Állandó térfogatáramú hidraulikai hálózatok
2008/4. lapszám | Székely Tamás | 4978 |
Figylem! Ez a cikk 18 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Állandó térfogatáramú rendszereket mind a mai napig igen gyakran alkalmaznak FC-s fűtési-hűtési hálózatokban. Ezek a rendszerek – történeti fejlődésüket tekintve – ősi műszaki megoldásnak számítanak. Elterjedésük közvetlenül a fan-coil berendezések megjelenésétől datálódik, az 1950-es évek közepétől. Abban a korban a komfortérzettel szemben állított követelmények még elég alacsonyak voltak, és az energia ára is rendkívül olcsó volt. Érthető tehát, hogy a tervezők előszeretettel használták ezt a megoldást, hisz – automatikus szabályzók hiányában is – a hidraulika viszonylag egyszerűen, statikus berendezésekkel kézben tartható volt. A helyzet azonban az elmúlt években (évtizedekben) jelentősen megváltozott, és ma már kizárólag a változó térfogatáramú rendszerek terjednek. Ennek elsődleges oka az energiaárak emelkedése és komfortkövetelmények növekedése. Sok tervező mégis mind a mai napig használja az állandó térfogatáramú rendszert, abban a hiszemben, hogy a hidraulika ezzel a rendszerrel valóban kezelhető. Jelen cikkemben szeretném erről a tévhitről fellebbenteni a fátylat, és bemutatni a valós hidraulikai problémákat.
Az állandó térfogatáramú rendszer működési elvét tekintve a primer elosztó hálózaton állandó vízmennyiséget biztosítunk, úgy, hogy az 1. ábra kapcsolásának megfelelően a fűtőközeg vagy a fan-coil készüléken, vagy az előtte kialakított by-pass ágon halad keresztül. Természetesen a fan-coil vízoldali ellenállása önmagában minden esetben más és más, függ a tényleges hőigénytől és így a rajta átáramló közeg mennyiségétől, a készülék kialakításától, a csatlakozás milyenségétől stb. Hogy a rendszer térfogatáram-állandóságát fenn tudjuk tartani, a két párhuzamosan kapcsolt ág (fan-coil és by-pass ág) hidraulikai egyenlőségét meg kell valósítani, amihez a by-pass ágba be kell építeni egy hidraulikai szabályozó szelepet (akár statikus elemet). Ennek méréses beszabályozása után már valóban biztosítottuk az állandó térfogatáramot. (Szeretném felhívni azonban a figyelmet arra, hogy ez az állandó térfogatáram csak a két szabályozási végállapotban (NYIT/ ZÁR) igaz. Mialatt a motoros szelep a két végállapot között mozog – tekintettel arra, hogy a két ág (FC és by-pass ágak) ellenállása nem azonos módon változik -, máris kis eltérést tapasztalhatunk az állandó térfogatáramtól. Ez természetesen kismértékű, a következőkben részletesen nem is vizsgáljuk.)
A fenti rendszerkialakítás azonban csak elméleti. A valóságban leggyakrabban a 2. ábrán látható úgynevezett négycsonkos kétutú fan-coil szelepet alkalmaznak.
Ez természetesen lehetetlenné teszi a statikus beállító szelep alkalmazását a by-pass ágban, vagyis a két ág ellenállása nem illeszthető egymáshoz. Az igényesebb szelepgyártók ugyan leggyakrabban a by-pass ág felőli csatlakozási csonk keresztmetszetét egy kvs-értékkel kisebbre állítják (4. ábra) be, hogy a feltételezett FC ellenállását valamiképpen kompenzálja, de természetesen ez csak egy érték, és nem illeszkedhet minden állapothoz. Ebből az is következik, hogy a valóságban a két ágon nem azonos vízmennyiségek alakulnak ki, vagyis nem beszélhetünk valós állandó térfogatáramról, csak „kvázi” állandó térfogatáramú rendszerről. A következőkben ezt a jelenséget vizsgáljuk.
A könnyebb érthetőség kedvéért az autoritás mellett vezessünk be egy ún. ellenállásarányt, amit „R”-rel jelölünk. Ez az érték – a 7. ábra alapján – az autoritáshoz hasonló mérőszám, de most nem a szelep ellenállását vetjük össze a rendelkezésre álló nyomáskülönbséggel, hanem a fan-coil szelep ellenállását.
Az „R”-t vizsgálva látjuk, hogy annak értéke nő, ha a fan-coil készülék nyomásesése egyre nagyobb a rendelkezésre álló nyomáskülönbségre vonatkoztatva. Tekintettel arra, hogy az ágakon áthaladó térfogatáramok a nyomásváltozás négyzetével arányosak, könnyen kiszámítható a by-pass ágra jutó többlet térfogatáram az R függvényében, amit a 4. ábra mutat. Ez a gyakorlatban annyit jelent, hogy ha a fan-coil ellenállása a rendelkezésre álló nyomáskülönbség 20%-át teszi ki, zárt FC-szelep esetén a by-pass ágon a beszabályozott névleges térfogatáramnál 12%-kal több víz folyik keresztül.
Vegyük még figyelembe, hogy a jó szabályozhatóság kedvéért az autoritás értéke nem lehet 50% alatt, vagyis a szelep ellenállását úgy célszerű választani, hogy az megegyezzen a szabályozott kör többi elemének ellenállásával. (A mi esetünkben
pMCV = pfc + pUSVI) Ezekből a feltételekből kiindulva láthatjuk, hogy precíz tervezés esetén az „R” értéke 40-45% körül adódik, ugyanis a fan-coil és a statikus szelep együttes ellenállása lesz kb. megegyező a szelep ellenállásával. A statikus szelep ellenállása a mérhetőség kedvéért min. 3-5 kPa, vagyis egy átlagos fan-coil készüléket feltételezve valóban 40-45%-os „R” várható. Jól látható, hogy ebben az esetben már ~30% többlet térfogatáram „szökik el” a by-pass ágon. Más szavakkal azt is mondhatjuk, hogy egy rendszerben 50%-os terhelést feltételezve (a fan-coil-ok fele zárva van, és itt 30%-kal nagyobb lesz a térfogatáram) átlagosan 15% többlet térfogatáram kell keringjen. Természetesen szélsőséges esetben – mikor alig 1-2 készülék van csak nyitva – ez az érték 30%-ra növekszik.
Állandó térfogatáramú rendszerek tervezésénél ezt a jelenséget általában nem veszik figyelembe, így üzembe helyezés után szivattyúzási problémák lépnek fel, ugyanis a szivattyúhoz közeli fan-coilok by-pass ágain túl sok víz lekering, és ez a végpontokról hiányozni fog. A végpontok ellátatlanságát tovább növeli az, hogy az alapvezetéken áramló nagyobb vízmennyiség a rendelkezésre álló nyomáskülönbséget is csökkenti. Egyetlen gyógymódként csak a szivattyú cseréje jöhet számításba (többletköltség!). Ennek a megoldásnak másik óriási hátránya, hogy a szivattyúnk energia-felhasználása még tovább növekszik, hiszen a névleges (tervezési) térfogatáramnál is nagyobb vízmennyiséget kell folyamatosan keringetni.
Vizsgáljuk meg a jelenséget közelebbről az 5. ábrán látható szivattyú-jelleggörbék segítségével. Az eredeti M munkapont a mértékadó, teljes terhelésre vonatkozó térfogatáramra és az ott érvényes nyomáskülönbségre vonatkozik. Az M´ munkapont viszont az 50%-os terhelés esetén alakul ki (M" pedig az 5% terhelésnél). Jól látható, hogy a by-pass ágakon átáramló többlet vízmennyiség miatt egy másik szivattyú-jelleggörbét kell alkalmazni.
Akkor miképp lehetne mégis változó térfogatáramú rendszert használni? Ha a rendszerünket automatikus térfogatáram-korlátozókkal látjuk el (minden fan-coil készülék előtt) statikus beszabályozó szelepek helyett, a 6. ábrán látható módon. Így, függetlenül attól, hogy a fan-coil ág vagy a by-pass ág van nyitva, mindig ugyanaz a vízmenynyiség fog a rendszeren áthaladni. Ennél a megoldásnál kiegészítő szerelvényekre se lesz szükség a beszabályozáshoz, és maga a térfogatáram beállítása sem igényel mérést.
A különböző hidraulikai rendszerek szivattyúzási energia-felhasználását már egy korábbi cikkemben vizsgáltam.
Az éves szivattyúzási energiafogyasztás fan-coil készülékenként állandó térfogatáramú rendszerek esetén 2510 Ft, míg változó térfogatáramnál mindössze 990 Ft, vagyis az állandó térfogatáramú rendszer szivattyúzási energia-felhasználása több mint 2,5-szer akkora.
Szót érdemel még a rendszer beruházási költsége is. Állandó térfogatáram esetén be kell építeni egy fan-coil szelepet és egy automatikus térfogatáram-korlátozót, vagy a régebbi megoldás szerint statikus szelepeket a készülék elé, valamint a rendszer különböző pontjain segédszelepeket a statikus beszabályozás elvégzéséhez. (Igazság szerint a tényleges állandó térfogatáramhoz a by-pass ágba is kellene egy statikus szelepet építeni, de ez a korábban írt okokból sosem valósul meg.) Ez több szerelvényt jelent, amit még be is kell építeni a rendszerbe. Változó térfogatáramú rendszereknél, ha szintén automatikus térfogatáram-szabályzót alkalmazunk, további hidraulikai elemre nincs szükség. Egy szelepünk van mindössze, így alacsonyabb beruházási költséget érünk el.
Sokszor emlegetik, hogy az állandó térfogatáramú rendszer szivattyúvédelmi és a csővezeték-hőntartási feladatokat is teljesít. Kétségtelen, de ezek a „problémák” más módon, sokkal gazdaságosabban is kezelhetők. (A megoldások taglalására – sokrétűségük miatt – itt hely hiányában nem térnék ki.)
Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy az állandó térfogatáramú rendszerek alkalmazásának a mai műszaki megoldások mellett semmilyen racionális oka nincs. A hidraulikai kiegyensúlyozást statikus elemekkel nem tudja megoldani még precíz beszabályozási munka árán sem, ugyanakkor a rendszer energia-felhasználása jelentősen növekszik (szivattyúzási munka, csővezetéki hőveszteség, alacsonyabb hőtermelő/hűtőgép hatásfok mellett.) És végül, de nem utolsó sorban, beruházási költségek szempontjából a legdrágább megoldást kapjuk.
