Használati melegvíz-cirkulációs hálózatok méretezése
2005/6. lapszám | VGF&HKL online | 12 400 |
Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A használati melegvíz (HMV) cirkulációs rendszerek még ma is az épületgépészeti tervezés, kivitelezés és üzemeltetés elhanyagolt területét jelentik. A korábban létesült rendszerek döntő többségét korrekt számítások nélkül, általában egyszerű ökölszabályok alkalmazásával alakították ki. A vezetékek szigetelése általában gyenge; a beszabályozás gyakran elmaradt, és a beszabályozó szerelvények hiánya miatt utólag egyszerűen nem is pótolható. Az utóbbi évek igényesebb beruházásaiban a hőszigetelésre általában már több gondot fordítanak, de a vezetékek ökölszabályok alapján történő méretezése, a keringtetendő térfogatáram pontatlan meghatározása, a mindezekből következően hibás értékekre történő beszabályozás az esetleg szükségtelenül nagy beruházási és üzemeltetési költségek ellenére is az ellátás bizonytalanságát eredményezhetik.
A legionella baktériumok
A HMV-cirkulációs rendszerek hibáira azonban Nyugat-Európában sem elsősorban az energiatakarékosság, hanem a legionella baktériumok okozta problémák hívták fel a figyelmet. A legionellák a vízben gyakorlatilag bárhol előforduló baktériumok, amelyek az emberi tüdőbe jutva súlyos, igen gyakran halálos tüdőgyulladást okozhatnak. A betegség kialakulásához jelentős számú baktériumnak kell a tüdőbe jutnia, így ehhez a ma még nem teljesen tisztázott immunológia feltételek mellett az szükséges, hogy erősen fertőzött, legionellákat nagy mennyiségben tartalmazó, aeroszol méretű vízcseppek kerüljenek tartós belélegzésre. A legionellák 15-50 °C között szaporodóképesek, legkedvezőbb számukra a 37-42 °C, azaz éppen a HMV-szolgáltatásban korábban jellemző hőmérséklettartomány. Az ilyen hőmérsékletű vízből például zuhanyzáskor képződhetnek fokozott kockázatot jelentő, kb. 5 µm méretű vízcseppek, különösen a víztakarékossági okokból intenzív porlasztással működő zuhanyfejek esetén.
A baktériumok ellen számos védekezési lehetőség adódik a HMV-rendszerekben is, a leghatékonyabb azonban a víz hőmérsékletének 50 °C felett való tartása. A hőmérséklet emelésével a fertőzött víz baktériumszáma egyre gyorsabban csökken, ennek mértékegysége a csíraszám egy nagyságrenddel való csökkentéséhez szükséges idő. A hőmérséklet emelésének azonban korlátot szab a vízkőkiválás és a fokozott forrázásveszély. A németországi DVGW 1994-ben kibocsátott W551 számú előírása alapján a HMV névleges hőfoka 60 °C kell legyen; a rendszerben megengedett lehűlés (a hőtermelőből való kilépéstől az előremenő és a cirkulációs hálózaton keresztül vissza a hőtermelőig) 5 °C. A hőtermelő arányos szabályozásának hibája miatt időlegesen az 55 °C előremenő hőmérséklet is megengedett; mindezek figyelembe vételével sem süllyedhet azonban 50 °C alá a keringő HMV hőfoka. A névleges 60 °C hőmérsékletet üzemszerűen el nem érő rendszerelemeket – pl. előfűtő – naponta egyszer 60 °C fölé kell melegíteni.
A DVGW W553 előírásai
A DVGW W551 előírás követelményeinek betartásához elengedhetetlen a cirkulációs rendszerek megbízható üzeme. Az ezt biztosító méretezési módszert az 1998-ban kibocsátott W553 számú előírás határozza meg. A kérdéskörhöz tartozó W552 számú előírás a W551 kibocsátása előtt létesített és annak követelményeit nem teljesítő HMV-rendszerekre vonatkozik, és ezek mikrobiológiai felügyeletére ad követelményeket. A W551 számú előírás azon követelménye, hogy a HMV-rendszerben megengedett maximális lehűlés 5 °C, igen szigorú feltételeket szab a cirkulációs rendszer méretezésére és üzemeltetésére. A hőmérséklethatárok betartását a Németországban a HMV vezetékekre előírt – a fűtési vezetékekével egyező vastagságú és minőségű – hőszigetelési követelmények jelentősen egyszerűsítik. DN100 méretig a vezetékeket a csőátmérővel lényegében egyező vastagságú, legfeljebb 0,04 W/mK hővezetési tényezőjű hőszigeteléssel kell ellátni; DN100-tól az előírt szigetelési vastagság 100 mm (ld. 1. táblázat).
A DVGW W553 célja, hogy egyszerű méretezési módszert adjon a cirkulációs rendszerek méretezéséhez úgy, hogy a W551 előírásait biztonsággal be lehessen tartani. Az előírás három méretezési eljárást ismertet. Az ún. „gyorseljárás” legfeljebb két lakást ellátó rendszerek méretezésére ad igen egyszerű előírásokat, amelyek a kivitelező mester számára is lehetővé teszik a cirkulációs rendszer méreteinek elméleti felkészültséget nem igénylő, egyszerű, gyors meghatározását. Az „egyszerűsített” és a „részletes” eljárás korlátozás nélkül alkalmazható egymás alternatívájaként a gyorseljárás alkalmazásának feltételeit nem teljesítő rendszerekre. Az egyszerűsített eljárás számos elhanyagolást és egyszerűsítést enged meg a részletes eljáráshoz képest, a biztonság irányában. Alkalmazásával egyszerűsíthető és csökkenthető a méretezés számításigénye, ennek ára azonban a rendszer bizonyos túlméretezése. A részletes eljárást akkor érdemes alkalmazni, ha az egyszerűsített eljárásból következő túlméretezést és az ebből következő nagyobb beruházási és üzemeltetési költséget már nem kívánjuk vállalni. Fontos hangsúlyozni, hogy bármelyik eljárás alkalmazásának feltétele a hőszigetelési követelmények egyidejű betartása.
A gyorseljárás
A gyorseljárás alkalmazhatóságának feltétele, hogy a HMV-rendszer legfeljebb két független lakást láthat el; az előremenő vezetékek öszszes hossza nem lehet nagyobb 30 méternél; a leghosszabb ágvezeték nem lehet 20 méternél hosszabb; a szivattyú utáni visszacsapó szelep ellenállása kisebb 30 mbar-nál. Ebben az esetben a HMV előremenő vezetékeket a fogyasztók alapján kell méretezni; a párhuzamos cirkulációs vezetékek belső átmérője egységesen minimum 10 mm kell legyen. A cirkulációs szivattyú névleges mérete DN15, a keringtetett térfogatáram minimum 200 l/óra, a minimális emelőmagasság 1 m kell legyen.
Az egyszerűsített eljárás
Az egyszerűsített és részletes eljárás egymás alternatívájaként alkalmazható. Mindkét eljárás alapvető gondolatai: a méretezést fogyasztás nélküli állapotban kell elvégezni; a számítást az előremenő vezetékben megengedett maximális lehűlésre kell alapozni; a cirkulációs hálózatot be kell szabályozni, amihez a méretezés során hidraulikai számítással kell az előbeszabályozási értékeket meghatározni. A három gondolat közül az első némi magyarázatot igényel. A cirkulációs hálózatok méretezési módszerei ezt magától értetődőnek tekintik, hiszen ha van fogyasztás, annak a cirkulációt általában meghaladó térfogatárama gondoskodik arról, hogy a HMV ne hűljön a megengedett hőmérséklet alá. A BME Épületgépészeti Tanszékén a ´90-es években elvégzett modellvizsgálatok rámutattak azonban arra, hogy ez a rendkívül nagy – több ezer lakást egy közös hálózatba kapcsoló – rendszerekben nem feltétlenül van így, ugyanis a rendszer egyes részeiben éppen a más rendszerrészekben fellépő fogyasztás esetén szűnhet meg a cirkulációs keringés. Itt annyit kell rögzítenünk, hogy az ilyen nagy rendszerek esetleges méretezése alaposabb megfontolásokat igényel. Az említett feltétel a ma megvalósításra kerülő, jellemzően lényegesen kisebb rendszerekben megbízhatóan teljesül.
A második gondolat annak indoklását igényli, hogy az előremenő vezetékben a W553 szerint megengedett 2 0C lehűlésre való méretezés garantálja a W551-ben szereplő, maximum 5 0C teljes lehűlés betartását. Az előírás előkészítésekor végzett mérések és modellvizsgálatok igazolták ennek teljesülését; az előremenőben megvalósuló 2 0C lehűlés mellett a teljes lehűlés várható értéke kb. 3,7 0C. A harmadik gondolat Németországban teljesen magától értetődő – itthon sajnos még nem: beszabályozás nélkül a cirkulációs hálózat feladatát teljesíteni nem tudja; működtetése víz- és energiamegtakarítás helyett csupán energiapazarlást eredményez!
A cirkuláltatandó tömegáram megállapításához meg kell határozni az előremenő vezetékhálózat hőveszteségét. Ehhez ki kell számítani minden egyes vezetékszakasz hőveszteségét, és azt felszállónként, majd az egész rendszerre összegezni kell. A német hőszigetelési előírások teljesülése esetén, valamint tHMV=60 °C és tkörny>10 °C mellett a DN100 alatti vezetékekre igaz, hogy q<11 W/m (ld. 1. táblázat), illetve falhoronyban való vezetésnél q<7 W/m. A DVGW W553 egyszerűsített eljárása szerint az előremenő összes hővesztesége az előremenő vezeték méretének meghatározása nélkül értékkel közelíthető; ahol li a vezetékszakaszok hossza, qi pedig a vezetés módjától függően 11 vagy 7 W/m. Az előremenőben megengedett lehűlés 2 °C, ezért a HMV vezetékmenti hőmérsékletváltozása elhanyagolható. Az összes (a felszállók legtávolabbi csapolójáig történő) lehűlés fedezésére keringtetendő térfogatáram: ahol meg = 2 °C. Az így kiadódó tömegáramot a beszabályozással kell a felszállók között megosztani. A fogyasztás nélküli esetben a cirkulációs szivattyú által keringett tömegáram az első szakaszon lehűlést szenved, ennek értékét azonban nem szükséges kiszámítani. Azt a kérdést kell csupán eldönteni, hogy az előremenő vezeték első elágazásánál milyen arányban osszuk meg a cirkulációs tömegáramot. A két ágon továbbhaladó és térfogatáramhoz és hőveszteségek tartoznak (és ), és mindkét irányban lehűlés engedhető meg. Mivel Ezt az elvet rekurzív módon követve a cirkuláció tömegáramának megosztása minden csomópontban egyszerűen, a lehűlések számítása nélkül meghatározható. Ezek elvégzése után tudjuk minden ág cirkulációs tömegáramát. Meg kell határozni – például megengedett áramlási sebesség vagy fajlagos nyomásveszteség alapján – a cirkulációs vezetékek átmérőjét, majd a tömegáramok és a vezetékméretek ismeretében el kell végezni a hidraulikai számítást, beleértve a beszabályozó szelepek előbeállítási értékeinek meghatározását. Mivel az előremenő vezeték mérete a cirkulációénál jellemzően nagyobb – különösen, hogy a Németországban előírt jó hőszigetelés miatt igen kis cirkulációs térfogatáramok adódnak –, ezért a DVGW W553 egyszerűsített módszere megengedi, hogy a hidraulikai számítást csak a cirkulációs vezeték súrlódási nyomásveszteségére végezzék el; a teljes hálózat összes nyomásvesztesége (súrlódási és alaki ellenállások összege) a hálózat kialakításától függően ennek 1,2÷1,4-szereseként adódik.
A részletes eljárás
A részletes eljárás gondolatmenete és a méretezés lépései megegyeznek az egyszerűsített eljáráséval, azzal a különbséggel, hogy itt nem élhetünk az ott alkalmazott közelítésekkel és elhanyagolásokkal. Az egyes vezetékszakaszok hőveszteségét pontosan kell meghatározni; a maximum 2 0C lehűlés miatt azonban az előremenő vezeték lehűlését itt is nyugodtan elhanyagolhatjuk. A vezetékszakasz hőveszteségét a tényleges hőmérsékletkülönbség és a vezeték 1 méterére vonatkoztatott fajlagos hőátbocsátási tényezője segítségével határozhatjuk meg: ahol li a vezetékszakasz hossza; tb,i a HMV hőmérséklete, tk,i a vezetékszakasz környezetének hőmérséklete, ki pedig a vezetékszakasz 1 méretének fajlagos hőátbocsátási tényezője: ( a külső hőátadási tényező; d a csővezeték, D a hőszigetelés külső átmérője; a hőszigetelés hővezetési tényezője). Megengedett a fajlagos hőátbocsátási tényező 0,2 W/mK értékkel vagy a külső hőátadási tényező =10 W/m2K értékkel való közelítése is.
A hőveszteségek összesítése után az összes cirkulációs tömegáram számítása, illetve annak ágankénti megosztása az egyszerűsített módszernél ismertetett módon végezhető el. A vezetékek belső átmérőjét az egyszerűsített eljárással egyezően áramlási sebességre vagy fajlagos nyomásveszteségre választhatjuk; az előremenőben a HMV, a cirkulációs vezetékben a cirkulációs térfogatáramok alapján. A hidraulikai számítás során pontosan kell meghatározni a teljes cirkulációs kör ellenállását az előremenő és a cirkulációs vezetéken is. A szivattyú emelőmagasságát a legkedvezőtlenebb áramkör nyomásvesztesége alapján kell meghatározni; a kedvezőbb áramkörök beszabályozásához meg kell határozni az előbeszabályozási értékeket.
Az előírás hazai alkalmazása
A DVGW W551, W552, W553 előírásai hazánkban természetesen nem kötelező érvényűek, de iránymutatók a HMV-rendszerek kialakításával és üzemeltetésével kapcsolatban. A legionella baktériumok elleni védekezés legmegbízhatóbb módszerének összes problémája ellenére (elsősorban: megnövekedő hőveszteség, a vízkőkiválás kockázata, forrázásveszély) a W551 szerinti elegendően magas hőmérséklet fenntartását és a szintén előírt rendszeres tisztítás és karbantartás együttesét tekinthetjük. A W553 gyors- és egyszerűsített eljárása közvetlenül csak az egyéb, elsősorban szigorú hőszigetelési feltételek teljesülése esetén, a részletes eljárás gondolatmenete azonban bármilyen rendszerre alkalmazható. Gyengébb hőszigetelések esetén értelemszerűen nagyobb cirkulációs tömegáramokra kell számítanunk. Előzetesen rögzítenünk kell a HMV-termelőtől a -fogyasztókig megengedett lehűlést. A hőveszteség számításánál a vezetékmenti lehűlést elhanyagolhatjuk. Az adott (a HMV előremenő vezeték méretezéséből ismert) vezetékméretek és hőszigetelés miatt az előremenő hálózat hővesztesége meghatározható. A hazai változatos vastagságú és minőségű hőszigetelések miatt valószínűleg nem lehet olyan, a németországi 11 W/m értékhez hasonló, a vezetékmérettől független, egységes és megbízható méretezést eredményező fajlagos hőátbocsátási tényezőt találni; a különböző előremenő-szakaszok hőveszteségét külön-külön, esetleg segéddiagramok és -táblázatok segítségével kell meghatározni. Az összes cirkulációs tömegáram és a különböző ágak közötti megosztása a DVGW W553 szerinti módszerrel számítható. A HMV-fogyasztáshoz képest a németországinál várhatóan nagyobbra adódó cirkulációs tömegáramok miatt az előremenő és visszatérő hálózat pontos hidraulikai méretezése nem kerülhető meg.
Dr. Szánthó Zoltán
BME Épületgépészeti Tanszék
