wartość ciśnienia różnicowego podczas przepływu medium przez otwór o niezmiennej średnicy musi skutkować uzyskaniem ustabilizowanego strumienia.

Rys. 5 Zasada działania plastikowej wkładki regulacyjnej

Rys. 6. Typoszereg wkładek regulacyjnych

Typoszereg plastikowych wkładek regulacyjnych
Wkładki regulacyjne są produkowane w sześciu kolorach: szarym, białym, czerwonym, niebieskim, czarnym i zielonym (Rys. 6). O kolorze wkładki decyduje jej dolna część. Każdą wkładkę można nastawić na maksymalnie osiem wartości strumienia medium. Nastawy zaprojektowano tak, by wkładki o różnych kolorach pozwalały na regulację innych wielkości przepływu. Zakres nastaw strumieni medium obejmuje wartości od 30 l/h do 5150 l/h. Ponadto wkładki posiadają oznaczenia literowe określające ich przeznaczenie do pracy w trzech zakresach ciśnień różnicowych: 15-150 kPa, 22-300 kPa lub 30-410 kPa.

Nastawianie wielkości strumienia
Nastawę dla danego przepływu ustala się za pośrednictwem znajdującego się w komplecie z wkładką regulacyjną klucza sześciokątnego - imbusa - na podstawie tabel nastaw. Klucz po umieszczeniu w czołowej części wkładki regulacyjnej obraca się do momentu przesunięcia wskaźnika - wycięcia w gnieździe klucza - na żądaną cyfrę (Rys. 7), która z kolei odpowiada konkretnej wartości przepływu jaką regulator będzie utrzymywał.

Rys. 7. Nastawianie przepływu w plastikowej wkładce regulacyjnej
Umieszczenie klucza w gnieździe wkładki regulacyjnej i wykonanie obrotu pozwalającego na uzyskanie pożądanej nastawy wiąże się z przesunięciem otworów w dolnej części wkładki regulacyjnej (Rys. 8). Otwory odpowiadające nie wybranym nastawom są schowane za elementami korpusu wkładki, podczas gdy otwory przyporządkowane pożądanej nastawie pojawiają się między elementami korpusu. Przez widoczne otwory, po zamontowaniu wkładki w korpusie regulatora, przepływa medium, którego strumień jest regulowany automatycznie, dzięki pracy membrany w górnej części Frese cartridge.

Rys. 8. Nastawianie przepływu w plastikowej wkładce regulacyjnej
Po wykonaniu nastawy, wkładkę wkręca się w korpus regulatora typu: Frese ALPHA, AB, ABV, EVA, KLIMA lub LUNA. Tak skompletowane urządzenie staje się automatycznym regulatorem przepływu (Rys. 9).

Rys. 9. Regulator Frese ABV z plastikową wkładką regulacyjną, złączkami pomiaru ciśnienia i kulowym zaworem odcinającym

Porównanie instalacji wyposażonych w regulatory statyczne i dynamiczne
Dla zobrazowania różnic w działaniu regulatorów statycznych i dynamicznych na rysunkach 10 i 11 przedstawione zostały dwie instalacje składające się z identycznych przewodów i odbiorników, natomiast wyposażone w inną armaturę regulacyjną. W pierwszym przypadku zastosowane zostały statyczne regulatory przepływu, natomiast w drugim dynamiczne. Obie instalacje składają się z trzech sekcji, w skład których wchodzą trzy podsekcje zawierające trzy odbiorniki (klimakonwektory, belki indukcyjne, panele chłodzące lub grzewcze itp.) - łącznie 27 odbiorników.

Rys. 10 Instalacja wyposażona w zawory regulacyjne statyczne
W instalacji równoważonej statycznie regulator przepływu musi być zainstalowany przed każdym odbiornikiem. Ponadto każda podsekcja składająca się z trzech odbiorników powinna być równoważona kolejnym regulatorem, a każda sekcja złożona z trzech podsekcji następnym zaworem regulacyjnym. W celu zapewnienia przepływu obliczeniowego dla całej instalacji, należy jeszcze zainstalować regulator przepływu na przewodach sieci. Ogromną wadą tego rozwiązania jest duża liczba armatury regulacyjnej i wzajemna zależność nastaw - zmiana nastawy na jednym regulatorze powoduje inny rozkład ciśnienia w instalacji, a przez to zakłóca przepływ przez inne regulatory, a tym samym odbiorniki i przewody.
W układzie o regulacji dynamicznej przepływ przez poszczególne odbiorniki regulowany jest niezależnie - zmiana nastawy na jednym regulatorze nie spowoduje rozregulowania pozostałej części instalacji. Ponadto regulatory przepływu montowane są wyłącznie przed odbiornikami. Jest to możliwe ponieważ po uzyskaniu 100% zakładanego strumienia medium w odbiornikach uprzywilejowanych – położonych najbliżej pompy, membrany we wkładkach regulacyjnych będą utrzymywały przepływ na stałym poziomie, zwiększając opory hydrauliczne - dławiąc nadmiar ciśnienia. W konsekwencji spowoduje to wzrost oporów w uprzywilejowanej sekcji instalacji i "wypchnięcie" medium do pozostałych obiegów. Dzięki takiemu rozwiązaniu mniejsza jest liczba regulatorów w układzie, a tym samym koszt wykonania instalacji.

Rys. 11 Instalacja wyposażona w regulatory automatyczne
Dynamiczne regulatory potrzebują pewnej minimalnej wartości ciśnienia różnicowego by mogły automatycznie regulować przepływ. Dlatego jedyny pomiar jaki można przeprowadzić po wykonaniu instalacji ogranicza się do sprawdzenie ciśnienia różnicowego na regulatorze znajdującym się w hydraulicznie najniekorzystniejszym fragmencie układu. Jeśli ciśnienie określone w danych katalogowych dla wymienionego regulatora nie jest zapewnione w instalacji, to należy zwiększyć wysokość podnoszenia pompy, poprzez odpowiednią regulację obrotów. Od chwili gdy manometr wskaże wystarczającą wartość ciśnienia różnicowego, pompa zapewnia właściwie parametry pracy i regulacja obrotów może być zakończona. Od tego momentu wszystkie regulatory, łącznie ze znajdującym się w hydraulicznie najniekorzystniejszym obiegu, automatycznie regulują przepływ (Rys. 12).

Rys. 12 Regulatory Frese AB i ABV z podłączonym manometrem różnicowym

Szybki rozruch instalacji po obniżeniu nocnym
Rozruch instalacji zmiennoprzepływowej wyposażonej w zawory dwudrogowe, sterowane siłownikami elektrotermicznymi i regulatory statyczne - z nastawami ręcznymi - może przebiegać w taki sposób, iż medium zostanie w pierwszej kolejności dostarczone do odbiorników uprzywilejowanych, czyli takich, które znajdują się w sekcjach instalacji o najmniejszym oporze hydraulicznym. Dzieje się tak, gdyż zawory dwudrogowe realizując polecenie termostatów w poszczególnych pomieszczeniach otwierają się całkowicie, by jak najszybciej dostarczyć wymagany strumień medium pozwalający zapewnić właściwy komfort cieplny. W chwili gdy regulatory dwudrogowe znajdujące się przy odbiornikach uprzywilejowanych zostaną całkowicie otwarte, przepływ do tych odbiorników może przyjmować wartości dużo większe od obliczeniowych - nawet o 400%. W tym samym momencie odbiorniki znajdujące się w obiegach krytycznych będą pracowały przy znacznie mniejszym od wymaganego przepływie. Dopiero uzyskanie pożądanego komfortu cieplnego w pomieszczeniach, w których znajdują się odbiorniki uprzywilejowane spowoduje tam przymknięcie zaworów dwudrogowych, a tym samym wzrost oporów hydraulicznych i zwiększenie strumienia medium do odbiorników w obiegach krytycznych. Wiąże się to oczywiście z nieustalonym trybem pracy instalacji w okresie rozruchu, a przez to brakiem możliwości spełnienia założeń projektowych, decydujących o właściwej pracy układu.
Regulatory Frese nigdy nie pozwolą na zaistnienie powyższego scenariusza. Podczas rozruchu układu, medium podobnie jak w przypadku instalacji z regulatorami statycznymi, dostarczane jest w pierwszej kolejności do odbiorników uprzywilejowanych. Podstawowa różnica w działaniu obu rodzajów regulatorów jest jednak taka, iż wkładki regulacyjne zamontowane w armaturze Frese, nastawione na przepływy obliczeniowe, bez względu na wahania ciśnienia nie pozwolą na przekroczenie tych przepływow. Oznacza to, że po uzyskaniu 100% zakładanego strumienia medium w odbiornikach uprzywilejowanych, wkładki regulacyjne będą utrzymywały przepływ na stałym poziomie, zwiększając opory hydrauliczne - dławiąc nadmiar ciśnienia. W konsekwencji spowoduje to wzrost oporów w uprzywilejowanej sekcji instalacji i skierowanie medium do obiegów krytycznych. Bardzo istotne jest to, że efekt zadziałania wkładek regulacyjnych jest natychmiastowy. Stan – poziom otwarcia - zaworów dwudrogowych nie ma najmniejszego wpływu na dystrybucję medium w instalacji, a tym samym rozruch przebiega równomiernie w obrębie całego układu.

Zalety instalacji wyposażonych w automatyczne wkładki regulacyjne
Nowoczesny system regulacji instalacji klimatyzacyjnych i chłodniczych w porównaniu z układami tradycyjnymi opartymi o regulatory statyczne:
• pozwala na znaczne zmniejszenie liczby potrzebnej armatury regulacyjnej, zwłaszcza o dużych średnicach
• umożliwia dobór armatury regulacyjnej i wkładek Frese jeszcze przed obliczeniem instalacji – wyłącznie na podstawie znajomości mocy chłodniczej lub grzewczej odbiorników
• sprawia, że zbędne jest dokonywanie jakichkolwiek pomiarów przepływu po wykonaniu instalacji
• bez względu na zmiany ciśnienia w instalacji zawsze zapewnia wymaganą ilość medium we wszystkich odbiornikach
• sprawia, że nastawa przepływu na armaturze regulacyjnej w jednej części instalacji nie wpływa na nastawy przepływu na armaturze regulacyjnej w innej części układu
• ułatwia i znacznie skraca czas wykonania projektu instalacji, nawet bez pomocy specjalistycznego oprogramowania komputerowego
• nie wymaga przeprojektowania nastaw armatury w całej instalacji jeśli w trakcie wykonywania projektu zmienione zostaną zapotrzebowania mocy cieplnej lub chłodniczej w poszczególnych pomieszczeniach
• pozwala na wyeliminowanie trójdrogowych zaworów mieszających przed odbiornikami i zastąpienie ich zaworami dwudrogowymi sterowanymi siłownikami elektrotermicznymi, a tym samym zmniejszenie kosztów inwestycji
• Jest całkowicie zabezpieczony przed manipulacją ze strony niepowołanych osób

Przykład obliczeniowy
Sposób wymiarowania i wykonania instalacji z wykorzystaniem plastikowych wkładek regulacyjnych można prześledzić na przykładzie.
Regulatory Frese ABV i AB należy zamontować w instalacji klimatyzacyjnej biurowca, składającej się z 18 odbiorników (klimakonwektorów, belek chłodzących itp.) (Rys. 13). Jedna sekcja instalacji obejmuje północną część budynku, natomiast druga południową. Z obliczeń wynika, że wszystkie biura w ramach jednej sekcji wymagają jednakowej mocy chłodniczej – 155 l/h w sekcji północnej i 205 l/h w sekcji południowej. Wymagane ciśnienie dyspozycyjne obliczone dla instalacji bez armatury regulacyjnej jest równe 90.0 kPa (Ostateczne ciśnienie dyspozycyjne określa się po dobraniu regulatorów.)

Rys. 13 Przykład instalacji klimatyzacyjnej
Odbiorniki oznaczone cyfrą 3 znajdują się w hydraulicznie najniekorzystniejszych sekcjach. Właśnie w tych miejscach zaleca się zamontować regulatory Frese ABV pozwalające na dokonanie pomiarów różnicy ciśnień. Przy pozostałych odbiornikach należy zamontować regulatory Frese AB pozbawione złączek pomiarowych – przypominające budową filtr siatkowy.

Rys. 14. Frese ABV

Rys. 15. Frese AB
TABELA 1: Plastikowe wkładki regulacyjne typu Z dla regulatorów DN15/20/25.
Wymagane ciśnienie różnicowe 15 - 150 kPa; przepływ: 30-865 l/h (doc)

W instalacji należy zastosować następujące urządzenia regulacyjne:

Niebieskie wkładki regulacyjne należy nastawić na pozycję 3, co zapewni przepływ 155 l/h, a następnie zamontować w regulatorach znajdujących się w północnej części budynku. Czerwone wkładki regulacyjne należy nastawić na pozycję 4, co zapewni przepływ 205 l/h, a następnie zamontować w regulatorach znajdujących się w południowej części budynku. Ponieważ strata ciśnienia w instalacji bez armatury regulacyjnej była równa 90.0 kPa, a minimalne wymagane ciśnienie różnicowe na niebieskiej wkładce regulacyjnej jest równe 19.0 kPa, stąd wysokość podnoszenia pompy powinna być równa 90.0 + 19.0 = 109.0 kPa (Tablica 1).
Uruchomienie instalacji polega na podłączeniu manometru różnicowego do regulatora Frese ABV w północnej sekcji budynku, gdzie przy odbiorniku nr 3 ciśnienie różnicowe na wkładce regulacyjnej powinno zgodnie z tablicą 1 być równe 19.0 kPa oraz południowej części budynku gdzie P musi być równe co najmniej 17.0 kPa i zweryfikowaniu tych ciśnień. Jeśli pomiary wykażą, że ciśnienia są niewystarczające dla zapewnienia dynamicznej regulacji przepływu przez armaturę Frese, należy zwiększyć obroty pompy, która powinna pracować według charakterystyki stałego ciśnienia. Od momentu uzyskania wymaganego ciśnienia różnicowego na regulatorach zamontowanych w obiegach krytycznych cała instalacja zaczyna pracować prawidłowo – następuje samoregulacja układu.

Podsumowanie
Plastikowe wkładki regulacyjne firmy Frese A/S znalazły już zastosowanie w wielu instalacjach klimatyzacyjnych i chłodniczych na całym świecie. Wszędzie doskonale spełniają swoje zadanie zapewniając ekonomiczną eksploatację instalacji i właściwy komfort cieplny we wszystkich pomieszczeniach. Oferta przygotowana na rynek polski ma na celu przybliżyć te znakomite rozwiązania osobom zainteresowanym stosowaniem najnowszych technologii oraz pozwolić na uzyskanie jeszcze lepszej jakości pracy układów klimatyzacyjnych i chłodniczych budowanych w naszym kraju.

Przemysław Kłosiak
DANPO
Przedstawicielstwo w Polsce
www.danpo.pl