Dzisiejszy artykuł poświęcony będzie omówieniu termostatycznego układu regulacji temperatury z zaworem termostatycznym trójdrogowym na powrocie.

System regulacji temperatury czynnika grzewczego, zasilającego grzejniki płaszczyznowe, oparty na zaworze termostatycznym przelotowym oraz głowicy termostatycznej z kapilarą, jest tani, prosty i niezawodny. Ma on jednak pewne ograniczenie redukujące jego zastosowanie przy niskotemperaturowych źródłach ciepła oraz źródłach ciepła o szerokim zakresie temperatury czynnika grzewczego. Jak wcześniej podano, temperatura czynnika grzewczego po zmieszaniu tM zawsze jest niższa od temperatury czynnika grzewczego źródła ciepła tZ, zgodnie z zależnością:

tM < tZ.

Ponadto:

tG = tM.

Zgodnie z zależnościami powyżej można zapisać, że

tG < tZ.

Dla źródeł ciepła wysokotemperaturowych jest to zależność, która występuje w każdym czasie. W przypadku źródeł ciepła niskotemperaturowych, dla których temperatura czynnika grzewczego tZ czasowo ulega zmianie, mogą występować takie okresy, iż konieczność spełnienia zależności powyższej (tG < tZ) spowoduje „sztuczne” zawyżanie tZ.

Taka sytuacja może dotyczyć instalacji centralnego ogrzewania z kotłem kondensacyjnym zasilającym dodatkowo grzejniki płytowe, konwektorowe lub nagrzewnice fancoili. Dla kotła kondensacyjnego, którego temperatura czynnika grzewczego tZ podlega regulacji pogodowej, temperatura czynnika grzewczego zmienia się w zależności od temperatury powietrza na zewnątrz. Dla warunków zewnętrznych, zgodnych z obliczeniowymi temperaturami zewnętrznymi wg PN, temperatura czynnika grzewczego będzie zazwyczaj powyżej temperatury tG.

W przypadku, gdy temperatura powietrza zewnętrznego będzie znacząco wyższa od zewnętrznych projektowych warunków obliczeniowych, np. na początku lub na końcu sezonu grzewczego, temperatura zasilania źródła ciepła tZ może zrównać się z tG lub być niższa, zgodnie z zależnością:

tZ ≤ tG

Wynika to z prostego faktu, iż w tym przypadku tG jest wartością stałą, natomiast tZ jest wartością zmienną.

Drugi podobny przypadek dotyczy instalacji zasilanych przez źródła ciepła o dużym zakresie zmian temperatury czynnika grzewczego, takich jak kocioł stałopalny z buforem pracujący okresowo lub instalacja solarna. W przypadku kotła stałopalnego duży zakres zmian temperatury czynnika grzewczego związany jest z jego okresową pracą i gromadzeniem czynnika grzewczego (magazynowaniem ciepła) w buforze ciepła.

W przypadku instalacji solarnych duży zakres zmian temperatury czynnika grzewczego wynika ze zmienności promieniowania słonecznego w czasie. W obu przypadkach instalacja z grzejnikami płaszczyznowymi będzie skutecznie pracować, jeśli spełniony będzie warunek (tG < tZ). Skuteczność pracy instalacji będzie maleć dla warunku (tZ < tG).

Tryb automatyczny

W trybie automatycznej regulacji temperatury czynnika grzewczego źródła ciepła może się okazać, że ze względu na warunek (tZ > tG) należy sztucznie utrzymywać wyższą temperaturę tZ, niż wynika to z krzywej regulacji pogodowej. Dla instalacji ze źródłami ciepła niskotemperaturowymi lub o szerokim zakresie temperatury zasilania pożądane jest zastosowanie systemu regulacji temperatury czynnika grzewczego zasilającego grzejniki płaszczyznowe, dla którego będzie spełniony warunek:

tZ ≥ tG.

Powyższy warunek spełnia system regulacji temperatury z wykorzystaniem zaworu termostatycznego trójdrogowego na powrocie (rys.). Jest to system termostatyczny, ponieważ temperatura wyjściowa tM jest stała, zaś jej wartość zależy od nastawy na głowicy termostatycznej (1).

Regulacja ogrzewania podłogowego

Zasada działania układu do obniżania temperatury zasilania ogrzewania płaszczyznowego polega na wykorzystaniu zjawiska mieszania dwóch strumieni czynnika grzewczego o różnych temperaturach tZ i tP, w wyniku czego uzyskuje się czynnik o temperaturze pośredniej tM.

Analogicznie jak poprzednio czynnik grzewczy o wysokiej temperaturze tZ (wychodzący ze źródła ciepła) przepływa do węzła mieszającego WM i ulega mieszaniu z czynnikiem wychłodzonym o temperaturze tP, powracającym z grzejnika płaszczyznowego. Wartość temperatury tM czynnika grzewczego wychodzącego z punktu WM, po zmieszaniu się dwóch strumieni masowych o różnych temperaturach tP i tZ, zależy od proporcji tych strumieni.

Następnie czynnik grzewczy o obniżonej temperaturze tM przepływa przez pompę obiegową (4), zawór zwrotny (5) oraz przez rurę, do której jest przytwierdzony czujnik przylgowy CZ głowicy termostatycznej (1). Gdy temperatura czynnika grzewczego jest zgodna z temperaturą zadaną na pokrętle głowicy termostatycznej (1), wówczas stopień otwarcia zaworu trójdrogowego (2) się nie zmienia.

W przypadku, gdy temperatura czynnika w punkcie CZ jest wyższa od temperatury zadanej na pokrętle głowicy termostatycznej (1), głowica termostatyczna przymyka zawór (2), aż do osiągnięcia temperatury w punkcie CZ zgodnej z temperaturą zadaną na głowicy termostatycznej.

Przymknięcie zaworu trójdrogowego oznacza zmniejszenie przepływu czynnika przez tzw. przelot, z ukierunkowaniem jego nadmiaru w kierunku obejścia (czyli „by-pass”). Powoduje to zwiększenie udziału czynnika o niższej temperaturze dopływającego do węzła mieszającego WM. Większy udział czynnika o niższej temperaturze w punkcie WM powoduje obniżenie temperatury tM.

Gdy temperatura czynnika w punkcie CZ jest niższa od temperatury zadanej na pokrętle głowicy termostatycznej, wówczas głowica termostatyczna otwiera zawór (2), aż do osiągnięcia temperatury w punkcie CZ zgodnej z temperaturą zadaną na głowicy termostatycznej. Otwarcie zaworu trójdrogowego powoduje zwiększenie ilości czynnika wypływającego z układu (punkt P), przez co zwiększa się ilość czynnika dopływającego ze źródła ciepła (punkt Z).

Większy udział czynnika o wyższej temperaturze tZ dopływającego do punktu WM powoduje podniesienie temperatury tM czynnika grzewczego przepływającego z węzła WM do grzejnika płaszczyznowego. Temperatura czynnika grzewczego zasilającego grzejnik płaszczyznowy zależy od proporcji mieszania się strumieni. Im większy jest udział czynnika grzewczego z powrotu grzejnika o niskiej temperaturze tP, tym temperatura wypadkowa (po zmieszaniu się strumieni) jest niższa.

W granicznym przypadku temperatura czynnika w punkcie WM jest równa temperaturze czynnika powracającego z grzejnika powierzchniowego o niskiej temperaturze tP. Sytuacja taka ma miejsce, gdy zawór trójdrogowy (2) zostanie zupełnie zamknięty i cały strumień czynnika powracającego z grzejnika płaszczyznowego jest zawracany przez pompę obiegową (4) na zasilanie grzejnika płaszczyznowego.

Całkowite zamknięcie zaworu trójdrogowego (2) może nastąpić, gdy temperatura źródła tZ jest znacząco wyższa od temperatury zadanej na głowicy termostatycznej lub gdy temperatura zadana na głowicy termostatycznej (1) jest bliska temperaturze pomieszczenia, w którym zabudowany jest grzejnik powierzchniowy. Jest to forma ochrony grzejnika przed przegrzaniem. Widok zaworu trójdrogowego rozdzielającego pokazano na schemacie.

Zawór całkowicie otwarty

Drugim skrajnym przypadkiem jest sytuacja, gdy zawór trójdrogowy (2) jest całkowicie otwarty. Wówczas temperatura czynnika tM za węzłem mieszającym WM jest równa temperaturze zasilania tZ. Taka sytuacja może mieć miejsce, gdy temperatura zasilania tZ jest równa lub mniejsza od temperatury zadanej na pokrętle głowicy termostatycznej.

Powyższy przypadek stanowi zasadniczą różnicę w działaniu układu regulacji temperatury z zastosowaniem zaworu termostatycznego trójdrogowego w stosunku do układu mieszającego z zastosowaniem zaworu termostatycznego przelotowego, opisanego w poprzednim punkcie.

W przypadku układu mieszającego z zastosowaniem zaworu termostatycznego przelotowego temperatura za węzłem mieszającym tM jest zawsze niższa od temperatury zasilania tZ.

Możliwość uzyskania za węzłem mieszającym WM czynnika o temperaturze tM równej temperaturze źródła ciepła tZ (tM = tZ) jest pożądana w przypadku, gdy mamy do czynienia z niskotemperaturowym źródłem ciepła, takim jak pompa ciepła lub kocioł kondensacyjny, lub gdy instalacja zasilana jest za pośrednictwem bufora ciepła (kotły stałopalne, systemy solarne).

W przypadku źródeł ciepła niskotemperaturowych, w celu zwiększenia wskaźnika efektywności pracy systemu, dąży się do maksymalnego obniżenia temperatury zasilania. Występują jednak sytuacje, gdy chwilowo podnosi się temperaturę zasilania źródeł niskotemperaturowych (pomimo gorszej efektywności ich pracy) w celu uzyskania odpowiedniej temperatury c.w.u., wyższej temperatury zasilania grzejników konwencjonalnych lub dla szybszego ogrzania pomieszczeń.

W takich sytuacjach konieczne jest stosowanie układów regulacji temperatury wody zasilającej grzejnik płaszczyznowy, by zabezpieczyć przed przegrzaniem oraz aby w okresie pracy niskotemperaturowej temperatura za węzłem mieszającym tM mogła być równa temperaturze źródła ciepła tZ.

Z buforem…

Kolejnym przypadkiem jest sytuacja, gdy instalacja zasilana jest za pośrednictwem bufora ciepła. Występują wówczas znaczne różnice temperatury zasilania. Wysoka temperatura zasilania występuje w końcowej fazie „ładowania” bufora przez kocioł stałopalny lub system solarny. Niska temperatura zasilania występuje w początkowej fazie „ładowania” bufora ciepła.

Możliwość pracy bufora ze znacznymi różnicami temperatury pozwala na zmniejszenie jego pojemności, ponieważ w granicznym przypadku system regulacji temperatury wody zasilającej grzejnik płaszczyznowy pozwala na przeniesienie czynnika grzewczego od źródła ciepła do grzejnika płaszczyznowego bez obniżania temperatury zasilania.

Analogicznie jak w punkcie poprzednim dodatkowym zabezpieczeniem grzejnika płaszczyznowego jest wyłącznik termiczny (3), którego zadaniem jest wyłączenie pompy obiegowej (4), gdy temperatura czynnika przekroczy w punkcie ZT wartość zadaną na pokrętle wyłącznika termicznego.

Z tego względu wartość zadana na wyłączniku termicznym winna być o ok. 5ºC wyższa od wartości zadanej na głowicy termostatycznej (1). Gdy temperatura ustawiona na wyłączniku termicznym ZT jest równa lub nieznacznie wyższa od temperatury ustawionej na głowicy termostatycznej (1), wówczas będzie występowało zakłócenie pracy układu poprzez wyłączanie pompy. W przypadku ustawienia temperatury na wyłączniku termicznym ZT niższej od temperatury ustawionej na głowicy termostatycznej (1) – nastąpi cykliczne wyłączanie pompy obiegowej.

Średni czas pracy pompy będzie zależał od różnicy temperatury tZ i tP, zaś częstość włączeń i wyłączeń zależeć będzie od bezwładności cieplnej układu.

Przekroczenie zadanej temperatury w punkcie ZT może wystąpić, np. gdy zanieczyszczenie z instalacji zablokuje grzybek zaworu trójdrogowego (2) w stanie otwartym, gdy ciśnienie w instalacji pokona siłę docisku głowicy termostatycznej lub gdy kapilara ulegnie uszkodzeniu. Proste układy regulacji temperatury oparte na regulatorach bezpośredniego działania są najlepszą gwarancją niezawodności pracy całej instalacji.

Przedmiotem następnego artykułu będzie przykład doboru komponentów w zależności od łącznej mocy cieplnej grzejników zasilanych przez węzeł z termostatycznym systemem regulacji temperatury z zaworem trójdrogowym na powrocie.

Grzegorz Ojczyk

Literatura:

1. Materiały firmowe HERZ Armatura i Systemy Grzewcze Spółka z o.o. (www.herz.com.pl).

Rys. Termostatyczny system regulacji temperatury z zaworem trójdrogowym na powrocie: 1 – głowica termostatyczna z czujnikiem przylgowym, 2 – zawór trójdrogowy rozdzielający, 3 – wyłącznik zabezpieczający, 4 – pompa obiegowa, 5 – zawór zwrotny.

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