Żarski-Kazimierz-UT..

Kazimierz ŻARSKI, dr inż.
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy
Zakład Ogrzewnictwa i Wentylacji
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Regulacja ciśnienia w sieci
cieplnej współpracującej z
zautomatyzowanymi węzłami
ciepłowniczymi
Większość systemów ciepłowniczych w Polsce była tworzona w późnych latach
50. lub w latach 60. XX. stulecia. Scentralizowane systemy o niewielkim
zasięgu występowały przed II. wojną światową w rejonach przemysłowych lub
w nielicznych osiedlach miejskich (np. Gorzów Wlkp.). Pierwszymi źródłami
ciepła w końcu lat 40. i na początku lat 50. były lokalne kotłownie węglowe,
najczęściej o mocy kilkuset kilowatów lub kilku megawatów. Na początku były
to wyłącznie źródła ciepła do celów centralnego ogrzewania. W większości
miast w Polsce ciepła woda była w budynkach mieszkalnych przygotowywana
w gazowych, przepływowych podgrzewaczach wody. Takie układy funkcjonują
jeszcze w niektórych dzielnicach miast Polski do dzisiaj (Poznań, Wrocław,
Warszawa, Gdańsk i in.). Dominującym typem węzła cieplnego, narzuconym
przez Inspektoraty Gospodarki Paliwowo-Energetycznej, w latach 50. i 60. były
węzły hydroelewatorowe. Te węzły były pozbawione elementów automatycznej
regulacji. W budynkach wyposażonych w instalacje centralnego ogrzewania nie
było żadnych elementów regulacyjnych. Zawory termostatyczne RCO,
produkowane w Nowej Dębie pojawiły się w latach 70., ale ich zastosowanie
było ograniczone do nielicznych budynków (szpitale, żłobki, budynki o
znaczeniu państwowym). W rzadkich przypadkach można było sięgnąć po
urządzenia produkowane w krajach tzw. Zachodu. Do czasu budowy
pierwszych węzłów wymiennikowych w początku lat 70. (były to przeważnie
węzły grupowe, nieliczne indywidualne, na początku z wymiennikami TPJ ,
WCO i WCW), systemy ciepłownicze były w zupełności pozbawione elementów
regulacji ilościowej zarówno w sieci ciepłowniczej, jak i w instalacji
wewnętrznej.
160.0
140.0
120.0
100.0
Tz [oC]
80.0
tz [oC]
tp [oC]
60.0
40.0
20.0
0.0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Rys. 1. Wykres regulacyjny przy parametrach sieci: 150/70 oC i instalacji 95/70 oC
przy połączeniu za pośrednictwem węzła hydroelewatorowego (I. strefa klimatyczna, teo=-16 oC)
15
160.0
140.0
120.0
100.0
Tz [oC]
80.0
tz [oC]
tp [oC]
60.0
40.0
20.0
0.0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
Rys. 2. Wykres regulacyjny przy parametrach sieci: 150/70 oC i instalacji 95/70 oC przy połączeniu
za pośrednictwem węzła hydroelewatorowego z funkcją przygotowania ciepłej wody (I. strefa klimatyczna, teo=-16 oC)
160.0
140.0
120.0
100.0
Tz [oC]
80.0
Tp [oC]
tz [oC]
tp [oC]
60.0
40.0
20.0
0.0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Rys. 3. Wykres regulacyjny przy parametrach sieci: 150/70 oC i instalacji 95/70 oC przy połączeniu
za pośrednictwem węzła wymiennikowego z funkcją przygotowania ciepłej wody i regulacją ilościową
poza punktem załamania wykresu regulacyjnego (I. strefa klimatyczna, teo=-16 oC)
15
Lata 90. XX. wieku stały się przełomowe w polskim ciepłownictwie
Po pierwsze, pojawiła się możliwość zastosowania w ciepłownictwie
urządzeń regulacyjnych o światowym standardzie, o znacznie lepszych
właściwościach regulacyjnych:statycznych i dynamicznych. Polepszyło
to jakość regulacji, tym samym wzmocniło element ilościowy w
regulacji systemów ciepłowniczych.
Po drugie, instalacje wewnętrzne w nowych i istniejących budynkach
były sukcesywnie wyposażane w termostatyczne zawory grzejnikowe,
co wprowadziło element ilościowy w regulacji instalacji wewnętrznej i
wpłynęło na zmiany strumienia sieciowego i obniżenie temperatury
wody powrotnej w sekcji c.o. w znacznie większym stopniu niż bez
zaworów termostatycznych.
Po trzecie, wprowadzono obowiązek pomiaru zużycia ciepła lub
podziału kosztów ogrzewania w poszczególnych mieszkaniach, co
skłoniło użytkowników instalacji do działań w kierunku oszczędności.
Po czwarte, niemal powszechnie obniżono w polskich systemach
ciepłowniczych wartości temperatury obliczeniowej zasilania,
początkowo do 130 oC, ze względu na wymagania technologiczne
preizolowanych sieci ciepłowniczych, później w większym stopniu, do
125, 120, nawet 105 oC. Temperatura wody powrotnej również się
obniżyła.
Po piąte, obniżono projektowe parametry instalacji wewnętrznych,
początkowo do 80/60 oC, później do 70/55 oC i 65/50 oC, co spowodowało
obniżenie temperatury wody powracającej z instalacji w stosunku do
poprzednich standardów.
Po szóste, w styczniu 2009 roku projektanci instalacji wewnętrznych
ogrzewania zostali zobowiązani do oparcia się na normie PN EN 12831,
służącej do obliczenia zapotrzebowania na moc cieplną pomieszczeń i
budynków (projektowego obciążenia cieplnego). Norma ta nie uwzględnia
chwilowych zysków ciepła, a ponadto wyznacza nadwyżkę mocy ze względu
na osłabienie ogrzewania. Zapotrzebowanie na moc cieplną, obliczone
zgodnie z tą normą, prowadzi do wyników o 15-25% wyższych niż według
poprzedniej normy (PN-B-03406). Odpowiedzią instalacji jest obniżenie
temperatury wody powrotnej, odpowiedzią sieci – zmniejszenie strumienia
masy nośnika ciepła i obniżenie temperatury wody wracającej do sieci
ciepłowniczej.
Po siódme, w pierwszych latach po wprowadzeniu obowiązku stosowania
termostatycznych zaworów przy grzejnikach wytyczne projektowania
instalacji wewnętrznych podawały zasadę zwiększenia o 25% powierzchni
dobranych grzejników, aby móc skompensować oszczędnościowe działania
sąsiadów.
Po ósme, poddano termomodernizacji dużą liczbę istniejących budynków,
co doprowadziło do spadku mocy zamówionej i znacznego
(nieproporcjonalnie do zmiany mocy cieplnej) obniżenia strumienia masy
nośnika ciepła.
140.0
120.0
100.0
Tz [oC]
80.0
Tp [oC]
tz [oC]
60.0
tp [oC]
40.0
20.0
0.0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Rys. 4. Wykres regulacyjny przy parametrach sieci: 120/60 oC i instalacji 70/50 oC
bez uwzględnienia wpływu działania zaworów termostatycznych
15
W dalszym ciągu obszar na prawo od punktu załamania wykresu
regulacyjnego, nawet po poszerzeniu zakresu sezonu grzewczego
do temperatury zewnętrznej 12 oC, nie stanowił istotnego czasowo
przedziału. Instalacje wewnętrzne dalej nie były wyposażone w
termostatyczne zawory grzejnikowe. Patrząc na wykres
temperatury na rys. 3. można zauważyć, że od czasu
wprowadzenia układów regulacji temperatury w sekcjach
ogrzewania (lata 80. XX wieku), jeszcze bez elementów regulacji
miejscowej w instalacjach wewnętrznych ogrzewania, założenie o
najmniej korzystnych warunkach do projektowania
dwustopniowego systemu przygotowania ciepłej wody w
punkcie załamania wykresu regulacyjnego przestały być
słuszne. Newralgicznym punktem jest początek i koniec sezonu
grzewczego, gdy temperatura wody powracającej z sekcji
ogrzewania jest najniższa. Nikt tego faktu nie zauważył, a
wydawane w przeszłości i obecnie wytyczne projektowania
dwustopniowych węzłów cieplnych w niektórych systemach
ciepłowniczych dalej bazują na tym założeniu.
Φ [kW]
350
300
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
V1 [dm3/s]
Rys. 5. Charakterystyka wymiennika płytowego XB10-140 w układzie Φ=f(m1)
t12=120 oC, t21=60 oC, V2=1.053 dm3/s, wymiennik dobrany przy V1=0.553 dm3/
5
6
12.00
10.00
pst
p [bar]
8.00
pp
pp'
6.00
pz
4.00
pz'
2.00
0.00
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
l [m]
Rys. 6. Linia ciśnienia w warunkach obliczeniowego przepływu i przy zmniejszeniu strumienia
masy do ok. 50% wartości obliczeniowej, pst – ciśnienie stabilizujące, pz – ciśnienie zasilania, pp – ciśnienie powrotu
Rys. 7. Uproszczony schemat ideowy kotłowni z rozdzielonymi obiegami. PS – pompy sieciowe,
PZ – pompy zimnego mieszania, PM – pompy gorącego mieszania, PK – pompy obiegów kotłów
12.00
10.00
pst
p [bar]
8.00
pp
6.00
pp'
pz
4.00
pz'
2.00
0.00
0
1000
2000
3000
4000
5000
l [m]
Rys. 8. Linia ciśnienia w warunkach obliczeniowego przepływu i przy zmniejszeniu strumienia masy do
ok. 50% wartości obliczeniowej przy regulacji wysokości podnoszenia pomp sieciowych,
pst – ciśnienie stabilizujące, pz – ciśnienie zasilania, pp – ciśnienie powrotu
6000
Zjawisko kawitacji rzadko występuje w
zaworach regulacji temperatury w obwodzie
ogrzewania i przygotowania ciepłej wody.
Może wystąpić jednak, zwłaszcza w
systemach ciepłowniczych o znacznym
zasięgu, w zaworach regulacji różnicy
ciśnienia i przepływu (ograniczenia strumienia
objętości). Kawitacja może być „skutkiem
ubocznym” wzrostu dławionej różnicy
ciśnienia przy zmieniającym się istotnie
ciśnieniu dyspozycyjnym w punkcie zasilania
węzła cieplnego.
Zawór regulacji różnicy ciśnienia i przepływu
dobiera się stosownie do zakresu
regulowanego przepływu z założeniem
straty ciśnienia (zmiennej) i straty ciśnienia w
stałym elemencie dławiącym. Łączna strata
ciśnienia [bar] wynosi
2
ρ  V 
∆pz∆p =

 + ∆pdł
1000  Kv100 
p1 − p2
p min = p1 −
z
Istotne zmiany w polskich systemach ciepłowniczych wprowadziły
elementy ilościowe w regulacji kiedyś wyłącznie jakościowej.
Dostosowanie współczesnych sieci ciepłowniczych do współpracy z
źródłem ciepła może wymagać niezbędnych czynności
eksploatacyjnych. Pozostawienie dawnego modelu działania systemu
wprowadza trudne do wyeliminowania zakłócenia i obniża
atrakcyjność ekonomiczną eksploatacji systemów
ciepłowniczych.
Dziękuję za uwagę
[email protected]