Динамическая балансировка гидравлической схемы: Гидравлическая балансировка отопительных систем

Гидравлическая балансировка отопительных систем

Опубликовано: 11 декабря 2019 г.

4409

Гидравлическая балансировка системы отопления решает две основные задачи: 1 – обеспечение комфортного обогрева во всех отапливаемых помещениях; 2 – снижение энергозатрат, благодаря эффективному использованию энергоресурсов. Кроме того, правильно выполненная балансировка системы отопления способствует работе котла в оптимальном режиме, продлевая его безаварийную эксплуатацию, и предупреждает возникновение шумов в отопительных приборах.

Суть гидравлической балансировки заключается в перераспределении рабочей среды по всем замкнутым участкам системы отопления так, чтобы через каждый отопительный прибор проходил расчетный объем теплоносителя. В результате правильно выполненной балансировки насосное оборудование, обеспечивающее циркуляцию теплоносителя в контурах отопления, начинает потреблять минимум электричества, а тепловая энергия расходуется рационально.

Гидравлическая балансировка необходима для отладки работы как централизованных систем отопления многоквартирных многоэтажных домов, так и автономных систем отопления загородных домов – везде, где применяются системы водяного отопления.

То же самое касается и использованных при организации систем отопления схем – однотрубная, двухтрубная или коллекторная (двухтрубная с лучевой разводкой) – все они нуждаются в гидравлической балансировке, которая гарантирует долговечную работу труб, арматуры, отопительного котла и всего комплекса приборов в системе.

Для эффективной регулировки работы отопительных систем, должны быть выполнены следующие условия: расчетный расход теплоносителя должен соблюдаться для всех отопительных приборов, в том числе и для расположенных на самом отдаленном участке (ветви) системы; перепад давления – иметь минимальный разброс по значениям; вся система должна быть гидравлически согласована как единое целое, а не только ее отдельные зоны.

Гидравлическая балансировка системы отопления или холодоснабжения производится с помощью применения запорно-регулирующей арматуры, а также измерительной аппаратуры – электронных расходомеров.

Запорно-регулирующая арматура

Разновидностью запорной арматуры, используемой для гидравлической балансировки в системах отопления, является балансировочный клапан (рис. 1, 2), который регулирует гидравлическое сопротивление изменением диаметра сечения трубы. Конструкция клапана предусматривает два ниппеля для измерения давления, температуры, перепада расхода теплоносителя.

Рис. 1. Балансировочный клапан

В системах отопления обычно используются балансировочные клапаны с ручным управлением (механические, статические) и автоматические (динамические) балансировочные клапаны. А также дифференциальные клапаны контроля давления (DPCV). Статические балансировочные клапаны имеют конструкцию, позволяющую регулировать (изменять) и поддерживать расход в заданных расчетных значениях при запуске системы. Динамические балансировочные клапаны предназначены для поддержания постоянного расхода независимо от перепада давления, поскольку условия системы могут меняться. Клапаны дифференциального давления поддерживают перепад давлений подающей и обратной магистралей динамически постоянным между конкретными точками циркуляционного контура.

Рис. 2 Балансировочный клапан – схема

Механические балансировочные клапаны предназначены для плавного и точного регулирования расхода. Значение расхода устанавливают маховиком управления в соответствии с настроечной шкалой на клапане. Все клапаны оснащены механизмом фиксации предварительной настройки. Это означает, что после предварительной настройки позиционирование маховика может быть ограничено таким образом, что можно отключить клапан, для технического обслуживания, но открытие можно осуществить до положения предварительной настройки. Такие краны предназначены для работы в системе с постоянным давлением теплоносителя. При помощи механического клапана можно не только менять сечение трубопровода до требуемого, но и отсоединить отдельный отопительный прибор из сети, слить с него теплоноситель через кран. Механический балансировочный клапан может быть снабжен ниппелями для измерения давления в системе с обеих сторон от регулятора и фактического расхода транспортируемой среды, но выпускаются статические балансиры и без ниппелей (рис.

3).

Рис. 3 Механический балансировочный клапан

Автоматический балансировочный клапан (рис 4) позволяет оперативно изменять рабочие параметры автономной отопительной сети в соответствии с перепадами давления и потреблением нагретого теплоносителя. На каждый трубопровод автоматические балансировочные клапаны устанавливаются парой.  Автоматический балансир и запорный клапан на подающем трубопроводе ставит ограничение на расход теплоносителя в соответствии с расчетными требованиями. На обратную трубу устанавливается клапан, препятствующий резким перепадам давления. Это дает возможность разделить отопительную систему на отдельные участки, которые могут функционировать независимо друг от друга. Выравнивание давления и регулировка подачи теплоносителя осуществляются в автоматическом режиме.

Рис. 4. Автоматический балансировочный клапан

Автоматические клапаны ограничивают расход до заданного значения при изменении скорости насоса или закрытии другой регулирующей арматуры в системе. Эти клапаны часто называют PICV (Pressure Independent Control Valves) – независимые от давления клапаны. Расход можно регулировать двумя способами: вручную, посредством предварительной настройки картриджа и автоматически через пропорциональный привод в соответствие с изменяющимися условиями в системе.

Дифференциальные клапаны контроля давления (DPCV) предназначены для регулирования дифференциального давления и поддержания его на постоянном заданном уровне, независимо от граничных условий, в диапазоне между минимальным и максимальным расходами (рис. 5). Например, дифференциальное давление балансировочных клапанов Giacomini R206C можно плавно регулировать в диапазонах настройки от 5 до 30 кПа в режиме «L» (низкий) или от 25 до 60 кПа в режиме «H» (высокий) переключением селектора. Эта особенность гарантирует большую гибкость во время запуска и во время последующих изменений в гидравлической системе.

Рис. 5. Дифференциальный клапан контроля давления

В типовом гидравлическом циркуляционном контуре управление осуществляют двумя клапанами: механическим балансировочным клапаном и регулятором перепада давления.

Статический балансировочный клапан устанавливают на контуре подачи, настраивают на проектный расход и подключают к регулятору дифференциального давления, который устанавливают на обратном контуре (рис. 6). Подключение между этими клапанами осуществляют медной трубкой, входящей в состав дифференциального клапана. Такая конфигурация позволяет регулятору дифференциального давления поддерживать перепад давления в заданном диапазоне расчетных значений в пределах балансируемого контура.

Рис. 6. Механический балансировочный клапан и регулятор перепада давления на прямой и обратной линии системы отопления

Области применения динамического управление дифференциальным давлением можно обозначить следующим образом:

– регулирование перепада давления в контурах с пропорциональными приводами (как правило, радиаторными клапанами с термостатическими головками) – это конфигурация, в которой регулирование предназначен для защиты каждого контура от избыточного давления, поступающего из смежных контуров

– регулирование перепада давления в контурах с отключаемыми приводами (как правило, в системах панельного отопления или с фанкойлами), где индивидуальный поток в каждом контуре контролируется косвенным образом. После ввода в эксплуатацию и предварительной настройки клапана дифференциального давления со всеми открытыми контурами, клапан будет поддерживать дифференциальное давление коллектора, когда некоторые контуры будут закрыты. Поскольку дифференциальное давление и гидравлическое сопротивление для открытого контура не изменяется, его расход останется неизменным

Варианты балансировки

Метод предварительной настройки клапанов основан на балансировке в соответствии с гидравлическим расчетом при проектировании системы до монтажа. Циркуляционные кольца увязываются настройкой регулирующих клапанов и терморегулятора. Настройку определяют по пропускной способности Kv. Однако в этом случае невозможен учет отклонений от проекта при монтаже, к тому же принимается, что коэффициенты местных сопротивлений постоянны во всем диапазоне регулирования и не оказывают взаимовлияния.

При пропорциональном методе, основанном на закономерностях отклонения потоков в параллельных участках системы при регулировании одного из них, принимается, что в разветвленных системах регулирование одного из клапанов внутри модуля не влечет пропорционального изменения параметров в остальных его клапанах. Модулем системы может быть совокупность стояков либо ветвей, регулируемых общим клапаном. На каждом стояке либо ветви должен также быть регулирующий элемент. Вся система делится на иерархические модули с общими регулирующими клапанами. Совокупность модулей низших уровней составляет модуль высшего уровня. Балансировку начинают внутри первых, переходя по иерархии модулей, увязывая их между собой и приближаясь к главному регулирующему клапану всей системы.

Критериями оптимизации служат: достижение наиболее низкого допустимого давления в системе и наиболее высоких внешних авторитетов (авторитет – отношение потерь давления в регулирующем сечении полностью открытого клапана к потерям давления на регулируемом участке системы, безразмерный параметр, характеризующий отклонение от идеальной расходной характеристики) клапанов.

В обоих случаях наилучшим вариантом являются минимальные потери давления в основном циркуляционном кольце системы. Для этого потери давления в регулирующем клапане также должны быть минимальными. Их принимают, исходя из точности приборов измерения перепада давления, как правило, выше 3 кПа. В регулирующих клапанах с расходомерной шайбой – не ниже 1 кПа.

Наличие большого количества регулирующих клапанов (на каждом иерархическом уровне) приводит к уменьшению авторитетов терморегуляторов и, следовательно, отдаляет проектировщика от создания системы с идеальным регулированием. Кроме того, приходится выбирать насос с увеличенным напором, что приводит к нерациональным потерям энергии.

Пропорциональный метод балансировки применяют для разветвленных систем, имеющих сложную конфигурацию модулей, а также предусматривающих дальнейшее расширение и поэтапный ввод в эксплуатацию. Основной недостаток метода, который требует наличия измерительного прибора и затрат времени для проведения наладки каждого клапана, – многократные измерения при итерационном приближении к заданному результату.

Компенсационный метод балансировки проводится в один этап, но требует двух измерительных приборов и трех наладчиков. Основное его преимущество – отсутствие многократных измерений. Время экономится также за счет балансировки отдельных ответвлений системы при монтаже остальной ее части, при функционировании контура насоса. При этом методе регулирующий (эталонный) клапан основного циркуляционного кольца устанавливают на определенный перепад давления (обычно 3 кПа). Первый наладчик следит за тем, чтобы он поддерживался. Второй – компенсирует возникающие отклонения за счет регулировки клапана-партнера до достижения на эталонном клапане изначально заданного перепада. Третий наладчик регулирует клапаны последовательно, приближаясь к клапану-партнеру. Компенсационный метод используется в системах с ручными регулирующими клапанами.

Автоматическая балансировка

Ускорить и облегчить процесс балансировки систем отопления поможет использование интеллектуальных приборы (рис. 7) для настройки балансировочных клапанов, например, Smart Balancing (Швеция).  В электронной памяти прибора помимо обновляемого программного обеспечения содержатся данные о необходимой для проведения регулировки характеристике Kv (коэффициент пропускной способности) продукции различных компаний. Управление прибором осуществляется при помощи ручного терминала или мобильного телефона с функцией bluetooth (операционная система Windows Mobile). Устройство само выполняет подключение и информирует об этом индикатором. Соединение с входом/выходом регулируемого балансировочного клапана осуществляется при помощи стандартных разъемов и гибких шлангов.

Рис. 7.  Настройка балансировочного клапана с применением компьютерной технологии

Упомянутый прибор рассчитан на работу в системах отопления с максимальным давлением до 25 бар, перепадом давления до 10 бар и температурой теплоносителя до 120 ˚С.

Ещё одно простое решение предлагает компания Grundfos – циркуляционный насос с функцией балансировки, например, ALPHA2 или ALPHA3 (рис. 8) со встроенной технологией Go Balance. С ним монтажник выполнит гидравлическую балансировку системы отопления в доме площадью 200 м2 всего за 2 часа. Для этого нужно установить на смартфон бесплатное приложение Grundfos GO Balance, соединиться с насосом по Bluetooth и следовать инструкциям программы.

Рис. 8 Циркуляционный насос ALPHA3 со встроенной технологией Go Balance смонтированный в системе отопления

Коллекторная балансировка

Для распределения теплоносителя к конечным потребителям (радиаторы, контуры теплого пола) применяют коллекторные узлы, состоящие из двух коллекторов (рис. 9) – подающего и обратного, на которых предусмотрены регулирующие клапаны (рис 10 а, б).

Рис. 9.  Коллектор для подключения теплого пола

Рис. 10. Настройка расходов (балансировка) контуров коллектора: а – с отсечными клапанами; б –   с отсечными клапанами с расходомерами (б)

Предварительная установка требуемых расходов (балансировка) на распределительных коллекторах необходима для обеспечения подачи расчетного количества теплоносителя для каждого контура. Ее выполняют с помощью отсечных (настроечных) клапанов или клапанов с расходомерами.

Для коллекторов со статическими отсечными клапанами настройка занимает много времени, если расчет предварительной настройки не был сделан заранее. Однако, чтобы определить предварительную настройку отсечных клапанов необходимо получить всю информацию о системе. Использование расходомеров на коллекторе также требует значительного времени, так как изменение положения отсечного клапана одного контура изменяет расходы в других. В любом случае балансировка является статической, то есть когда отдельные контуры будут отключены, количество воды в соседних изменится, что приведет к избытку в этих контурах.

Автоматическая гидравлическая балансировка с динамическим управлением расхода позволяет избежать этого переполнения и обеспечить оптимальное распределение температуры, сэкономит энергию и повысит комфорт.

Коллекторы с динамическим управлением расходом теплоносителя поддерживают и ограничивают индивидуальный расход в подключенных контурах посредством картриджа, установленного на каждом выходе обратного коллектора. Достаточно выполнить предварительную настройку требуемого расхода, и картридж обеспечивает его в диапазоне дифференциального давления, когда другие контуры на коллекторе открываются или закрываются. Кроме того, расход отдельного контура можно проконтролировать на расходомерах, которые установлены в подающем коллекторе. Гидравлическая балансировка достигается за одну операцию.

Рис. 11 Комбинированная система отопления на базе наносмесительного узла

         Комбинирование высокотемпературного (радиаторного) контура отопления и низкотемпературного, например, теплый пол требует дополнительной гидравлической увязки, так как у каждого из контуров (рис. 11) предусмотрен собственный циркуляционный насос и значительно различаются значения гидравлических потерь. Например, для насосносмесительного узла с коллектором серии R557R-2 (Giacomini) для гидравлической балансировки (рис. 12) предусмотрены два клапана (поз. 5 – 6 на рисунке). Один клапан регулирует подачу высокотемпературного теплоносителя в контур подмеса, второй, установленный на перепускном байпасе, регулирует расход возвращаемого теплоносителя из низкотемпературного контура теплого пола. Регулирование контуров теплого пола и радиаторов производят отсечными клапанами коллекторов.

Рис. 12 Наносмесительный узел: 1 – металлический шкаф, 2 -подача высокотемпературного контура, 3 – обратка высокотемпературного контура, 4 – трехходовой клапан подмеса с термостатической головкой, 5 – первичный балансировочный клапан, 6 – вторичный балансировочный клапан, 7 – корпус датчика предохранительного термостата, 8 – запорный клапан насоса, 9 – ручной воздухоотводчик, 10 – насос, 11 – сливной кран, 12 – термометры, 13 – подающий коллектор низкотемпературного контура, 14 – обратный коллектор низкотемпературного контура, 15, 16 – направляющие для крепления, 17 – предохранительный термостат, 18 – корпус датчика термостатической головки.

Статья из журнала “Аква-Терм”  № 6/2019, рубрика “Отопление и ГВС”

Статьи, Журнал “Аква-Терм”

Поделиться:

вернуться назад

Мультизональные системы кондиционирования для зданий в кварталах исторической застройки
Применение высокоэффективных котлов ELCO в проектах реконструкции
Предложения Дерипаски – уход от реформы или развитие розничной когенерации на базе инновационных решений?
Биохимическое потребление кислорода, как критерий чистоты воды

Гидравлическая балансировка систем отопления и кондиционирования воздуха на базе арматуры фирмы Frese

При проектировании современных систем обеспечения микроклимата ставятся две основные задачи:

1. Cоздание комфортных параметров внутреннего микроклимата помещений и обеспечение гидравлической устойчивости системы. С этой задачей успешно справляются традиционные системы с постоянным расходом. Постоянный гидравлический режим работы такой системы обеспечивает ее гидравлическую устойчивость и позволяет рассматривать работу системы лишь при ее номинальных параметрах.
    
2. Cокращение потребления энергоресурсов за счет снижения расходов и сопротивления трубопроводной сети, увеличения ∆Т. Для решения второй задачи, необходимо перейти от систем с постоянным расходом к системам с переменным расходом. Однако переменный расход тепло-/холодоносителя неизбежно вызывает колебания дифференциального давления в трубопроводной сети, что значительно усложняет ее регулирование и обеспечение гидравлической устойчивости. Именно автоматическая (в частности, динамическая) балансировка позволяет одновременно решить обе поставленные задачи.

Динамические балансировочные клапаны позволяют:

• обеспечить гидравлическую устойчивость системы в условиях колебания дифференциального давления в трубопроводной сети;
• создать необходимые условия для корректной регулировки тепловым потоком теплообменных аппаратов;
• оптимизировать процесс проектирования системы и повысить точность расчетов;
• существенно упростить процесс монтажа и пуско-наладочных работ и дальнейшей оптимизации системы;

1.

Гидравлическая устойчивость системы

В условиях изменяющихся гидравлических параметров системы ручные (статические) балансировочные клапаны не способны обеспечить требуемое распределение потоков, что приводит к разбалансировке системы. Ручной балансировочный клапан представляет собой дроссель с изменяемой пропускной способностью, гидравлическое сопротивление которого настроено на номинальный режим работы системы.

Как видно из рис.1 (красная кривая), рост перепада давления на клапане приводит к увеличению расхода через него. В тоже время динамический балансировочный клапан (синяя кривая) ограничивает максимальный расход до номинальной расчетной величины в пределах рабочего перепада давления (от ∆Pmin до ∆Pmax). Тем самым устраняются перерасходы и обеспечивается гидравлическая устойчивость системы даже в условиях колебания дифференциального давления.

2.Корректная регулировка теплового потока теплообменных аппаратов

Необходимым условием для оптимального управления теплообменными аппаратами является стабилизация перепада давления на регулирующих клапанах с целью сохранения расходной характеристики близкой к идеальной. Наилучшее решение – установка регуляторов перепада давления на каждом клапане, но его сложно реализовать как технически, так и экономически.

Регулирующие клапаны с равнопроцентной (логарифмической) расходной характеристикой (зависимость изменения относительного расхода через клапан от изменения относительного хода штока клапана при постоянном перепаде давления на нем) применяются для регулировки теплоотдачи скоростных теплообменных аппаратов с низким перепадом температур теплоносителя. Регуляторы с линейной расходной характеристикой используются при работе с теплообменными аппаратами с высокими перепадами температур (рис.2).

В целях обеспечения оптимального управления теплообменными аппаратами регулятор с логарифмической расходной характеристикой должен быть подобран таким образом, чтобы падение давления на полностью открытом затворе клапана составляло значительную часть от перепада давления на полностью закрытом клапане. Чем выше это соотношение, тем меньше искажение реальной расходной характеристики клапана по сравнению с идеальной. Отношение потерь давления на полностью открытом затворе клапана (p1) к потерям давления на регулируемом участке (p1 + p2) на рис.4 обозначено как авторитет регулирующего клапана (а). Принимается, что его минимальная величина должна быть больше 0.3.
При снижении авторитета регулирующего клапана его расходная характеристика отклоняется от идеальной, приближаясь к линейной, что снижает возможность плавного регулирования. На рис.3 показано, как падение авторитета регулирующего клапана искажает его расходную характеристику. На практике существуют две основные проблемы, возникающие при подборе регуляторов для систем с раздельной установкой балансировочных клапанов, регуляторов перепада давления и регулирующих клапанов.

Проблема №1. Подбор регулятора при малых расходах и больших потерях давления

Как показано на рис. 4, величина p2 включает в себя потери давления на всем циркуляционном кольце: в трубопроводе, в теплообменном аппарате, на местных сопротивлениях и на балансировочном клапане. Если рассматриваемый контур расположен в начале протяженной ветви, то для обеспечения расчетного значения расхода в ее наиболее удаленных частях, на балансировочном клапане должен гаситься значительный перепад давления. Как следствие, становиться весьма сложно при малых расходах подобрать регулирующий клапан с нужным сопротивлением, чтобы обеспечить рекомендуемый авторитет 0,3.

Проблема №2. Искажение расходной характеристики регулирующих клапанов при колебаниях дифференциального давления в трубопроводной сети

Даже если клапаны подобраны с достаточно хорошим авторитетом, в условиях изменяющихся гидравлических параметров системы расходная характеристика регулирующих клапанов отклоняется от идеальной. Закрытие регуляторов вызывает рост дифференциального давления до величины, поддерживаемой на ближайшем регуляторе перепада давления (величина pc на рис.4). Рост давления вызовет увеличение расхода в каждом из циркуляционных колец в противодействие закрытию регуляторов. Даже если теоретически клапаны были подобраны корректно, с высоким значением авторитета, зачастую при частичных нагрузках они будут работать в on/off режиме.

Динамические балансировочные клапаны, в частности комбинированные балансировочные клапаны (за рубежом они известны как PICV – регулирующие клапаны, независимые от давления») устраняют обе эти проблемы, объединяя в одном клапане функции балансировочного клапана, регулятора перепада давления и регулирующего клапана плавного действия. На рис.5 представлены все три клапана по отдельности на примере регулятора Frese OPTIMA.

 

Решение проблемы №1

На рис.5 видно, что регулятор перепада давления клапана OPTIMA поддерживает на встроенном регулирующем и балансировочном клапанах постоянный минимальный перепад давлений. Таким образом, величина p2 минимальна, так как больше не включает в себя потери давления в теплообменном аппарате, трубопроводе, фитингах и на местных сопротивлениях. Более того, так как встроенный регулятор перепада давления гасит любое избыточное давление в контуре, нет надобности дросселировать поток балансировочным клапаном для обеспечения требуемого расхода в остальных частях системы. Поскольку величина p2 почти равна 0, авторитет клапана всегда равен 1.

Решение проблемы №2

На рис.5 видно, что перепад, поддерживаемый встроенным регулятором перепада давления, фактически равен падению давления на регулируемом участке, т.е. pс = p1. Таким образом, перепад давления на штоке встроенного регулирующего клапана не меняется, благодаря чему расходная характеристика клапана остается постоянной.

Конструкция клапана OPTIMA

На рис.6 изображен клапан Frese OPTIMA в разрезе в полностью закрытом и полностью открытом положениях. Клапан состоит из двух основных частей. В верхней части корпуса расположены компоненты регулирующего и балансировочного клапанов. В нижней части – регулятор перепада давления.

Ограничитель расхода

Поток, попадая в клапан, проходит через специальные отверстия прямоугольного сечения. Количество и величина этих отверстий (и как следствие сопротивление клапана) может изменяться, за счет чего осуществляется функция балансировочного клапана. Настроечная шкала в верхней части клапана обеспечивает настройку расчетного расхода. Вращением рукоятки мы меняем площадь входного сечения. На рис.6 показано, как будет выглядеть входное сечение клапана при максимальной и минимальной настройке. Маркировка шкалы начинается с величины 0,2 (минимальный расход) и заканчивается величиной 4,0 (максимальный расход). Для каждого типоразмера клапана, настройка соответствует определенной величине расхода. Выставленный расчетный расход будет поддерживаться постоянным до тех пор, пока встроенный регулирующий клапан будет находится в полностью открытом положении. Это возможно благодаря регулятору перепада давления, работа которого будет описана позже.

Двухходовой регулирующий клапан

Те же отверстия используются и для обеспечения плавного регулирования. При движении штока регулятора вверх/ вниз их площадь также изменяется, для достижения качественного температурного контроля.
Для оптимального управления теплообменными аппаратами, шток клапана управляется приводом, который может смоделировать равнопроцентную расходную характеристику.
Важно также отметить, что бесступенчатая предварительная настройка расхода, не влияет на длину хода штока (5мм при любых условиях) регулирующего клапана.
Клапаны, в которых шток используется в целях ограничения расхода, редко обладают высоким качеством регулирования. Настраивая расход на клапане, они сокращают ход штока до величины, при которой регулировка может осуществляться только в on/off режиме.

Регулятор перепада давления

После комбинированного балансировочного и регулирующего клапана поток проходит через регулятор перепада давления, так называемый ∆Р картридж. Он автоматически настраивает свое положение в зависимости от величины дифференциального давления на комбинированном регулирующем и балансировочном клапане, т.е. между точками «А» и «В» на рис.6.
Небольшая встроенная капиллярная трубка передает импульс входящего в клапан давления (повышенное давление) в полость, формирующую одну из сторон диафрагмы регулятора перепада давления. Вода же, прошедшая через комбинированный балансировочный и регулирующий клапан (пониженное давление), взаимодействует с другой ее стороной. Таким образом, диафрагма будет реагировать на изменение дифференциального давления между этими двумя точками, регулируя тем самым величину выходного отверстия регулятора перепада давления. Проще говоря, если общий перепад давления между точками «А» и «С» на рис.6 должен измениться, например, из-за закрытия других клапанов или изменения скорости насоса, регулятор перепада давления среагирует на эти изменения и займет такое положение, при котором перепад давления между точками «А» и «В» не изменится. Поддерживая постоянный перепад давления между точками «А» и «В» при полностью открытом регулирующем клапане, мы получаем фиксированный перепад давления на фиксированном проходном сечении, что в результате дает нам постоянный расход. Это объясняет, за счет чего возможно ограничить расход до определенной величины, используя шкалу настройки, и почему этот расход остается постоянным вплоть до того момента, когда регулирующий клапан начнет закрываться.

Рис.6. Клапан Frese OPTIMA в разрезе

Принцип действия клапана OPTIMA

Все описанные ранее элементы клапана OPTIMA функционируют так, как если бы все эти три функции выполнялись тремя различными клапанами. Когда привод прикрывает регулирующий клапан, возрастающее давление на входе в клапан передается импульсной трубкой в нижнюю часть ∆Р картриджа. Рост давления выгибает диафрагму, тем самым заставляя регулятор перепада давления также прикрыть выходное сечение. Когда привод открывает регулирующий клапан, снижение давления на входе в клапан заставляет регулятор перепада давления приоткрывать выходное сечение. Таким образом, при любых положениях штока дифференциальное давление на комбинированном балансировочном и регулирующем клапане остается постоянной величиной.

 

3.Проектирование систем с динамическими балансировочными клапанами OPTIMA

Рис.7. Принципиальная схема с комбинированными балансировочными клапанами Frese OPTIMA

На рис.7 изображен пример схемы с использованием регуляторов серии OPTIMA, на схеме также отображены основные компоненты сети. Клапаны OPTIMA устанавливаются в узлах обвязки каждого теплообменного аппарата как прямая замена регулирующего и балансировочного клапана. На стадии проектирования необходимо учитывать следующие особенности:

Подбор клапана

Благодаря встроенному регулятору перепада давления, клапаны OPTIMA подбираются лишь по значению расхода. Поскольку величина p2 (рис.6) включает в себя потери давления исключительно на элементах, интегрированных в тело самого клапана, при подборе характеристики теплообменного аппарата и длина трубопровода не учитываются.

Минимальный перепад давления

Для оптимальной работы встроенного регулятора перепада давления на нем должен быть обеспечен определенный перепад, достаточный для сжатия пружины. В зависимости от типоразмера клапана и его настройки для клапанов DN15-32 эта минимальная величина лежит в диапазоне от 16 до 22кПа. Более точные значения указаны в техническом каталоге. Для определения минимального перепада давления клапаны OPTIMA снабжены измерительными ниппелями.

Балансировочная арматура

Поскольку встроенный регулятор перепада давления изменяет свое положение в зависимости от давления в системе, установка балансировочной арматуры в трубопроводной сети не требуется. Т.е. регуляторы перепада давления в клапанах OPTIMA, расположенных ближе всего к насосу, закроются сильнее, чем в клапанах наиболее удаленных частей системы. Благодаря работе встроенных регуляторов перепада давления в системе будет поддерживаться корректное распределение потока вне зависимости от колебаний дифференциального давления в системе.

Максимальный перепад давления

Регуляторы перепада давления работают в оптимальном режиме при максимальном перепаде давления на клапане до 400 кПа. Поэтому они не предназначены для систем, в которых максимальный перепад давления может превышает эту величину.

Регулирование скорости насоса

Работа насоса должна регулироваться таким образом, чтобы одновременно поддерживать минимальный перепад давления в нескольких контрольных точках системы. Одним из вариантов является поддержание постоянного дифференциального давления на самом насосе. Однако, снижение расхода в системе, при постоянном перепаде давления на насосе, характеризуется не самыми высокими показателями энергоэффективности. Наиболее эффективным решением является, установка датчиков дифференциального давления как можно дальше от насоса. Как показано на рис.7, самой удобной точкой является верхняя часть главного стояка. В системах с большим количеством стояков и множеством веток и абсолютно разными нагрузками необходима установка нескольких датчиков. Работа насоса будет регулироваться таким образом, чтобы обеспечить необходимое минимальное дифференциальное давление во всех контрольных точках.

Минимальный расход

В тот момент, когда все клапаны OPTIMA закрыты, необходимо обеспечить минимальный расход в сети для предотвращения работы насоса на “закрытую задвижку”. Рекомендуется предусматривать байпасные участки на концах стояков и ответвлений. Расположение этих участков должно исключать возможные застойные участки в трубопроводной сети. Циркуляция важна в стальных трубопроводах и для ускорения тепло-/холодоотдачи при открытии клапанов. Наилучший способ поддержания минимального расхода в сети – установка ограничителей расхода, которые будут обеспечивать постоянный расход, вне зависимости от колебаний дифференциального давления в системе.

4.Наладка и эксплуатация систем с регуляторами OPTIMA

На рис.7 изображены все основные элементы системы, рекомендованные в руководстве по проектированию BSRIA Application Guide AG 1/2001.1 Pre-commission cleaning of pipework systems. (BSRIA – Ассоциация маркетинговых исследований и информации в области строительства, Великобритания). Основные этапы промывки системы, точно такие же как и для традиционных систем. В соответствии с этим руководством, заключительный этап прочистки системы – обратная промывка сети через каждый терминал и регулирующий клапан для удаления из них любых посторонних частиц. Эта процедура абсолютно аналогична и для систем с клапанами OPTIMA. В тот момент, когда на клапане OPTIMA возникнет реверсивный перепад давления, встроенный регулятор перепада давления переходит в полностью открытое положение. В этом положении, а также при полностью открытом балансировочном и регулирующем клапане общее сопротивление регулятора OPTIMA будет достаточно мало для обеспечения требуемых скоростей в прилегающем трубопроводе и теплообменном аппарате.

После промывки можно приступать к балансировке системы. Настройка клапанов OPTIMA производится независимо друг от друга, при условии достаточного перепада на встроенных регуляторах перепада давления. Чаще всего наиболее близко расположенные к насосу участки сети обладают необходимым давлением – следовательно, с этих участков и необходимо начинать процедуру балансировки.

Последовательность пуско-наладочных работ:

1. Убедитесь, что шток регулятора OPTIMA находится в полностью открытом положении. Определите перепад давления на измерительных ниппелях и убедитесь, что величина дифференциального давления на клапане выше минимально необходимого значения.
   В случае недостаточного перепада, выясните причину и, если это необходимо, свяжитесь с проектировщиком.
2. Установите на шкале клапана необходимую величину. Зафиксируйте это положение и запишите это значение.
3. Повторите данную процедуру для всех клапанов OPTIMA на ветке.
4. Измерьте общий расход в ветке. Убедитесь, что полученное значение равно сумме расходов, установленных ранее на клапанах OPTIMA. Если они не равны, выясните причину и, если это необходимо, свяжитесь с проектировщиком.
5. Повторите данную процедуру, пока все клапаны OPTIMA не будут настроены, а их суммарный расход не будет равен расходу в соответствующих ветках.
6. Измерьте величину дифференциального давления на индексном клапане (как правило, наиболее удаленный от насоса терминал). Отрегулируйте скорость насоса так, чтобы перепад давления на индексном клапане был равен минимально необходимому дифференциальному давлению.
7. Определите значение перепада давления в точке установки датчика дифференциального давления. Настройте работу насоса таким образом, чтобы это величина сохранялась постоянной при любых условиях.
8. Определите суммарный расход, перепад давления и расход электроэнергии на работу насоса.
9. Переведите все регулирующие клапаны в закрытое положение. Определите и запишите суммарный расход, перепад давления и расход электроэнергии. Рассчитайте суммарное энергосбережение, т.е. разница между энергопотреблением при максимальной и при минимальной нагрузке.

Постепенно на смену регуляторов Frese OPTIMA приходит новое поколение комбинированных балансировочных клапанов – Frese OPTIMA Compact. Запатентованная конструкция регуляторов сохраняет все достижения предыдущего поколения клапанов, но при значительно меньших габаритных размерах, при этом обладая пониженным гидравлическим сопротивлением и повышенной пропускной способностью, на сегодняшний день регуляторы доступны в диапазоне размеров (от DN10 до DN150).

Список литературы:

1. CIBSE knowledge Series Guide KS7 Variable flow pipework systems
2. CIBSE Knowledge series Guide KS9 Commissioning variable flow pipework systems
3. BSRIA Application Guide AG 1/2001.1 Pre-commission cleaning of pipework systems.

7 вопросов по гидравлической балансировке установок | Артикул

Для обеспечения и поддержания в помещении желаемой температуры крайне важно, чтобы конечные тепловые блоки (радиаторы, конвекторы и т. д.) были обеспечены правильными расходами. Чрезмерная скорость потока приведет к слишком высокой температуре, а недостаточная скорость потока приведет к охлаждению помещения. К несчастью для нашего сектора, вода всегда идет по пути наименьшего сопротивления, и, следовательно, гидравлический баланс не гарантируется как таковой. Ниже мы ответим на семь вопросов о гидравлической балансировке установок.

1. Почему так важна гидравлическая балансировка?

Вода всегда идет по пути наименьшего сопротивления. Радиаторы, расположенные рядом с центральным насосом, часто имеют более высокий расход, в то время как удаленные радиаторы на верхнем этаже имеют недостаточный расход просто потому, что вода испытывает значительно большее сопротивление, чтобы достичь этих удаленных радиаторов.

Полученные в результате жалобы на комфорт приводят к пробам и ошибкам, в ходе которых скорость насоса без необходимости снижается или температура котла повышается. Бесполезные вмешательства, которые усугубляют проблему и увеличивают потребление энергии.

Единственным правильным решением является гидравлическая балансировка установки. Потому что гидравлическая балансировка повышает комфорт и экономит энергию.

2. Что происходит в процессе гидравлической балансировки?

Для гидравлической балансировки установки с помощью балансировочных клапанов создается дополнительное гидравлическое сопротивление, так что вода всегда испытывает одинаковое гидравлическое сопротивление, независимо от выбранного пути.

Расстояние до центрального насоса

Например, регулирующие клапаны в контурах рядом с центральным насосом должны создавать большее сопротивление. Поскольку контуры расположены дальше, балансировочным клапанам придется создавать меньшее сопротивление. Например, балансировочные клапаны радиаторов 1, 3, 4 и 5 на рисунке 1 придется настроить с уменьшающимся гидравлическим сопротивлением.

Рис. 1: Гидравлическая балансировка за счет создания дополнительного сопротивления

Производительность

Не только расстояние до центрального насоса играет роль. Термические концевые блоки также обычно имеют разную пропускную способность и, следовательно, предполагают другой расход

На рисунке 1 радиаторы 1 и 2 могут быть одинаково удалены от центрального насоса, но большая расчетная мощность радиатора 2 по сравнению с радиатором 1 предполагает и больший расход. Если предположить, что оба радиатора имеют одинаковое гидравлическое сопротивление, они оба будут пропускать одинаковый поток. Для балансировки радиаторов в остальных радиаторах (1, 3, 4, 5 на рис. 1) необходимо обеспечить дополнительное гидравлическое сопротивление.

3. Каков потенциал энергосбережения?

Часто задаваемый и обоснованный вопрос, на который, к сожалению, нельзя ответить одним префиксом. Мы отмечаем, что потенциал экономии сильно зависит от концепции управления установкой, или, другими словами, от того, как контролируются тепловые нагрузки в установке.

Без дополнительных «индивидуальных регулирующих клапанов»

На рис. 2а слева показана общая концепция управления, в которой тепловые нагрузки регулируются только с помощью так называемой «погодной компенсации». Температура подачи компенсируется наружной температурой через кривую отопления, что является приблизительной оценкой потребности в отоплении.

Рисунок 2a: установка без дополнительных индивидуальных регулирующих клапанов Рисунок 2b: установка с дополнительными «индивидуальными регулирующими клапанами»

Очевидно, что это лишь очень грубая схема, и при отсутствии дополнительных «индивидуальных регулирующих клапанов» эта концепция управления чрезвычайно чувствительна к гидравлическому дисбалансу в системе. Ведь проблемы с комфортом из-за гидравлического дисбаланса остаются незамеченными для системы управления зданием и поэтому не могут быть устранены.

Гидравлическая балансировка может обеспечить экономию энергии до 25% в таких установках.

С дополнительными «индивидуальными регулирующими клапанами»

Все чаще установки снабжаются дополнительными «индивидуальными регулирующими клапанами »  , посредством которых тепловые нагрузки в помещениях согласуются с индивидуальными потребностями путем воздействия на расход через конечные блоки (Рисунок 2 справа). Таким образом, любые проблемы с комфортом, вызванные гидравлическим дисбалансом, обнаруживаются системой управления зданием и, следовательно, могут быть частично устранены. Но часто не совсем.

Экономия энергии за счет гидравлической балансировки в таких установках ограничена 5%.

Меньше энергии насоса

Обратите внимание, что гидравлически сбалансированная установка также потребляет меньше энергии насоса. В несбалансированной установке прокачивается слишком много воды. С другой стороны, в сбалансированной установке производительность насоса будет значительно ниже, что обеспечивает экономию энергии насоса до 55%.

Повышенное потребление

В некоторых довольно редких случаях мы заметили повышенное потребление после балансировки установки. Если, например, больничное крыло ранее было слишком холодным из-за отсутствия потока, это крыло можно будет довести до нужной температуры после гидравлической балансировки. В результате это требует дополнительного подвода тепла и, следовательно, повышенного энергопотребления. Прежде всего, гидравлическая балансировка по-прежнему направлена ​​на достижение желаемого комфорта.

4. У меня есть регулирующие клапаны, зачем мне еще балансировать систему?

Или другими словами: «нужен ли мне балансировочный клапан, если у меня уже есть регулирующий клапан для каждой комнаты?» Ответ: да! Между регулирующим клапаном и балансировочным клапаном есть важное различие:

• Регулирующий клапан постоянно регулирует расход в соответствии с требованиями.
• Балансировочный клапан должен обеспечивать достижение расчетного расхода (при максимальной нагрузке, экстремальных погодных условиях). В принципе, балансировочный клапан только один раз настраивается на требуемый расчетный расход.

Регулирующий клапан выбирается на основе минимального требуемого авторитета клапана, выбранного из дискретного набора значений Kvs (гидравлическая проводимость клапана). Таким образом, выбор клапана не имеет ничего общего с гарантией расчетного расхода.

Для обеспечения точного и стабильного регулирования расхода и вывода регулирующего клапана в рабочий диапазон регулирующий клапан всегда должен сопровождаться балансировочным клапаном.

 5. Является ли моя установка гидравлически сбалансированной? Динамический балансировочный клапан DPCV обычно используется для поддержания постоянного перепада давления на части установки или ответвлении.

В принципе, так и должно быть. Однако реальность обычно показывает обратное.

Радиаторы остаются холодными, помещения становятся слишком теплыми, колебания температуры в помещении или шумные звуки потока являются типичными симптомами гидравлического дисбаланса. Кроме того, дельта-T по контурам дает быструю и простую индикацию качества гидравлического баланса. При посещении котельной мы всегда смотрим непосредственно на разницу температур между отводом и обраткой.

Если, например, радиаторы рассчитаны на режим 70/50/20°C, вы ожидаете разницу между температурами подачи и обратки около 20°C (может быть немного ниже при частичной нагрузке). Если мы определяем разницу температур, например, в 1°C или 2°C, это означает, что установка не была введена в эксплуатацию должным образом. Слишком много воды перекачивается, поэтому у воды «меньше времени» для рассеивания тепла, отсюда и небольшая дельта-Т. Обратите внимание, однако, что дельта-T и поведение при частичной нагрузке также сильно зависят от используемых гидравлических контуров (смесительный контур, разделительный контур, дроссельный контур, гидравлический разделитель) и применяемой стратегии управления.

6. В чем разница между статической и динамической балансировкой?

Статическая балансировка

В случае статической балансировки используются так называемые балансировочные клапаны, которые предназначены для создания фиксированного гидравлического сопротивления и, таким образом, балансировки полных потоков нагрузки. Если во время фактической работы установки регулирующие клапаны начинают закрываться, гидравлический баланс больше не гарантируется. Как показано на рисунке 3а, скорость потока в нижнем и верхнем радиаторах увеличивается на 18% и 37% соответственно, когда два средних радиатора закрыты. Закрывая средние радиаторы, остальные радиаторы должны выдерживать большую долю давления насоса, что увеличивает скорость потока.

Динамическая балансировка

В случае динамической балансировки это увеличение расхода компенсируется самим клапаном динамической балансировки. Через систему диафрагменной пружины увеличение давления, связанное с увеличением расхода, компенсируется динамическим балансировочным клапаном, так что в результате расход остается постоянным. Таким образом, динамический балансировочный клапан всегда постоянно настраивается, чтобы гарантировать гидравлический баланс. Таким образом, в этом примере изменения скорости потока в нижнем и верхнем радиаторах ограничены значениями -3 и -4%.

Мы различаем динамические балансировочные клапаны в DPCV (клапан регулирования перепада давления), PICV (клапан независимого регулирования давления) и ограничитель расхода.

• DPCV обычно используется для поддержания постоянного перепада давления на части установки или ответвлении для защиты следующих по потоку (статических) регулирующих клапанов и регулирующих клапанов от колебаний давления, возникающих в других частях установки.
• PICV представляет собой комбинацию регулирующего клапана, балансировочного клапана и DPCV, объединенных в одном компоненте. Встроенный DPCV поддерживает постоянное давление на внутреннем регулирующем и балансировочном клапане, чтобы всегда гарантировать гидравлический баланс. Еще более важным преимуществом является то, что требуемый расход можно установить непосредственно на PICV, тогда как в случае статического балансировочного клапана его можно установить только путем измерения.
• Обратите внимание, что принцип PICV теперь также доступен в миниатюрном масштабе и может быть интегрирован в термостатические радиаторные клапаны. Обратите внимание, что для PICV требуется минимальное рабочее давление прибл. от 10 кПа до 40 кПа и поэтому должны быть включены в расчет напора насоса.
• Ограничитель потока используется для ограничения потока до определенного значения. Ниже этого максимального предела расхода компонент не действует. При превышении этого значения автопоток вызовет повышенный перепад давления для ограничения расхода. Ограничители потока не могут быть установлены и выбираются из дискретного набора ограничений потока.

Рисунок 3a: статическая сбалансированная установка Рисунок 3b: динамическая сбалансированная установка

7. Как осуществляется ввод установок в эксплуатацию?

После завершения установки система должна быть гидравлически сбалансирована, что является частью так называемого «ввода в эксплуатацию».

Динамический

Для динамической балансировки важно установить требуемый расход непосредственно на клапанах динамической балансировки и никак иначе. Напор насоса должен быть рассчитан таким образом, чтобы соблюдалось минимальное рабочее давление PICV, DPCV и ограничителей потока.

Статическая

Однако в случае статической балансировки процедура ввода в эксплуатацию намного сложнее, поскольку желаемый расход может быть установлен только посредством измерения посредством измерения падения давления на балансировочном клапане. Кроме того, статическая балансировка представляет собой повторяющийся процесс, в котором действия по регулировке балансировочного клапана нарушают гидравлический баланс уже отрегулированных клапанов. Таким образом, эти повторяющиеся процедуры настройки очень трудоемки, и практика показывает, что конечный результат гидравлического баланса соизмерим. Если это не может быть рассчитано с помощью специального программного обеспечения для гидравлических систем.

Балансировочные клапаны

Выбор страны, региона и языка

Международные веб-сайты

ksb. comENDE

Гидравлическая балансировка – для эффективной работы

около 35 % общего энергопотребления, из них около 75 % приходится на системы HVAC. Следовательно, гидравлическая балансировка не только необходима для надежной и особенно экономичной и энергоэффективной работы, но и является требованием, предусмотренным рядом стандартов и руководств (DIN 18380 / VOB 3.1.1, GEG / DIN V 4701-10). , DIN EN 14336).

Почему гидравлическая балансировка так важна?

Цель состоит в том, чтобы обеспечить нужное количество воды в нужном месте в нужное время. Другими словами, вода для отопления и охлаждения должна распределяться между всеми потребителями в соответствии с потребностью. Для этого все части гидравлической системы должны быть согласованы и сбалансированы.

Незначительное действие, большой эффект: согласно исследованию Optimus, проведенному в Германии, гидравлическая балансировка потенциально может сэкономить до 21 %. Учитывая его сравнительно низкие инвестиционные затраты, он имеет отличное соотношение затрат и выгод.

Гидравлическая балансировка обеспечивает оптимальное распределение тепла.

Беспроигрышная ситуация для всех участников: консультантов, проектировщиков, операторов и потребителей

Энергоэффективная работа системы HVAC

• Меньше воды, необходимой для циркуляции, что позволяет использовать тепловой насос меньшего размера
• Нижний потребление энергии благодаря более низкой температуре подачи
• Оптимальное использование возобновляемых источников энергии благодаря оптимальной температуре возврата

Надежность в эксплуатации

• Гидравлически сбалансированные системы снижают потребность в техническом обслуживании и технические жалобы.

Максимальный комфорт проживания

• Равномерное распределение тепла по всему зданию (система HVAC)
• Низкий уровень шума благодаря заданному давлению и низкой скорости потока

Балансировочные клапаны: Надежные помощники.