Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Lavtrykksdistribusjons-system i vannbårne energisystemer Utgave 2006 Henvendelse om denne boka kan rettes til: COVA AS 4387 Bjerkreim NORGE Nettadresse: www.cova.no Innhold eller deler derav kan gjengis under forutsetning av at kilden gjengis. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 1 Copyright COVA AS
Forord Denne boka er egnet som lærebok på tekniske fagskoler eller høgskole- universitetsnivå. Den vil også være nyttig håndbok for rådgivende ingeniører, rørleggerentreprenører og andre som arbeider med prosjektering, utforming, montering og regulering av varme- og kuldeanlegg. I denne boka benyttes en del tekniske faguttrykk, for eksempel mengdestyring, temperaturregulering, innjusteringsfritt anlegg osv. Disse uttrykkene og mer til er samlet og forklart i slutten av boka. Dersom en går over fra å bruke temperaturregulering til å nytte mengdestyring, uten samtidig å endre teknikken, så kan dette medføre store reguleringsmessige problemer. Motorventiler som er eignet til temperaturregulering er ikke uten videre eignet til mengdestyring. Ved å gå over til ny teknologi, og anvende magnetventiler som regulerer åpningstiden i stedet for ventilstillingen som for motorventiler, så oppnås et mer tidsmessig riktig system som er overlegent system med motorventiler på alle områder. Samtidig oppnås nye fordeler som tidligere ikke var mulig, med hensyn til forenklinger, funksjon og ikke minst energibesparelse. Vi skal huske på at motorventiler forandrer vannmengden analogt etter energibehovet, mens magnetventiler forandrer vannmengden digitalt etter energibehovet. Ved å bruke magnetventiler så har vi altså et digitalt system, og oppnår dermed slike systemers fordeler. Kanskje den største og viktigste fordelen er at det nå er mulig å konstruere distribusjonssystemet med langt lavere trykkfall i anlegget ofte bare 25% av hva som gjerne forekommer det betyr energibesparelse som merkes på driftsbudsjettet. Denne boka tar for seg slike lavtrykks-distribusjonssystem hvordan de konstrueres og utføres. Alle mengdestyrte anlegg som er beskrevet i denne boka er innjusteringsfrie. Det spares både innregulerings-ventiler og etterfølgende innregulerings-arbeid. Systemene er basert på maksimal energibesparelse og funksjonsdyktighet og at en ikke behøver anvende trykkdifferanse-regulatorer noe sted i nettet. Vi har arbeidet med denne problemstillingen siden 1991, og føler behov for å dele vår viten med andre. I 1991 foretok SINTEF, Trondheim under ledelse av professor Vojslav Novakovic simulering på sitt dataanlegg for å finne ut om en slik reguleringsstrategi (tidsregulering av vannmengden) ved hjelp av magnetventiler kunne nyttes i et vannbårent system. Konklusjonen var klar: Denne reguleringstrategien kommer til å funksjonere i de fleste sammenhenger innen vannbårne energisystemer under to viktige forutsetninger: 1 Det må finnes en masse i systemet som kan ta imot den tilførte energien, nettopp slik vi alltid har i batterier, radiatorer, gulvvarme, kjøletak osv. 2 For det andre så må tidsperiodene holdes innenfor visse områder slik at temperatursvingningene blir innenfor det akseptable. Med lang periode blir svingningene store, med kort periode blir svingningene små. De må holdes innenfor ett bestemt område, alt etter den enkelte applikasjon. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 2 Copyright COVA AS
I 1992 ble det foretatt praktiske forsøk på Oslo Ingeniørhøgskole, Oslo under ledelse av Arvid Grindal, Oslo. Han har drevet med utstrakt forskning, undervisning, kursvirksomhet og publisert en rekke fagartikler og skrevet lærebok innen regulering. Her hadde de ett ventilasjonsaggregat med vannbatteri og tilhørende shuntgruppe. Shuntgruppen ble tatt bort, og erstattet med en magnetventil rett på batteristussen. Så ble magnetventilen regulert på samme måte som en regulerer elektriske batterier med triac. Deretter ble det foretatt målinger på tilluftstemperaturen, når vanntemperaturen ble endret, og når lufttemperaturen ble endret, og når tidssperioden ble endret. Forsøkene bekreftet det SINTEF hadde kommet frem til. Systemet funksjonerte utmerket. Vi fikk masse måleforsøk, med kurver og data som viste hvordan tingene henger isammen, hva som har stor betydning og hva som har liten betydning osv. Disse forsøkene dannet grunnlaget for vårt videre arbeid. Videre må det nevnes at professor, dr.ing. Bent A. Børresen, Oslo, som en utrettelig inspirator og forbilde, har gjennom sine mange foredrag og fagartikler opp gjennom årene, påvirket oss sterkt til å arbeide med mengdestyring innen vannbårne energisystemer. Hans slogan: Go home and shunt no more bidrar også til det. I tillegg har prøveanlegg i Paul Tengesdal sin privatbolig siden 1993 gitt begge forfatterne førstehånds erfaring og viten om teknologien. Videre tok Terje Kåre Apeland sin hovedoppgave som sivil ingeniør kybernetikk på reguleringsteknikken i slike vannbårne energisystemer. Når det har vært mulig å skrive denne boka så skyldes det først og fremst utmerket hjelp fra Hugo Brännström, Luleå, Sverige. Han har gjennom sin visdom og mangeårig virke innen VVS-faget hatt en finger med i mangt, skrevet en rekke fagartikler og aldri sagt nei når han blir spurt til råds. Spesielt må nevnes hans utvikling av det frostsikre vannbatteriet og pionerinnsatsen for å skape det innjusteringsfrie radiatorsystemet. Vi skylder ham stor takk for hans engasjement med kommentarer og forslag til boka. Heller ikke må vi glemme våre ektemaker, og den nærmeste familie som har støttet oss gjennom alle disse årene. Derfor var det aldri vært på tale å gi opp, tross de mange års arbeid vi ofret med prosjektet. Bjerkreim, mai 2006 Paul Tengesdal Terje Kåre Apeland Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 3 Copyright COVA AS
Innhold Side 1 Innledning 6 2 Innjusteringsfrie varme- og kuldeanlegg 7 2.1 Det tradisjonelle anlegget 7 2.2 Regulering 7 3 Systemoppbygging 8 3.1 Lukket reguleringssløyfe 9 3.2 Rørnettet 10 3.3 Plassering av reguleringsenheten 10 3.4 Bruk færrest mulig pumper og reguleringsenheter 10 3.5 Ta ut store ventiler og spar energi 11 3.6 Nyttige formler / omregningsfaktorer 11 4 Effektregulering 12 4.1 Systemet 12 4.2 Måten å regulere på 12 4.3 Varmeelement med jevn varmefordeling 14 4.4 Sammenhengen mellom mengde og ytelse 15 4.5 Returtemperatur 16 4.6 Pumpe og systemkarakteristikk 17 4.7 Trykkforløp i rør 18 4.8 Laveste differansetrykk 19 4.9 Innreguleringsventiler skal ikke brukes 20 4.10 Væskefordeling innen kursen 21 4.11 Utekompensering 21 4.12 Plasser reguleringsenhetene hvor det best passer 22 4.13 Bruk alltid mengderegulert (trykkstyrt) hovedpumpe 22 4.14 Unngå bruk av trykkdifferanse-regulatorer 23 4.15 Unngå flere temperaturfølere som betjener samme romenhet 23 5 Eksempel på lavtrykks-varmeanlegg 24 6 Forenklet dimensjonering av rørnettet 25 7 Ventilasjon 26 7.1 Ventilasjonsaggregater 26 7.2 Ettervarmingsbatteri 27 7.3 Oppvarming med luftvarmere 27 8 Frostsikring av varmebatteriet 28 8.1 Dagens løsning 28 8.2 Hva skjer når batteriet fryser 28 8.3 Krav til frostsikring 29 8.4 Ny løsning 30 8.5 Montering av frostvernføler i batteri 30 9 Varme- og kjølebatterier 31 Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 4 Copyright COVA AS
10 Det innjusteringsfrie radiatorsystemet 32 10.1 Hovedfordeler i rørnettet 32 10.2 Systemtemperatur 33 10.3 Sirkulasjonspumpe 33 10.4 Radiatorer 34 10.5 Radiatorer med stor vannavkjøling 34 11 Gulvvarmesystemer 35 11.1 Rørtrykkfall frem til gulvvarmefordeler 35 11.2 Gulvvarmefordeler med like rørlengder 35 11.3 Reguleringsenheter i rørnettet 35 11.4 Manuelle ventiler 36 11.5 Gulvvarme 36 11.6 Turtemperatur med 30 40 C 36 11.7 Sikring av jevn varmefordeling 37 12 Takvarme 38 13 Diverse systemer 39 13.1 Oppvarming av svømmebasseng 39 13.2 Snøsmelteanlegg 39 13.3 Tappevann 39 13.4 Tilkobling til fjenvarme 39 14 Dokumentasjon 40 14.1 Utprøving av anlegget 40 14.2 Drift og vedlikeholdsinstruks 40 15 Kostnadssammenligning 41 16 Faguttrykk 42 Litteratur 45 Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 5 Copyright COVA AS
1 Innledning Varme- eller kjølebehovet i en bygning varierer etter utetemperaturen, sol og vind samt med størrelsen av indre varmetilførsel fra personer med mer. Det er således behov for å kunne regulere effekttilførselen til varme- og/eller kjøleelementene i rommene. Ved mengdestyring tar vi utgangspunkt i at vi har konstant turtemperatur og at ytelsen reguleres ved at vannmengden varierer. Tradisjonelt har en anvendt motorventiler til regulering i vannbårne energisystemer, men dette er når reguleringen skjer ved at en regulerer vanntemperaturen og den sirkulerte mengden er konstant, det som vi betegner med temperaturregulering. Ved overgang til mengdestyrt system får vi et nytt problem. Når vannmengden varierer vil også trykket variere. Ventiler innmontert i et mengdestyrt system har i prinsippet et potensiale til gjensidig å innvirke på hverandre. En ventil som åpner resulterer i fallende trykk i systemet, som igjen medfører at de øvrige ventilene må innta nye posisjoner. For motorventiler endres ventilstillingen, for magnetventiler endres åpningstiden. Det finnes flere grunner for at motorventiler ikke er eignet i et mengdestyrt system hvor trykkforholdene varierer hele tiden. Vi skal se på noen av de viktigste forskjellene mellom motorventiler og magnetventiler anvendt i et mengdestyrt system. Magnetventiler regulerer åpningstiden i stedet for ventilstillingen som for motorventiler. Dermed unngår en ventilautoriteten, og en kan helt fritt ta ut store ventiler og spare energi. Når det nyttes magnetventil så er det den minste åpningstiden som begrenser hvor lite energi forbruker kan avgi. Denne kan gjøres svært liten, for eksempel 0,1 sek, slik at en overdimensjonert ventil, eller overdimensjonert batteri, ikke gir noe reguleringsproblemer. Magnetventilen kan stå åpen i en fast periode, slik at gulvvarmekursene, radiatorene og lignende gjennomspyles med full vannmengde, og så kommer neste gjennomspyling avhengig av varmebehovet. Stort varmebehov kort stengetid, lite varmebehov lang stengetid. Ved denne gjennomspylingen blir temperaturfordelingen jevn over hele varmeflaten, fra ende til annen. Når det nyttes magnetventiler så er stort trykkfall over ventilen ikke nødvendig, og overdimensjonert ventil er ikke noe problem. En kan i dette tilfelle ta ut ønsket regleringsventil utelukkende med hensyn til nok vannmengde og lite trykkfall. Dimensjoneringen blir redusert til å sørge for nok vannmengde til den kursen som har størst trykkfall i rørnettet ( forbruker som ligger lengst borte). De øvrige kursene er dermed garantert nok vannmengde. Ved å kombinere magnetventilens hurtighet med elektronikk som til enhver tid regner ut ideell åpningstid, så får vi en konstruksjon som arbeider svært hurtig, så hurtig at trykksvingningene får ingen betydning for reguleringen. I denne boka omtaler vi kun mengdestyring hvor det nyttes magnetventiler kombinert med elektronikk som styrer åpningstiden. Dette utstyret kaller vi i fortsettelsen for en reguleringsenhet. Den dekker behovet for alle varme- og kjølesystemer i ventilasjon, radiatorvarme, gulvvarme, takvarme, kjøletak og lignende. Vi skal se nærmere på de enkelte systemene, hvordan de konstrueres og utføres. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 6 Copyright COVA AS
2 Innjusteringsfrie varme- og kuldeanlegg Når en skal konstruere og utføre et vannbårent energisystem, så er det viktig å tenke på, helt fra de første skisser / idéutkast, at systemet skal ha så lite energiforbruk som mulig. Husk at anleggets sannsynlige livstid er 30 40 år. Er anlegget da konstruert med energimessige svakheter, så slår dette ut på energiregnskapet, år etter år. Men utførelsen er minst like viktig. I et vannbårent energisystem er det mange komponenter som skal samsvare for å få den optimale funksjonen som rør, ventiler, varmeforbruker osv. Feil valgte komponenter i en del av systemet kan slå uheldig ut for andre deler i systemet. Dersom vi for eksempel velger for små rørdimensjoner, små ventiler osv., så medfører dette økt rørtrykkfall som i neste omgang medfører høyere pumpetrykk som deretter kan føre til lyd i termostatventiler osv. I alle sammenhenger er det ønskelig å holde pumpetrykket så lavt som mulig, både utifra energimessige hensyn, økt pumpetrykk = økt energi, men også utifra at økt pumpetrykk fordrer enda mer utstyr i anlegget, som for eksempel trykkdifferanse-regulatorer som igjen øker energiforbruket og investeringskostnaden. Skal vi gjøre inngrep i et vannbasert energisystem må vi altså tenke helhetlig, ellers kan det bli som en ballong. Presser vi inn ett sted (sparte rørkostnader) sveller ballongen bare ut ett annet sted. Det teoretiske optimale energimessige væskesystemet hadde vært at væsken strømmet gjennom rørnettet av egen kraft (uten energitilførsel). Da hadde vi bare hatt ett gjenstående problem å løse. Hvordan kan vi sikre oss at væskefordelingen blir riktig, at alle forbrukerne får nok vann til enhver tid? 2.1 Det tradisjonelle anlegget Den mest vanlige måten å regulere vannbårne energisystemer har hittil vært med såkalt temperaturregulering, hvor væskemengden mer eller mindre forsøkes holdes konstant. I slike systemer må hver rørforgreining innreguleres med egne ventiler for å få anlegget i hydraulisk ballanse, som medfører ekstra arbeid og økte kostnader. Når en nytter mengdestyring, kan en ikke gjøre dette på samme måten. I mengdestyrte systemer holdes temperaturen konstant, og så reguleres væskemengden i stedet. Innreguleringsventiler begrenser væskemengden, og kan ikke benyttes, da mengden varierer hele tiden. I slike mengdestyrte anlegg benyttes gjerne trykkdifferanse-regulatorer, også med økte kostnader og ekstra arbeid. Dagens tradisjonelle anlegg er altså basert på ekstra utstyr for innregulering av den enkelte kursen, med økt energiforbruk, mer arbeid og større kostnad som resultat. Kan dette unngås? 2.2 Regulering I denne boka viser vi bare innjusteringsfrie systemer. Det grunnleggende prinsippet i alle systemene er at den enkelte kursen skal via reguleringen selv sørge for seg. Det er altså reguleringen i seg selv som sørger for, til enhver tid, at det er riktig vannmengde i kursen, og ikke utenforstående utstyr slik som tradisjonell løsning. Denne tankegangen er helt vesentlig derfor skal vi komme mer inn på dette i flere sammenhenger utover i boka. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 7 Copyright COVA AS
3 Systemoppbygging Fig. 3.1 viser et typisk mengdestyrt system som er oppdelt i ett hovedfordelingsnett og flere forbrukernett. Når det nyttes ren mengdestyring slik som her, så kan sekundærkursene være de samme som hver kurs i forbrukernettet. Se senere avsnitt: 9 varme- og kjølebatterier. Vi ser at hele systemet forsynes av en hovedpumpe i hovedfordelingsnettet. I dette viste eksempelet har vi også en fjernkurs med egen pumpe som leverer til fjerntliggende forbrukernett hvor også der kan være en eller flere sekundærkretser. Vi skal i det følgende se nærmere på konstruksjonen av et typisk distribusjonsnett med mengdestyring. FORBRUKERNETT = SEKUNDÆRKURSER Varmebatterier Fjernkurs Radiatorer sone I Radiatorer sone II HOVED- FORDELINGS- NETT Gulvvarme I Gulvvarme II Forshunting KJEL Fig. 3.1 Reguleringsenhet Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 8 Copyright COVA AS
3.1 Lukket reguleringssløyfe Når en regulerer ett varmebatteri, radiatorer, gulvvarme osv. med ren mengdestyring, så har den enkelte sekundærkretsen alltid en lukket reguleringssløyfe. Se fig. 3.2. Føler registrerer temperaturen, som via regulator R styrer reguleringsventilen SV som endrer vannmengden til forbruker, som endrer lufttemperaturen, som føler igjen registrerer. Dermed er sløyfen lukket. Føler sørger med andre ord, via det øvrige utstyret, for at riktig temperatur holdes i romlufta. Temperaturen reguleres, mens SV styres derfor betegnelsen: mengdestyring. R Varmebatteri R Reguleringsenhet SV Føler Radiatorer R Gulvvarme Varmtvann Forbruker Romluft SV Føler R LUKKET REGULERINGSSLØYFE Fig. 3.2 En reguleringssløyfe som vist her, vil alltid sørge for seg, uten å tenke på det øvrige utstyret i distribusjonsnettet. Reguleringsenheten SV arbeider hele tiden for å tilfredsstille det innkommende signalet fra føler, og mater inn nødvendige væskemengde i kretsen. Hver reguleringsenhet sørger altså, til enhver tid, for riktig væskemengde i kursen. Derfor trenger ikke et mengdestyrt system bli innregulert til hydraulisk balanse, slik et distribusjonssystem for konstante vannmengder alltid må. Les mer om dette i avsnitt: 4.9 Innreguleringsventiler skal ikke brukes. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 9 Copyright COVA AS
3.2 Rørnettet Nå har vi sett at hver reguleringsenhet sørger for seg, og tar den til enhver tid nødvendige vannmengden fra nettet. Vi må bare sørge for at vannmengden som trengs hele tiden er tilgjengelig. Det sørger vi for gjennom hovedfordelingsnettet. Hovedregelen i mengdestyringen er at turtemperaturen på vannet skal holdes konstant og mengden variere. Men det er ingen ting i veien for at turtemperaturen også kan varieres. Husk at lukket reguleringssløyfte sørger hele tiden for riktig energitilførsel. Varmeproduksjonen (kjel, varmepumpe) tilknyttet hovedfordelingsnettet kan godt arbeide med ulike temperaturnivåer, hvor varmepumpen sørger for laveste oppvarming, opptil for eksempel 55 C og ved behov hever kjelen turtemperaturen ytterligere til dimensjonerende anleggstemperatur, for eksempel 70 C. Hovedfordelingsnettet skal dimensjoneres med lavest mulig rørtrykkfall, dog med hensyn til rørkostnad og pumpekostnad (også driftskostnad). Det er tre viktige grunner for det. For det første skal hovednettet sørge for nok vannmengde til den lengst borte liggende forbruker, når alle de øvrige forbrukere samtidig også har full vannmengde. Med lite rørtrykkfall i hovedfordelingsnettet er tilgangen like god over hele nettet. For det andre så oppnås stabile forhold mellom de enkelte kurser, og en får en enkel og varig innregulering mellom kursene. Når det så nyttes mengdestyrt hovedpumpe i hovedfordelingsnettet, så kan trykkføleren være plassert inni pumpehuset, som er vanlig, uten at dette får noen betydning for trykkreguleringen, og derav forholdene for sekundærkursene. Bruk dimensjonerende rørmotstand i hovedfordelingsnettet mindre enn 100 Pa/m. Forbrukernettet kan dimensjoneres for høyere trykk. Her kan en utelukkende tenke på forholdet mellom energiforbruk og rørsystemkostnaden. Høyt trykkfall gir små rørdimensjoner og billigere rørsystem men pumputgiftene øker. En må ha i minnet at et rørsystem ofte er i funksjon 30 40 år, slik at stort trykkfall kan utgjøre merkbare energikostnader over tid. Bruk dimensjonerende rørtrykkfall i forbrukernettet mindre enn 200 Pa/m. 3.3 Plassering av reguleringsenheten En skal være klar over at når det nyttes mengdestyring, så kan reguleringsenheten plasseres hvor som helst i rørnettet, på tur- eller returrøret, i motsetning til temperaturstyrt system. Dette åpner for helt andre muligheter når det gjelder plasseringen. Se senere avsnitt: 4.12 Plasser reguleringsenheten hvor det best passer. Når det gjelder varmebatteri som skal frostsikres så må varmtvannet være tilgjengelig øyeblikkelig i tilfelle frostfare. Iblant anordnes det en bløder mellom tur- og returrør før ventilen som sikrer tilgjengelig varmtvann. Da må ventilen stå i varmebatteriets nærhet. 3.4 Bruk færrest mulig pumper og reguleringsenheter Alt reguleringsutstyr koster penger, og medfører drift- og vedlikeholdskostnader senere. Ta derfor utgangspunkt i å seksjonere anlegget med færrest mulig sekundærkretser. For Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 10 Copyright COVA AS
varmebatterier må hvert enkelt batteri ha sin egen sekundærkrets. For radiatorvarme kan flere radiatorer slås sammen til en kurs, soneinndeling, for eksempel en sone øst, en vest, en for 1.etasje, 2.etasje osv. alt etter hvordan det er naturlig å dele inn det enkelte bygget. Gulvvarmekursen må først forshuntes, om vanntemperaturen er 70 eller 80 C. Deretter kan det nyttes en reguleringsenhet for den enkelte gulvvarmesonen, som kan gjelde ett enkelt eller flere rom, eller en hel bolig. Ved lavtemperaturanlegg sløyfes forshuntingen. Det nyttes færrest mulig pumper, dvs. en hovedpumpe i hovedfordelingsnettet, en pumpe i fjernkursen for å kompensere for tilleggstrykktapet i dette rørnettet, og en pumpe til forshuntingen av gulvvarmen. Alle pumper bør være trykkstyrt, dette for energibesparing. 3.5 Ta ut store ventiler og spar energi Det tradisjonelle anlegget med temperaturregulering og motorventiler, setter store kunnskapskrav til dimensjonering av styreventilen, noe som kun få behersker godt nok. Resultatet er feil vannmengde og energioverføring, og at styreventilen ikke fungerer. Når det nyttes mengdestyring med reguleringsenheter som beskrevet i denne boka, er ikke dette lenger noe problem. Reguleringsenheten SV regulere ned til minste elektroniske åpningstid 0,1 sek, som er langt under hva ventilen fysisk klarer å åpne og stenge igjen (avhengig av ventilstørrelsen). Med andre ord, væsken får ikke satt seg i bevegelse før ventilen stenger igjen. Vi kan altså snakke om dråperegulering i det vanskelige reguleringsområdet, 0-5%, som tradisjonelt fører til store endringer av effekten ved små endringer av motorventilens stilling, og ustabilt system som resultat. En står nå altså helt fritt til å ta ut ventilstørrelse, men husk: stor ventil har mindre trykkfall enn en liten ventil, og gir økt energibesparelse. En enkel og grei huskeregel er: ta ut ventilstørrelse etter rørdimensjonen. Se trykkfallsdiagram for aktuelle ventiler. Vanligvis ligger da trykkfallet over ventil på mindre enn 3-5 kpa. 3.6 Nyttige formler / omregningsfaktorer Det henvises til annen litteratur med tekniske regnetabeller, formelsamlinger og lignende hjelpemidler som trengs under dimensjonering, beregninger osv. Det har vært ett overordnet mål at denne boka skulle være en mest mulig praktisk lærebok, derfor er ikke dette medtatt. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 11 Copyright COVA AS
4 Effektregulering 4.1 Systemet Det vises til fig. 4.1. Vi ser at det ikke er noen forbindelse mellom turrør og returrør. Hele væsken strømmer gjennom varmeelementet som i dette tilfellet er et varmebatteri for ventilasjon. Reguleringsenheten blir styrt fra en regulator med føler i luftstrømmen. Dermed fremkommer en lukket reguleringssløyfe; føler regulator reguleringsenhet varmeelement føler. Dersom temperaturen endres oppfanger føleren dette, som via regulatoren endrer reguleringsenhetens åpningstid som igjen fører til at temperaturen opprettholdes. Selve reguleringsenheten kan plasseres hvor som helst i rørnettet, på tur- eller returrør, langt ifra eller nærme varmeelementet, der det best passer. Det er bare i de tilfeller at reguleringsenheten er utstyrt med fast følerlengde (eventuell frostsikringsføler) at enheten må stå nærme varmeelementet (batteriet). Reguleringsenheten arbeider uavhengig av ventilautoritet, derfor kan det velges store ventiler for å spare energi. En enkel og grei regel er å følge rørdimensjonen, eller eventuelt ett hakk under. Dermed sikres lave transportkostnader i rørnettet. Fig. 4.1 4.2 Måten å regulere på Det finnes to prinsipielt forskjellige måter å regulere på. Begge går ut på å tidsregulere vannmengden, se fig. 4.2. Den første metoden går ut på å inndele tiden i faste perioder, for eksempel 30 sek., og så innenfor denne tiden endre ventilens åpningstid alt etter varme-/kjølebehovet. Denne metoden kaller vi for variabel åpningstid. Den andre metoden måten går ut på å beholde en fast åpningstid for ventilen, for eksempel 15 sek., og så endre tiden ventilen skal være stengt. Denne metoden kaller vi for fast åpningstid. I dette tilfellet er altså perioden variabel. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 12 Copyright COVA AS
Begge metodene brukes alt etter anvendelsesområdet. Typiske eksempler er varme- /kjølebatteri i ventilasjonsanlegg hvor det nyttes variabel åpningstid, og radiatorer /gulvvarme hvor det nyttes fast åpningstid. Mer om dette senere. (1) (1) (1) (1) Åpen Variabel åpningstid (1) Stengt Fast periode Fast åpningstid (2) (2) (2) (2) Åpen Stengt Variabel periode Fig. 4.2 Når ventilen skal åpne eller lukke, så har ventilen en mekanisk masse som skal settes i bevegelse. Derfor får vi en viss tid ventilen trenger for å åpne (fra stengt til åpen stilling). Når ventilen er stengt er væsken i røret stillestående (ingen strømning). Da kan ventilen åpne hurtig. Når ventilen er åpen, strømmer det full væskemengde gjennom røret. Om ventilen skulle lukke med samme hastighet som den åpner, ville vi få trykkstøt, såkalt hammerslag i rørnettet. Derfor er lukketiden betydelig lenger, se fig. 4.3. Åpen Stengt Åpne tid Lukke tid Fig. 4.3 Begge disse metodene, variabel åpningstid eller fast åpningstid, har to viktige forutsetninger for å kunne funksjonerer. I begge tilfeller blir varmen / kulden avlevert i doser til varme- / kuldeforbruker. Det betyr at forbruker må ha en viss masse for å kunne ta imot energien, nettopp slik vi har i batterier, radiatorer, kjølebaffler osv. i vannbårne systemer. Den andre forutsetningen, minst like viktig, er at vi har kontroll med temperatursvingningene. Når vi tidsregulerer vannmengden som vist, så resulterer dette i temperatursvingninger i forbruker. Disse svingningene må holdes innenfor visse grenser, slik at de ikke får noen betydning i oppholdssonen. Lange åpningstider resulterer i store svingninger, korte resulterer i små svingninger. Med andre ord, så må svingningene være tilpasset den enkelte Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 13 Copyright COVA AS
anleggstypen; radiatorer, gulvvarme, ventilasjon osv., som hver har sine særegenheter. Følgen er at reguleringsenhetene ikke kan byttes om, for eksempel bruke en i ventilasjon som er tenkt for gulv, eller vis a versa. Hver reguleringsenhet lages for sitt gitte bruksområde. Nå drar en gjerne den slutningen at det gjelder å få svingningene så små som mulig. Men det betyr at ventilen skal åpne og lukke oftere. Det er heller ikke ønskelig (økt slitasje). Derfor skal temperatursvingningene være så store som mulig, men uten at de får noen betydning i oppholdssonen. Det gjelder å utnytte hele den dempende massen som alt finnes i systemet - fra ventilen og like frem til oppholdsonen. For ventilasjon har vi demping i batteriet i aggregathuset i kanalen i innblåsningsventilen og i romlufta. I slike anlegg med varmebatteri viser forsøk at den faste perioden for temperatursvingningene sin del ofte kan være 1 min. og mer uten å få betydning i romlufta, men for å ha god sikkerhetsmargin, bør perioden begrenses til halvdelen. 4.3 Varmeelement med jevn varmefordeling Det har stor betydning at en radiator, ett gulv osv. har jevn varmeavgivelse, at for eksempel gulvet har jevn temperatur over hele gulvflaten. Tilsvarende gjelder for en radiator. Tradisjonelt har dette blitt løst med å nytte en egen sirkulasjonspumpe i kretsen som sørger for jevn varmefordeling i kretsen. Men dette er ikke lenger nødvendig med denne nye reguleringsstrategien. Det løses på en enklere måte. For gulvvarme og radiatorvarme skjer reguleringen med fast åpningstid, se fig. 4.2. Ventilen står altså åpen en fast tid, tilsvarende den tiden det tar å gjennomspyle hele gulvet, eller hele radiatoren. Åpningstiden er vidt forskjellig for disse systemene, men metoden er den samme. La oss se nærmere på hva som skjer i en radiator med denne reguleringsmåten. Se fig. 4.4. A (2) B (1) Fig. 4.4 For radiatorer skjer varmeavgivelsen dels som stråling (1) ca. 20 40 %, og dels som konveksjon (2), ca. 60 80 %. Konveksjon er luft som er satt i bevegelse på grunn av at den er varmet opp og blitt lettere enn omgivelselufta, og dermed stiger til værs. Kald luft strømmer til fra bunnen. For radiatorer gjelder det å utnytte begge disse effektene, stråling og konveksjon, maksimalt for å få en god varmeavgivelse. Når ventilen åpner, strømmer vannet inn i radiatoren med full hastighet inntil vannet har gjennomstrømmet hele radiatoren. Da stenger ventilen. Den faste åpningstiden skal altså være minst tilsvarende den tiden det tar å gjennomspyle hele radiatoren. Stengetiden varierer alt etter varmebehovet. Ved stort varmebehov er stengetiden kort og ved lite varmebehov er Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 14 Copyright COVA AS
stengetiden lang. På denne måten oppnås ganske jevn temperatur langs radiatorflaten, i hele radiatorens bredde A. Langs høyden B stiger temperaturen noe, nedentil og oppover. Dette kommer av konveksjonen, det at luft strømmer oppover langs radiatoren og kjøler den ned, mest nedentil. Men likevel, temperaturforskjellene er små, noe som betyr at hele radiatorflaten utnyttes til varmeoverføringen under alle temperaturtilstander. Med denne enkle reguleringsmåten har vi fått ett reguleringssystem for radiatorer som utnytter stråling og konveksjon optimalt. Ved å anvende stor vannavkjøling (stor radiator) får vi et system som er velegnet for stor vannavkjøling og som med riktig dimensjonering av resten av anlegget gir: Det Innjusteringsfrie Radiatorsystemet se senere i boka. 4.4 Sammenhengen mellom mengde og ytelse Varme- /kjøleelement i vannbårne systemer kan være batteri i ventilasjon, radiatorer i varmeanlegg, kjølebaffler i kjøleanlegg osv. Felles for alle disse er at varme- /kuldeavgivelsen er ulinjær, dvs. om vi reduserer vannmengden til 50 % så vil ikke effektavgivelsen bli redusert til 50 %. Fig. 4.5 viser sammenhengen mellom mengde og ytelse for en radiator, som er ganske typisk for slike systemer. Vi ser at kurven (vanntemperatur 80 C), er svært steil for liten vannmengde, og flater kraftig ut for de større vannmengdene. Effekt (w) 1000 500 Fig. 4.5 50 Mengde (l/h) 100 Dersom vi har en vannmengde på 100 l/h gjennom radiatoren og reduserer den til 50 % (50 l/h) så reduseres ytelsen fra ca. 1000 W til 900 W, altså kun 10 % ytelsereduksjon. Eller har vi 50 l/h og skal redusere ytelsen til 50 % (fra 900 W til 450 W) så må vi redusere vannmengden med mer enn 80 %. Kurven er altså svært ulinjær. Dette må det tas hensyn til inni reguleringsenheten. Når det sendes inn ett linjært reguleringssignal for eksempel 0-10 Vdc, så må kurven omregnes til de åpningstidene som gir tilsvarende linjær effektavgivelse. Med andre ord, når innsignalet er linjært så skal effektavgivelsen være tilsvarende linjær, for eksempel 8 Vdc innsignal gir 80% effektavgivelse, 6 Vdc gir 60% effektavgivelse osv. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 15 Copyright COVA AS
I et vannbårent system er det svært viktig at en ikke tar ut for små varme- /kjøleelementer. Da blir det lite eller ingenting å regulere på ved maksimal belastning. Typisk i dag, så dimensjoneres en radiator for 50 l/h som gir 900 W effektavgivelse ved dimensjonerende utetemperatur (DUT), og med vann av 80 C. Fra dette punktet på kurven og nedover er radiatorens arbeidsområde, se fig. 4.5. 4.5 Returtemperatur Når distribusjonssystemet tilkobles fjernvarmenettet så forlanger fjernvarmeleverandør at returtemperaturen blir lavest mulig. Det er ønskelig at det hentes ut mest mulig av den tilførte energimengden, å kjøre energi i omløp i systemet er kostbart og har ingen mening. I et mengdestyrt system øker temperaturdifferansen mellom tur- og returtemperatur med avtagende belastning, se fig. 4.6. Det vil si at returtemperaturen faller automatisk når belastningen minker. Dette er svært ønskelig da et mengdestyrt system arbeider med reduserte vannmengder mesteparten av året. 90 C Turtemperatur Returtemperatur 50 C Fig. 4.6 0,5 q / q maks 1,0 Selv om det er et krav fra fjernvarmeleverandøren at det hentes ut mest mulig energi fra systemet så er dette fornuftig også i alle andre sammenhenger. Det reduserer transportkostnaden. I et temperaturregulert system avtar derimot temperaturdifferansen mellom tur- og retur ved avtagende belastning. Det vil si at returtemperaturen da øker. Dette er svært lite ønskelig. For å endre på dette må en utekompensere turtemperaturen (senke turtemperaturen) ved avtagende belastning. Med dette oppnår en fallende returtemperatur når belastningen minker. Med andre ord så er en i temperaturregulerte systemer helt avhengig av å utekompensere turtemperaturen, noe som betyr mer utstyr i anlegget. Derfor er blant annet et mengdestyrt anlegg et temperaturregulert anlegg helt overlegent. Varmeflatens størrelse i varmeforbruker bestemmer vannavkjølingen og dermed returtemperaturens nivå. Det betyr at det alltid er gunstig med store varmeflater i forbruker for å få lavest mulig returtemperatur. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 16 Copyright COVA AS
4.6 Pumpe og systemkarakteristikk Pumpekarakteristikken, som er bestemt av konstruksjon og størrelse av pumpen, viser sammenhengen mellom trykkøkning i pumpen og vannstrømmen gjennom den. Anleggskarakteristikken viser sammenhengen mellom vannstrømmen og den totale motstanden i systemet forårsaket av rørtrykkfall, trykkfall i ventiler, varmeelement etc. Se fig. 4.7. Se for øvrig avsnitt: 4.13 og kapittel: 5. Dersom pumpen går med redusert turtall så vil pumpekarakteristikken flytte seg fra kurve 1 til kurve 2. Skjæringspunktet mellom de to kurvene gir det virkelige driftspunktet A eller B. For en pumpe med konstant turtall (uten styring) vil driftspunktet flytte seg etter pumpekarakteristikken, mens for en trykkstyrt pumpe vil driftspunktet flytte seg etter anleggskarakteristikken, fra A til B og videre nedover. Linje C viser kurven for en proporsjonal trykkstyrt pumpe. p Pumpekarakteristikk C 2 1 B A q Fig. 4.7 Anleggskarakteristikk Pumpekarakteristikken viser at en pumpe uten styring er uegnet i et sentralvarmesystem. Ved stor vannmengde (q) er trykkhøyden ( p) lav, og ved små vannmengder er den høy, altså omvendt av det vi ønsker. Trykkhøyden brukes til å kompensere for friksjonstap som skyldes vannets strømning i systemet. Friksjon oppstår i rør, ventiler osv. Når vannets hastighet minker, reduseres friksjonen som den trykkhøyden det kreves for å overvinne denne friksjon. Dette er motsatt av pumpekarakteristikken, hvor trykkhøyden økes i takt med at mengden minkes, hvilket i praksis betyr, at en stor del av pumpens energitilførsel går tapt i systemet. Men det er også viktig at ikke trykket stiger når væskemengden minker. Det skal vi blant annet se på senere, se kapittel: 10 Det innjusteringsfrie radiatorsystemet. Derfor sirkulasjonspumpa skal ha proporsjonal trykkstyring, dvs. at den følger kurve C. Det betyr også at det kun tilføres den mengde energi til pumpa systemet har bruk for, til enhver tid. Det er velkjent at pumpe med konstant turtall kan skape problemer i et radiatoranlegg. Dersom en av radiatorene stenger, eksempelvis på grunn av sol på fasaden, øker motstanden i anlegget. Trykktap i rør og ventiler har avtatt mens drivtrykket for de radiatorene som fremdeles er åpne har økt. Disse radiatorene får mer vann enn før og i mange tilfeller kan økningen være så stor at en får lyd fra ventilene. Mengdestyrt pumpe der kapasiteten var tilpasset behovet hadde avhjulpet problemet. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 17 Copyright COVA AS
Dersom en likevel velger pumpe uten styring, for eksempel ut fra prismessige hensyn, så må en huske på at pumpen skal ha flat pumpekarakteristikk (stabilt trykk). Ofte står en overfor eksisterende anlegg som skal bygges om. Da oppstår problemet: Skal en nytte den eksisterende pumpa, eller må den også skiftes ut? En nærmere vurdering av pumpens karakteristikk og ytelse kan da være lønnsomt. 4.7 Trykkforløp i rør Sett ut ifra et energimessig synspunkt så er det ønskelig å ha lavest mulig trykkfall i rørnettet. Høyt trykkfall gir på annen side små rørdimensjoner og et billigere rørsystem, men pumpeutgiftene øker. Vanlig dimensjonerende rørmotstand er 100 200 Pa/m. Det kan diskuteres hva som er rimelig trykktap, men det hersker ingen tvil om at høye trykkfall skaper nye problemer i systemet. Dette skal vi se nærmere på. Mengde 100% 50% 3kPa Store rør 1kPa 2,5kPa Trykk 9kPa Små rør 1kPa 7kPa Rørlengde Fig. 4.8 Trykkfallet langs en ledning fremstilles ofte som vist i fig. 4.8. Her ser vi en kurs med 5 radiatorer, og trykkfallet langs rørstrekket med store, alternativt små rør. Utgangspunktet er at den lengst borteliggende radiatoren skal ha et differansetrykk på 1 kpa. For store rør er rørtrykkfallet 2 kpa, slik at differansetrykket ved pumpen må være 3 kpa. For små rør er rørtrykkfallet 8 kpa, slik at i det tilfellet blir differansetrykket ved pumpen 9 kpa. Vi skal så se på hva som skjer om vi endrer vannmengden i disse to rørsystemene til for eksempel 50 %. For store rør får vi følgende forhold: En reduksjon til 50 % av mengden betyr at rørtrykkfallet blir bare 25 % av opprinnelig (husk: dobbel mengde fire ganger større trykk). 25 % av 2 kpa = 0,5 kpa. Differansetrykkfallet over radiator 5 øker således til 2,5 kpa (3-0,5 kpa), som resulterer i at vannmengden gjennom radiator 5 øker med 58 % om ikke ventilstillingen endres. For små rør resulterer en reduksjon med 50 % av vannmengden, 25 % av 8 kpa = 2 kpa trykkreduksjon i rørnettet. Differansetrykkfallet over radiator 5 øker således i dette tilfellet til 7 kpa (9-2 kpa), som resulterer i at vannmengden gjennom radiatoren øker med hele 164 %. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 18 Copyright COVA AS
En ser at påvirkningen øker med rørtrykkfallet som er forårsaket av rørdimensjonen. Ved små rør blir skjevfordelingen av vannmengden størst, når vannmengden reduseres. Dette betyr at system med små rør kommer lettest utav balanse, med resultat at det oppstår problemer/klager på for kalde og iblant for varme rom. Store rør har også den fordelen, foruten at påvirkningen blir redusert, at pumpekostnaden også er redusert, da det blir et lavere trykkfall i rørnettet. Konsekvensen er at en fortrinnsvis skal velge store rør i systemet. Bruk dimensjonerende rørmotstand i forbrukernettet mindre enn 150 Pa/m. 4.8 Laveste differansetrykk Det varme-/kjøleelementet som bestemmer laveste differansetrykk er vanligvis lengst borte fra pumpen. Noen systemer blir konstruert for laveste differansetrykk av 2 kpa, mens andre bruker 10 kpa. 9kPa Lavt differansetrykk 1kPa 4kPa Trykk 18kPa Høyt differansetrykk 10kPa 13kPa Rørlengde Fig. 4.9 Fig. 4.9 viser to radiatorkurser som er nøyaktig like: den eneste forskjellen er at laveste differansetrykk er 1 kpa for den ene og 10 kpa for den andre. Den heltrukne linjen viser rørtrykkfallet ved full vannmengde, som er den samme i begge tilfeller. Når noen av radiatorventilene lukker, blir vannmengden gjennom kursen redusert, som også reduserer rørtrykkfallet i kursen. Det nye rørtrykkfallet er vist ved stiplet linje i figuren. Differansetrykket over radiator 5 øker da med 3 kpa. I det første tilfellet med lavt differansetrykk, øker differansetrykket over radiator 5 fra 1 kpa til 4 kpa. Dette tilsvarer 100 % økning av vannmengden gjennom radiator 5, såfremt ventilstillingen ikke endres. I det andre tilfellet med høyt differansetrykk øker også differansetrykket over radiator 5 med 3 kpa. Imidlertid, siden dette opprinnelig var 10 kpa, så blir relativ økning bare 30 % mot 300 % som i forrige tilfelle. Dette betyr at vannmengden gjennom radiatoren i siste tilfelle øker bare med 14 %. Nå skulle en gjerne tro at det høyeste differansetrykket er det gunstigste siden påvirkningen blir minst når vannmengden endres, men så er ikke tilfelle. Det høyere differansetrykket er Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 19 Copyright COVA AS
energitap i form av høyere trykktap gjennom ventilene, som følgelig gir høyere transportkostnad i systemet. Det finnes ingen grunner for å arbeide med høyt differansetrykk. Når det nyttes motorventiler og en dermed er avhengig av ventilautoriteten, så er denne et argument for å bruke høyt differansetrykk i systemet, og så foreta en balansert innregulering (noe å innregulere på). I dag er det fullt mulig å konstruerer det innjusteringsfrie radiatorsystemet les mer om dette senere. Følgen blir at systemet bør konstrueres for lavest mulig differansetrykk. Ett annet viktig forhold med lavest mulig differansetrykk er at trykkføler for pumpestyringen like gunstig kan stå i pumpehuset (enklest og billigst). 4.9 Innreguleringsventiler skal ikke brukes Ved mengderstyring så varierer vannmengden hele tiden etter energibehovet. Dersom det nyttes 2-veis motorventiler i et mengdestyrt system så kan ikke innreguleringsventiler brukes. De vil kun fungere som tiltenkt ved nominell vannmengde, mens de ved liten vannmengde forverrer forholdet dramatisk for motorventilen. Husk at for mesteparten av tiden så er vannmengden betydelig mindre en det anlegget er dimensjonert for (nominell vannmengde), dvs. at innreguleringsventiler i et mengdestyrt anlegg vil forverre reguleringsforholdene i mesteparten av tiden. Derfor er disse ikke tilrådelige å bruke. Når magnetventiler brukes, så vil en innreguleringsventil kun føre til et uønsket trykktap (energitap) i kretsen, uten innvirkning på reguleringen. Dette skyldes at magnetventilen hele tiden arbeider med full vannmengde, enten av eller på. Unngå bruk av innreguleringsventiler, og spar energi og investeringskostnad sørg bare for nok væske til den ventilen og kretsen som har størst trykkfall. De øvrige ventiler er dermed garantert nok vannmengde. Bruk av innreguleringsventiler for hver reguleringskurs er: - helt unødvendig - medfører investeringskostnader - medfører innreguleringsarbeid - medfører energitap så lenge anlegget er i drift (mange år) Vær klar over at system med mengdestyring som beskrevet i denne boka er selvregulerende. Anlegget trenger ikke innjusteres til hydraulisk balanse slik det alltid må for system med konstante vannmengder. I det øyeblikket et mengdestyrt system startes opp, vil væsken strømme i de forgreningene som har minst trykkfall, og kanskje går det for lite væske til forgreninger med høyt trykkfall. Dette betyr at forgreninger med lite trykkfall får alt for stor væskemengde dvs. for stor energitilførsel som igjen betyr for høy temperatur (varmeanlegg). Regulatoren for denne kursen regulerer straks ned væskemengden, som resulterer i at væskemengden øker tilsvarende til de øvrige kursene. Vi snakker altså om et eventuelt oppstartingsproblem som i praksis ikke eksisterer da det uansett er av kortvarig natur. Paul Tengesdal, Terje Kåre Apeland Side 20 Copyright COVA AS