Želite izboljšati udobnost bivanja in hkrati znižati stroške energije?

TERMOSTATSKI VENTILI

in HIDRAVLIČNO URAVNOVEŠANJE

Savo Jovanović, univ.dipl.inž.stroj. oktober 2002

- 2 -

Zahteve moderne družbe Moderna družba v kateri živimo, se spopada s perečim ekološkim vprašanjem, kako obvarovati okolje? Eden glavnih odgovorov se glasi, potrebna je učinkovita in smotrna raba energije. Prav vsak posameznik se sreča s problemom ogrevanja ter klimatizacije in prav vsakemu je omogočeno, da na tem področju stori nekaj za obvarovanje narave ter hkrati zmanjša stroške namenjene ogrevanju oz. klimatizaciji. Dom, nam vsem predstavlja temeljno življenjsko vrednoto in najbolj pomembno je, da se v svojem domu počutimo prijetno. Ogrevanje mora zadostiti človekovi potrebi po željeni temperaturi, ki si jo sam izbere in se tudi ob raznih motečih dejavnikih ne spreminja. Oboje, tako vzdrževanje željene temperature v prostoru, kakor znižanje stroška energije lahko dosežemo z vgradnjo radiatorskih termostatskih ventilov in s hidravličnim uravnovešanjem. Namen prispevka Prispevek predstavlja poskus, na poljuden način prikazati problematiko hidravličnega uravnovešanja, z namenom, seznaniti z njo tudi tiste bralce, ki se s hidravliko toplovodnega ogrevanja ne ukvarjajo poklicno. Utemeljena je potreba po hidravličnem uravnovešanju, s čimer je zagotovljeno, da vsako ogrevalo dobi ustrezem pretok. To pa je pogoj za pravilno in gospodarno obratovanje ogrevalnega sistema. Podčrtano je razhajanje med teorijo in prakso, posebej še neustrezno reševanje s povečanjem obtočne črpalke. Posebna pozornost gre dvocevnim sistemom s termostatskimi ventili, ki delujejo v pogojih spremenljivega pretoka in so navedeni potrebni ukrepi za njihovo pravilno delovanje. Uvod Hidravlično uravnovešanje ni nova tema, temveč je tako stara, kot sami sistemi toplovodnega ogrevanja. Z razvojem ogrevanja se je vzporedno razvijalo tudi uravnovešanje. Na žalost, ta ugotovitev velja bolj za teorijo kot za prakso. Včasih je zaradi pomanjkanja ustrezne opreme ta naloga bila res težavna. Vendar je tudi danes, ko so možnosti neprimerno boljše, "mačehovski odnos" do uravnovešanja prej pravilo kot izjema. Kaj je hidravlično uravnovešanje in zakaj je potrebno? Pri določanju površine ogreval izhajamo iz toplotnih potreb (moči) in zahtevane temperature v prostoru. Znani sta tudi temperatura dotoka in povratka grelne vode oziroma njen temperaturni padec. Tako je opredeljena srednja temperatura ogrevala in pretok grelne vode. Nazadnje, za izbrani tip ogrevala, iz tabel proizvajalcev določimo še njegovo površino. Praviloma so vsi drugi vhodni podatki bolj ali manj točni, razen pretoka. Nosilec toplotne energije v sistemu je grelna voda in če je njen pretok nezadosten, ne moremo pričakovati zadovoljivega ogrevanja. Kaj se dogaja v ogrevalu, kjer je pretok nezadosten? Kot smo že omenili, smo določili površino ogrevala za projektne vhodne podatke, vključno s pretokom. Če sedaj v ogrevalo dovajamo manjši pretok kot je projektiran, se bo voda v njem bolj ohladila. Temperatura povratka bo nižja in tako tudi srednja temperatura ogrevala. To pomeni, da je ogrevalo hladnejše kot je predvideno. Pri tem se sicer med ogrevalom in prostorom vzpostavi toplotno ravnovesje, vendar pri nižji temperaturi prostora kot je projektirana. Posledica je torej nezadostno ogrevanje prostora. Pri ogrevalih, kjer je pretok prevelik, je slika obratna. Iz prakse vemo, da ti primeri nikogar ne jezijo in da niso predmet pritožb ali reklamacij, kot v slučajih primanjkljaja pretoka. Problem hidravlično neuravnovešenih sistemov oziroma neustreznih pretokov v posameznih ogrevalih do neke mere omili tako imenovana "dobrohotnost" naših ogreval. Odvisnost toplotne oddaje temperature v prostoru pretoka namreč ni linearna, temveč gre po krivulji, ki je v začetku dokaj strma in pri koncu vedno bolj položna. Na primer pri 100% pretoku je temperatura v prostoru 20°C, pri 75% pretoku 18,8°C, pri 50% pretoku 16,7°C, pri 150% pretoku 21,4°C in pri 200% pretoku 22°C. Zaradi tega ni visokih zahtev glede natančnosti pri nastavitvi pretoka.

- 3 -

Okvirna vrednost dopustne tolerance je ± 10%. Kljub dejstvu, da je prednostna naloga zagotoviti ustrezen pretok pri zadnjih ogrevalih, ki so najbolj prizadeta, ne smemo pozabiti na pregrevanje bližjih prostorv, kjer je v ogrevalih pribitek pretoka. Vsaka stopinja prostorske temperature nad 20°C pomeni dodatno zvišanje stroškov za ogrevanje. To je npr. za srednjo Evropo do 8%m za južno pa do 12%. Torej, samo hidravlično uravnovešen sistem nudi ustrezno ugodje v ogrevanih prostorih in normalne obratovalne stroške. Hidravlično uravnovešanje predstavlja ukrepe, ki zagotavljajo ustrezno razdelitev pretoka grelne vode skozi ogrevala ali veje sistema. Te ukrepe mora najprej projektant predvideti, izvajalec pa uresničiti. Razhajanja med teorijo in prakso Vsiljuje se logično vprašanje: kako je sploh mogoče, da se ena sestavna faza določenih del lahko tako "mačehovsko" obravnava? Glavni vzrok je v miselnosti, ki pa ima korenine v praksi iz preteklosti. Uporaba obtočne črpalke za centralno ogrevanje je pomenila ogromen napredek v primerjavi z gravitacijskimi sistemi. Velikost objektov ni več predstavljaja težav, dimenzije cevi so se bistveno zmanjšale in svoboda pri polaganju cevovoda povečala. Z velikostjo objektov je naraščala dolžina in število ogreval oz. pokončnih vodov, ki so priključeni na posamezne veje omrežja. To pa je prineslo nove probleme pri uravnovešanju. Obtok vode v ogrevalnem sistemu povzroča obtočna črpalka tako, da med dotokom in povratkom ustvarja tlačno razliko. Ta tlačna razlika je največja na začetku in najmanjša na koncu omrežja. Čim daljša je veja, večje je odstopanje tlačne razlike. Potrebna tlačna razlika za posamezno ogrevalo pa je odvisna od njegove velikosti oziroma pretoka grelne vode, ne glede na lego v omrežju. Nujno je torej poskbeti, da ima vsako ogrevalo na razpolago tisto tlačno razliko, ki ustreza njegovemu pretoku. Odvečno tlačno razliko moramo odpraviti oz. dušiti. Za dušenje uporabljamo različne možnosti npr. cevi manjših dimenzij na določenih odsekih, dušilne zaslonke, posebne nastavitvene ventile in zapirala s prednastavitvijo. Pri hidravličnem uravnovešanju praviloma dušimo višek tlačne razlike na vseh pokončnih vodih. Enako velja za ogrevala na posameznih pokončnih vodih. V preteklosti, ko še ni bilo na razpolago ustreznih armatur za ta namen, je bilo hidravlično uravnovešanje dokaj zahtevno, včasih pa celo komaj uresničljiva naloga. Zaradi tega so jo pogostokrat projektanti in izvajalci enostavno opuščali. To opuščanje pa se je največkrat sprevrglo v "bumerang", v obliki reklamacij zaradi prenizkih temperatur v zadnjih prostorih. Reševanje teh reklamacij poteka praviloma v časovni stiski med obratovanjem ogrevanja. Posegi, ki bi zahtevali daljšo prekinitev obratovanja so nesprejemeljivi. Zato je postala zamenjava obtočne črpalke z večjo močjo običajna rešitev. Črpalka je povečana toliko, da so tudi ogrevala v zadnjih prostorih dobila bolj ali manj zadovoljiv pretok. Končno merilo uspešnosti takšnega posega so temperature v zadnjih prostorih, prvi signal pa je že temperatura povratka prizadetih ogreval. S povečanjem obtočne črpalke smo povečali pretok v celotnem sistemu, tlačna razlika pa je narasla s kvadratom števila povečanja pretoka, ki je sedaj večji. Posledica je ogrevanje bližnjih prostorov in višja poraba električne energije za obratovanje črpalke. Eno in drugo nepotrebno dviguje obratovalne stroške in je v nasprotju z učinkovito rabo energije. To je praviloma ostalo zamolčano, pomembno je bilo le, da nikogar ne zebe. Očitno je, da s povečanjem obtočne črpalke problem hidravličnega uravnovešanja ni korektno rešen, temveč je le "zakrpan". Danes je takšno reševanje toliko manj sprejemljivo, ker so na razpolago vse možnosti za pravilno rešitev problema, kot na primer; kvalitetna armatura za ogrevala, pokončne vode in veje, računalniško projektiranje, merilni instrumenti za tlačno razliko in pretok, metode za hidravlično uravnovešanje, itd. klub temu, v nemški strokovni literaturi zasledimo podatke, ki so milo povedano "presenetljivo nepričakovani". Npr. 95 % ogrevalnih naprav je hidravlično neuravnovešenih! Obtočne črpalke so glede na pretok predimenzionirane 2 do 4-krat! Pri tem je prav omeniti, da potrebno moč za obratovanje črpalke narašča s tretjo potenco števila povečanja pretoka.

- 4 -

Malo verjetno je, da je v ostalih evropskih državah (izjeme so lahko skandinavske države in Švica) ali pri nas kaj drugače. Omenjena podatka za Nemčijo sta manj pričakovana, ker nemški DIN, ki predpisuje pogoje za izvajanje gradbenih del in vsebuje tudi centralno ogrevanje, izrecno določa hidravlično uravnovešanje. Uvodoma navedena trditev o "mačehovskem" odnosu do tega problema je torej dokaj utemeljena. Osnova tega odnosa je predvsem miselnost: zakaj uravnovešati sistem, če gre tudi brez tega? Pri tem je seveda izpuščen drugi del vprašanja: kakšne so posledice in kdo jih bo plačal? Pokazatelji, ki kažejo, da je sistem neuravnovešen:

povečana poraba energije premajhna instalirana moč za srednjo ali visoko obremenitev nekateri deli zgradbe so pregreti, medtem ko so drugi prehladni predolg potreben čas za doseganje projektirane temperature, če je sistem izključen

preko noči moteči šumi in piskanje na radiatorskih termostatskih ventilih

Nekatere posebnosti sistema s termostatskimi ventili Termostatski ventili so danes v sistemih ogrevanja praktično nezamenljivi iz več razlogov:

z njihovo vgradnjo dosežemo velik prihranek energije (tudi do 20%), s čimer se strošek v njihovo investicijo povrne že v letu dni

z njimi dosežemo večjo udobnost bivanja v prostorih zmanjšuje nepotrebno oddajanje toplote ogreval in s tem porabe goriva, kar posredno

zmanjšuje tudi oddajanje škodljivih emisij v ozračje in tako pripomore k varovanju okolja

Termostatski ventil ni nobena novost, saj je poznan že od druge svetovne vojne. Drugače pa je z njegovo uporabo. Šele ukrepi za učinkovito rabo energije so pripeljali do množične rabe teh ventilov. Energetski prihranek pri sistemih s termostatskimi ventili je po nemških podatkih 20 do 30%. Naloga termostatskih ventilov je regulacija temperature v posameznih prostorih. Pri tem reagirajo na toplotne vire, ki jih centralna regulacija ne more zaznati ali jih zazna le delno. To so predvsem ljudje, razsvetljava, druge električne napeljave, kuha in sončno sevanje. Kadar se v določenem prostoru pojavi kakšen od teh virov ali več njih istočasno, v takšnem obsegu, da pride do zvišanja prostorske temperature, začne delovati termostatski ventil. Termostatska glava zazna porast temperature tako, da ta povzroči raztezek sredstva, ki je v njej in začne pripirati (dušiti) pretok ogrevalne vode skozi ogrevalo. Manjši pretok zmanjša toplotno oddajo ogrevala, pri tem pa se temperatura v prostoru uravnava v mejah natančnosti termostatskega ventila. V dvocevnih sistemih ogrevanja s termostatskimi ventili se pretok zaradi dušenja stalno spreminja. To je bistvena razlika v primerjavi z enakimi sistemi z ročnimi ventili, kjer je pretok praktično stalen. Pri enocevnih sistemih, tudi če so opremljeni s termostatskimi ventili, ni pomembnih sprememb pretoka. Hidravlično uravnovešanje je za sisteme s stalnim pretokom bistveno enostavnejše, ker je potrebno le za doseganje nazivnega pretoka. Temu lahko rečemo uravnovešanje v eni točki ali pogojno statično uravnovešanje. Sistemi s spremenljivim pretokom narekujejo zahtevnejše dinamično uravnovešanje, za celotno področje sprememb pretoka. Poleg tega, pri teh sistemih potrebujemo še nekatere posebne ukrepe. Zaradi pripiranja ali zapiranja termostatskih ventilov na posameznih ogrevalih, pretok v sistemu pada, tlačna razlika pa narašča. Skrajnost je, ko je pretok nič, tlačna razlika pa največja, ki jo lahko ustvari obtočna črpalka. Zmanjšanje pretoka spremlja zmanjšanje tlačnega padca v cevovodih ali drugih stalnih hidravličnih uporih (fazonski kosi, armature itn).

- 5 -

Izjema so le termostatski ventili, kjer tlačni padec narašča. Čim bolj so ventili priprti, toliko več tlačne razlike se porabi v njih in manj v ostalih delih sistema. Pri močnem dušenju glavni vpliv na pretočno tlačne razmere v sistemu prevzamejo termostatski ventili. Ob tem nastopi problem previsoke tlačne razlike v njih samih. Če je ta razlika večja kot 20 do 30 kPa (odvisno od izdelka), nastopijo moteči šumi in piskanje v radiatorskih ventilih. Učinkovito in gospodarno obratovanje teh sistemov narekuje drugačen pristop, kakor pri projektiranju tako pri izvedbi, ne le uravnovešenja, temveč nasploh. Izbira termostatskih ventilov Niti od najboljših izdelkov ne moremo pričakovati ustreznih rezultatov, če niso pravilno izbrani in če celotni sistem ogrevanja ni prilagojen njihovem delovanju. Normalno bi bilo, da je to rešeno v projektu, vendar temu ni vedno tako. Termostatski ventil je namreč regulator prostorske temperature in zelo pomembna je njegova tako imenovana avtoriteta. To je razmerje tlačnega padca v samem ventilu proti tlačnemu padcu celotne pripadajoče veje. Ta vrednost se giblje v mejah od 0,3 do 0,7. Pretežno so v rabi termostatski ventili brez pomožne energije, ki v svoji zasnovi vsebujejo določeno temperaturno odstopanje, t.i. proporcionalni odklon. Vrednost tega odklona je v praksi 1 do 3 K (stopinj Kelvina). To so sicer podatki, ki so predvsem namenjeni projektantom, vendar jih tukaj navajamo le informativno. Npr. pri zamenjavah ročnih radiatorskih ventilov s termostatskimi ni merodajna le dimenzija priključka, saj imajo posamezni modeli enake karakteristike za več dimenzij. Termostatski ventili so največkrat opremljeni s prednastavitvijo s katero pridušimo odvečno tlačno razliko in tako zagotovimo ustrezne nazivne pretoke skozi posamezna ogrevala. To je dejansko sestavni del hidravličnega uravnovešanja sistema. Regulirana obtočna črpalka Z avtomatsko regulacijo števila vrtljajev obtočne črpalke dosežemo prilagajanje spremembam pretočno – tlačnih razmer, ki jih povzroča delovanje termostatskih ventilov. Pri tej regulaciji največkrat izhajamo iz tlačne razlike, druge možnosti so manj v rabi. Sprememba števila vrtljajev črpalke se izvaja s pomočjo spremembe frekvence, ki se prilagaja glede na signale iz regulatorja tlačne razlike. Frekvenčno regulirane črpalke so danes na tržišču običajen izdelek, praviloma je vsa dodatna oprema za regulacijo prigrajena k vsaki črpalki. Pravilno izbrana obtočna črpalka ima relativno majhno moč, vendar je zaradi dolgega obratovalnega časa dokaj pomemben porabnik električne energije. Pri reguliranih črpalkah dosegamo občutne energijske prihranke, saj pretežno obratujejo pri nižjih vrtljajih. Potrebna moč črpalke se namreč spreminja s tretjo potenco razmerja števila vrtljajev. Pri dvocevnih sistemih s termostatskimi ventili je regulirana črpalka vedno potreben, pri manjših objektih (npr. stanovanjske hiše) pa tudi zadosten pogoj. Za večje objekte, posebno kjer je ogrevalni sistem coniran po fasadah, to ne zadošča več. Potrebni so še dodatni ukrepi ki jih navajamo v nadaljevanju. Regulatorji tlačne razlike na pokončnih vodih Pri sistemih s stalnim pretokom (npr. ročni radiatorski ventili) potrebujemo posebne nastavitvene ventile za pokončne vode in veje, s katerimi pridušimo odvečno tlačno razliko oziroma jih hidravlično uravnovesimo. Za sisteme s termostatskimi ventili, kjer se pretok lahko zelo pomembno zmanjša, ta rešitev ni več spremenljiva. To so namreč stalni hidravlični upori, pri tem pa se tlačni padec spreminja s kvadratom števila spremembe pretoka. Tako pri občutnem zmanjšanju pretoka njihov vpliv postane nepomemben. Pri izbiri termostatskih ventilov smo že omenili, da tlačna razlika na termostatski ventil ne sme presegati 20 do 30 kPa. Nastavitveni ventili s stalnim uporom tega ne morejo zagotoviti. Zaradi tega potrebujemo še samodejne regulatorje tlačne razlike na pokončnih vodih, ki vzdržujejo nastavljene vrednosti ustrezno termostatskim ventilom. Pri največjih sistemih je v rabi tudi kombinacija obeh, kjer nastavitveni ventili prevzamejo vlogo omejevalnikov pretoka navzgor regulatorji tlačne razlike pa zagotavljajo pogoje za pravilno delovanje termostatskih

- 6 -

ventilov. S temi armaturami so istočasno omogočene še dodatne funkcije na pokončnih vodih, zapiranje, izpraznitev, meritve tlačne razlike in pretok. Ostali ukrepi V nekaterih primerih npr. pri coniranih sistemih po fasadah je možno, da vsi termostatski ventili zaprejo (južna fasada), tako da je pretok nič. Obratovanje črpalke pri pretoku nič je nedopustno. Zagotoviti je potrebno 10 % pretoka. Za rešitev tega problema se nam ponuja nekaj možnosti. Pretočni ventili, ki pri nastavljeni tlačni razliki poveže dotočni in povratni vod in zagotovi minimalni pretok. Nameščen je lahko pri obtočni črpalki ali še bolje na koncu omrežja. Tripotni termostatski ventili na zadnjih ogrevalih, kjer se pri pripiranju ali zapiranju ogrevala odpira kratka vez med dotokom in povratkom in tako izključi možnost pretoka nič. Enak učinek lahko dosežemo tudi s priključitvijo na vejo južne cone nekaj pokončnih vodov, kjer ne pričakujemo dodatnih toplotnih virov (npr. sanitarije). Sklepne misli Pravilno in gospodarno delovanje toplotnih sistemov ogrevanja je, ne glede ali delujejo s stalnim ali s spremenljivim pretokom pogosto tudi s hidravličnim uravnovešanjem pri tem gre za vrsto pomembnih ukrepov, ki so odvisni od zasnove in velikosti sistema, zato ne morejo biti prepuščeni dobri volji projektanta ali izvajalca, temveč je to njuna obveznost. V praksi se srečujemo tudi z mnenjem nekaterih strokovnjakov, da pri sistemih s termostatskimi ventili uravnovešanje ni nujno, saj se z delovanjem le-teh sistem samodejno uravnovesi. To je sicer res, vendar manjka en bistven podatek. Kdaj se to zgodi? Ob vsakodnevnih zagonih, po nočnih prekinitvah ali centralnem znižanju temperature grelne vode, neuravnovešen sistem ne deluje pravilno, ker imajo bližnja ogrevala pribitek oddaljena pa primankljaj pretoka. Posledica je časovni zamik doseganja potrebnih temperatur v odaljenih prostorih, kjer bodo ogrevala segreta na ustrezno temperaturo šele takrat, ko termostatski ventili v bližnjih prostorih priprejo pretok. Taka prizadetost odaljenih prostorov je nespremenjljiva, zato je hidravlično uravnovešanje centralnega ogrevanja nujno potrebno. Uparaba termostatskih ventilov in hidravlično uravnovešanje z vidika predpisov Tudi Slovenija se zavzema za učinkovito rabo energije, zato je v Pravilniku o toplotni zaščiti in učinkoviti rabi energije v stavbah člen, ki se glasi: "Ogrevala, ki posamezni prostor oskrbujejo s potrebno toploto, morajo imeti vgrajene termostatske ventile, če je uporabna površina prostora večja od 6 m2. Slovenija v procesu vključevanja v Evropsko skupnost prevzema smernice tudi na področju ogrevanja. Vprašanje časa je, kdaj bomo sprejeli pravilnik o hidravlični uravnovešenosti objektov, ki je že vrsto let sestavni del nemškega pravilnika o ogrevanju VOB/C DIN 18380. Določilo VOB se glasi: Hidravlično uravnovešenje je potrebno izvesti tako, da pri predvidenem načinu obratovanja, npr. ob zagonih, po nočnih znižanjih ali prekinitvah vsi porabniki dobijo predviden pretok. Slovenski Pravilnik o prezračevanju in klimatizaciji stavb pa že vsebuje sledeči člen: "Izvajalec vgradnje prezračevalnega sistema mora le-tega pred preskusom hidravlično uravnovesiti in nastaviti skladno s podatki iz projektne dokumentacije..."