Tak jak zapowiedziałem w poprzednim artykule („Niezależne od ciśnienia” – „Magazyn Instalatora” 3/2016 s. 42-43), dziś przedstawię Państwu rozwiązanie przeznaczone do nowoczesnych instalacji zmiennoprzepływowych.

Zawór PIBCV

Na rysunku 1 przedstawiono budowę zaworu PIBCV, który zapewnia równoważenie i regulację na najwyższym poziomie. Zawór równoważąco-regulacyjny posiada wbudowany regulator ciśnienia, który utrzymuje charakterystykę zaworu regulacyjnego na stałym poziomie, zapewniając w ten sposób niezmienny autorytet zaworu na poziomie 1.

Foong212-1

W połączeniu z odpowiednim napędem zawór posiada możliwość zmiany krzywej charakterystyki (nastawa wartości alfa), aby dopasować się do istniejącej nieliniowej charakterystyki wymiennika, a w rezultacie otrzymać liniową charakterystykę regulacji. Liniowość oznacza stabilność i dokładność.

Połączenie z innymi elementami

Każdy odrębny obiekt w systemie posiada własną charakterystykę. Prawidłowy dobór odpowiednich elementów układu regulacji, z odpowiednimi nastawami powoduje prawidłową odpowiedź regulatora. Nie tylko prawidłowa odpowiedź regulatora jest atutem, ale też oszczędność energii. Zrozumienie podstaw algorytmu sterowania pomaga zoptymalizować system wody lodowej. Przykładowo zadana temperatura na wyjściu z agregatu powoduje zmniejszenie temperatury w celu zmniejszenia przepływu.
Analiza obciążenia agregatów może być stosowana, by określić wartości zadane na wyjściu. W instalacji, w której są np. 4 identyczne agregaty połączone równolegle, trzy agregaty pracujące średnio są obciążone na poziomie 60% każdy. Wartość temperatury zadanej na agregacie może być obniżona, aby zwiększyć obciążenie agregatów, co umożliwi zmniejszenie średniej prędkości przepływu.
Na rysunku 2 przedstawiono elastyczną zmianę krzywej regulacji napędu, która może być dopasowana do charakterystyki wymiennika. Większość napędów dostępnych na rynku posiada liniową charakterystykę regulacji oraz logarytmiczną charakterystykę zaworu. Przy różnych temperaturach wody przepływającej przez wymiennik ciepła charakterystyki te mogą być niedopasowane. Zostanie to dokładniej omówione w dalszej części.

Foong212-2

Autorytet zaworu regulacyjnego

Autorytet zaworu regulacyjnego można obliczyć na podstawie zależności:
a = ΔPz100/ΔPz0,
gdzie:
ΔPz100 – różnica ciśnienia na zaworze całkowicie otwartym,
ΔPz0 – różnica ciśnienia na zaworze całkowicie zamkniętym.
Większość producentów wytwarza dwa rodzaje zaworów regulacyjnych z różnymi typami charakterystyk, przedstawionych na rys. 3.

Foong212-3

Charakterystyka w kolorze zielonym oznacza najbardziej pożądaną charakterystykę, która nie ma zmian ΔP, dlatego też nie ma zakłóceń. Stabilna i dokładna regulacja będzie wymagać autorytetu zaworu zbliżonego do 1. Aby bardziej zrozumieć te zależności, posłużmy się pewnym porównaniem. Kiedy autorytet zaworu jest niski, jest to sytuacja podobna do napełniania szklanki wodą za pomocą węża strażackiego. Jeśli zostanie otwarty pod dużym ciśnieniem, szklanka się przepełni. Analogicznie jeżeli autorytet zaworu jest wysoki, możemy porównać to do napełniania szklanki wodą z kranu. Pełny zakres regulacji umożliwia precyzyjne napełnienie szklanki dokładnie taką ilością, jaka jest wymagana.

Autorytet w praktyce

Powszechnie stosowane jest dobieranie autorytetu zaworu z tolerancją do minimalnej wartości 0,5. Poniżej mamy typowy przykład:
a = ΔPCV/ΔPobiegu,
a = ΔPCV/(ΔPCV + ΔPCoil) = 30 kPa/ 60 kPa = 0,5,
a = ΔPCV/(ΔPCV + ΔPcoil + ΔPMBV + ΔPSystem) = 30/(30 + 30 + 5 + 215) = 30 kPa/280 kPa = 0,11.
Powyższe równanie nie jest kompletne, ponieważ spadki ciśnienia na połączeniach nie zostały uwzględnione w obliczeniach. W rzeczywistości, w zależności od aplikacji, agregat z pełnym obciążeniem pracuje jedynie w 2%, zaś w 98% czasu pracy na częściowym obciążeniu. Do dalszych rozważań weźmy pod uwagę najgorszy scenariusz w oparciu o odbiornik 4 przedstawiony na schematach na rysunku 4a i 4b. Wyliczony autorytet zaworu a = 0,11 jest nie do zaakceptowania, ponieważ temperatura będzie niestabilna. Zadana temperatura nie zostanie osiągnięta.

Foong212-4

Niezależny od zmian ciśnienia

Zastosujmy teraz w takim samym układzie zawór PIBCV (rys. 5).

Foong212-5

Wbudowany regulator ciśnienia, DPC, reaguje na zmiany parametrów w instalacji. Niezależnie od zmiennych warunków instalacji utrzymuje stały, dobry autorytet zaworu. Stąd autorytet zaworu może być wyrażony w sposób następujący:
a = ΔPCV/(ΔPCV + ΔPcoil + ΔPMBV + ΔPSystem),
a = 30 kPa/ 30 kPa = 1.
Przy autorytecie zaworu a = 1 przepływ będzie taki, jak wymagany dla danych warunków, przez co temperatura będzie bardzo stabilna.

Bliższe spojrzenie

Podstawowym zadaniem regulatora DP jest utrzymanie stałego Δp na zaworze regulacyjnym. Gdy ciśnienie wzrasta w P1, dolna część komory regulatora DP wypełnia się cieczą poprzez kanał impulsowy. Podczas napełniania zespół wykonawczy regulatora DP kompensuje ciśnienie P1, powodując w ten sposób wzrost ciśnienia P2. Wspominałem o tym w poprzedniej części cyklu.
Regulator DP nie tylko kompensuje zakłócenia hydrauliczne z innych części instalacji, ale nawet jeśli zawór regulacyjny sam się zamyka, regulator DP zneutralizuje wpływ dodatkowego ciśnienia wywieranego na zawór regulacyjny. Tak długo, jak wzrasta P1, regulator DP natychmiast reaguje w celu utrzymania równowagi ciśnienia. Zauważmy, że do komory regulatora DP podłączone są 2 kanały impulsowe, które przekazują zarówno wysokie, jak i niskie ciśnienie. Na PIBCV oddziałuje również ciśnienie atmosferyczne, dlatego też konieczne jest podłączenie kanału impulsowego po stronie niskiego ciśnienia w celu osiągnięcia równowagi z ciśnieniem atmosferycznym. Nie ma znaczenia, czy regulator DP jest przed lub za zaworem regulacyjnym, pod warunkiem że kanały impulsowe są prawidłowo umieszczone w zaworze.

Wykonanie kompaktowe

Nie ma nic lepszego niż połączenie tych dwóch elementów – regulacji i równoważenia. Jednak trzeba zrozumieć, że autorytet zaworu nie zależy tylko od ciśnienia, ale również od zdolności napędu do wykonania właściwego ruchu. Parametry wpływające na charakterystykę, takie jak:
* pełny skok a ograniczony skok,
* ustawienie wartości alfa
będą przedmiotem dalszych naszych rozważań.

Niedoskonałość pełnego skoku

Rozważmy układ przedstawiony na rysunku 6.

Foong212-6

Przedstawia on sposób regulacji zaworu przy pełnym skoku. Jak widzimy, skok 2 został zmniejszony z 20 mm do 10 mm. Skok 1 (zaworu regulacyjnego) pozostaje w pełnym zakresie 20 mm skoku. Regulacja przy skoku 1 jest wydajna tylko poniżej 50%. Jeśli nastawa przepływu realizowana jest na oddzielnym elemencie, a nie na samym zaworze regulacyjnym, to fakt ten będzie miał wpływ na właściwości regulacyjne zaworu. Spowoduje to zmniejszenie zakresu regulacji oraz autorytetu prawie o połowę, mimo że jest niezależność od zmian ciśnienia. Skok 1 i 2 są w bezpośredniej korelacji.
Wykresy przedstawione na rysunku 7 obrazują znaczenie ograniczenia skoku wobec pełnego skoku.

Foong212-7

Jeśli nastawa przepływu odbywa się w ramach samego zaworu regulacyjnego, to wówczas autorytet zaworu może zostać osiągnięty. Napęd utrzymuje pełny sygnał sterujący 0-10 VDC w zakresie regulacji przepływu 0-100% po wykonaniu autokalibracji.

Dopasowanie charakterystyki wymiennika

Wiemy już, że charakterystyki wymienników ciepła różnią się w zależności od rodzaju aplikacji. Następnym krokiem jest określenie charakterystyki wymiennika ciepła i wybranie właściwej wartości α lub charakterystyki regulacyjnej (w zależności od napędu). Wartość ta może być wybrana np. w napędzie (za pomocą specjalnego nastawnika lub przełącznika) bądź w sterowniku systemu HVAC czy też w systemie BMS.
α= 0,6 * Δt na wymienniku/(tzasilania – twartość).
Dla przykładu obliczenia wartości Δ, posłużmy się powszechnie używanymi wymiennikami energii woda-powietrze – chłodnicą powietrza:
α = 0,6 * 6oC/(6oC – 24oC) = -0,2.
W ten sposób otrzymaliśmy wybraną wartość alfa w celu dopasowania do charakterystyki chłodnicy.

Optymalizacja

W przypadku ręcznych zaworów równoważących, gdzie nie ma kompensacji ciśnienia, kiedy punkt pracy pompy jest zmienny, największym zagrożeniem, jakie może wystąpić w tej sytuacji, jest niedobór ciśnienia. W przypadku zaworów PIBCV możemy być pewni, że regulator DP sam zrównoważy ciśnienie niezależnie od zmiany punktu pracy pompy. Ta instalacja pozwala na różne prędkości przepływu w układzie proporcjonalnym do ciśnienia pompowania.
Czujnik ΔP zainstalowany w pobliżu źródła pompowania nie pozwala na uruchomienie pompy w najbardziej optymalnej prędkości.
W przypadku, kiedy czujnik ΔP umieścimy na najbardziej krytycznym odbiorniku, pozwolimy na zmianę ciśnienia pompowania proporcjonalnie do charakterystyki instalacji, tak jak zmniejsza się natężenie przepływu. W środowiskach technicznych nazywa się to proporcjonalną regulacją pompy. Uzyskujemy w ten sposób oszczędności kosztów pompowania.

Eliminacja syndromu niskiego ΔT

Większość systemów dystrybucji wody lodowej ma trudność z osiągnięciem temperatury obliczeniowej w pomieszczeniach przy częściowym obciążeniu systemu – problem ten jest znany jako „syndrom niskiego ΔT”. Ogólnie można stwierdzić, że „syndrom niskiego ΔT” odnosi się do różnicy temperatury pomiędzy temperaturą medium dostarczanego przez agregat wody lodowej (temperatura na zasilaniu) a temperaturą medium wracającego z instalacji (temperatura na powrocie). To zjawisko może występować również w systemach grzewczych.
Syndrom niskiego ΔT jest przyczyną pogorszenia się charakterystyki regulacyjnej układu (szczególnie przy częściowym obciążeniu odbiorników), co w efekcie skutkuje dużym nadprzepływem na zaworach regulacyjnych. Zjawisko to występuje w szczególności w systemach źle zrównoważonych.
Zjawisko nadprzepływu w odbiorniku ma nieznaczny wpływ na wydajność odbiornika. Jednak wystąpienie tego zjawiska ma ogromny wpływ na pojawienie się innego, bardziej szkodliwego zjawiska, które bardzo poważnie zaburza funkcjonalność całego systemu. Wyższe przepływy na odbiornikach mają ogromny wpływ na dystrybucję ciepła/chłodu, co powoduje, że temperatura powrotu nigdy nie osiągnie wartości temperatury projektowej, czyli np. zamiast temperatury projektowej równej 12°C – rzeczywista temperatura powrotu jest znacznie niższa i wynosi 9,3°C. Przy zastosowaniu zaworów PIBCV natężenie przepływu jest zmniejszone bez pogorszenia wydajności chłodzenia, a komfort jest lepszy.

Podsumowanie

Przedstawione fakty bezapelacyjnie wskazują na zalety stosowania zaworów PIBCV. Do najważniejszych możemy zaliczyć:
* wzrost komfortu,
* oszczędność energii,
* eliminację dużej ilości zaworów w instalacji,
* oszczędność czasu montażu i uruchomienia,
* uproszczoną instalację,
* wydłużoną żywotność napędu,
* wydłużoną żywotność pomp, agregatów, zbiorników, pomp ciepła,
* prostsze projektowanie.
Derek Foong

Ilustracje z archiwum Danfoss.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij