Rola równoważenia hydraulicznego i zaworów grzejnikowych w oszczędzaniu energii

Co to jest równoważenie hydrauliczne?

Równoważenie hydrauliczne zapewnia, że odpowiednia ilość wody grzewczej dopływa do odbiorników ciepła (grzejniki, klimakonwektory itp.) przy optymalnych stratach ciśnienia w poszczególnych odcinkach instalacji. Chodzi o to, aby system grzewczy mógł działać we wszystkich warunkach, do których został zaprojektowany i skutecznie zapobiegał dopływowi nadmiernej lub niedostatecznej ilości czynnika grzewczego. W oparciu o obliczenie obciążenia cieplnego danego pomieszczenia i parametrów projektowych właściwych dla źródła ciepła, przepływ objętościowy wody grzejnej jest obliczany dla każdego odbiornika ciepła. Wymaga to dobrego zaprojektowania systemu grzewczego, aby cała armatura regulacyjna w tym zawory przygrzejnikowe miały odpowiednie warunki pracy i nie musiały dławić zbyt dużego przepływu termostatycznych zaworów grzejnikowych, co generuje wzrost oporów w całej instalacji.

Optymalizacja przepływów wody w instalacji grzewczej poprzez zrównoważenie zapotrzebowania na ciśnienie z oporem w instalacji zapewnia równomierne rozprowadzenie ciepła w całej instalacji. Jeśli grzejnik położony najdalej od źródła ciepła otrzyma wymaganą ilość czynnika grzewczego, to pozostałe grzejniki także powinny uzyskają wymagany przepływ strumienia wody grzewczej. Po wykonaniu regulacji hydraulicznej ustawia się parametry pompy obiegowej zgodnie z wymaganym ciśnieniem i przepływem wody.

Jeśli system grzewczy nie jest zrównoważony hydraulicznie, grzejniki w pobliżu źródła ciepła będą cieplejsze niż jest to wymagane, natomiast grzejniki z dala od źródła będą chłodniejsze. Nadmierny dopływ ciepłej wody do grzejników znajdujących się najbliżej źródła ciepła uniemożliwia prawidłowe zasilanie kolejnych grzejników w razie potrzeby, w wyniku czego nie zostanie osiągnięta wymagana temperatura w pomieszczeniach.

Równoważenie hydrauliczne z termostatycznymi zaworami grzejnikowymi

W przeszłości pompa obiegowa wody grzewczej była często wymiarowana jako większa niż jest to konieczne lub temperatura zasilania była ustawiona na wartość wyższą niż wymagana do zapewnienia wystarczającego przepływu ciepłej wody do grzejnika najbardziej oddalonego od źródła ciepła. Niestety oba te działania powodują niepotrzebne straty energii. Równoważenie hydrauliczne pomaga stworzyć wydajny system grzewczy i może być wykonane za pomocą termostatycznych zaworów grzejnikowych z nastawą wstępną. Ograniczają one przepływ masowy, aby uniknąć niezrównoważonego rozpływu wody grzewczej.

Rola termostatycznych zaworów grzejnikowych z nastawą wstępną

Zestaw regulacyjny składa się z głowicy termostatycznej i wkładki zaworowej z nastawą wstępną. O ile głowica termostatyczna jest widoczna i pomaga kontrolować temperaturę w pomieszczeniu, to wkładka zaworowa jest ukryta i steruje faktycznym dopływem wody do grzejnika. Współdziałanie głowicy termostatycznej z zaworami grzejnikowymi zamienia system grzewczy w układ o zmiennym przepływie, który jest w stanie reagować na wahania temperatury zewnętrznej i stale zmieniające się zapotrzebowanie na ogrzewanie wewnętrzne w celu utrzymania żądanej temperatury pomieszczenia. Zapewniają stabilne warunki ciśnieniowe i gwarantują idealne warunki pracy układu grzewczego.

Dynamiczne równoważenie hydrauliczne

Na ogół stosowane jest równoważenie statyczne lub dynamiczne. Równoważenie statyczne jest używane tylko w warunkach pełnego obciążenia i może prowadzić do nierównowagi systemu w przypadku pracy z częściowym obciążeniem. Aby zoptymalizować potencjał oszczędności energii w układzie grzejnikowym, zaleca się jednak dynamiczne równoważenie hydrauliczne. To rozwiązanie równoważące umożliwia utrzymywanie stałej różnicy ciśnień na grzejnikach w całym budynku w każdych warunkach obciążenia. Dzięki zastosowaniu dynamicznych zaworów równoważących lub niezależnych od ciśnienia zaworów regulacyjnych, przepływy masowe są utrzymywane przez cały czas, nawet przy częściowym obciążeniu lub zmiennych warunkach obciążenia.

Ponieważ temperatura powrotu może być niższa - poniżej 55°C dla optymalnej wydajności kotła kondensacyjnego - a pompa obiegowa zużywa mniej energii elektrycznej, ponieważ może być ustawiona na niższą prędkość obrotową, dynamiczne równoważenie hydrauliczne jest w stanie zoptymalizować wydajność systemu grzewczego i pozwala na znaczne oszczędności energii przez cały rok, niezależnie od zmieniających się wymagań grzewczych lub zachowań użytkowników.

Równoważenie hydrauliczne w niskotemperaturowych systemach grzewczych

Równoważenie hydrauliczne jest ważne dla wszystkich systemów grzejnikowych, ale jest szczególnie ważne w niskotemperaturowych systemach grzewczych. Równoważenie hydrauliczne zapewnia, że system jest ustawiony na temperatury, które najlepiej odpowiadają źródłu ciepła. W przypadku kotła kondensacyjnego niższe temperatury powrotu pozwalają na najefektywniejszą pracę kotła. W przypadku zainstalowania pompy ciepła można uzyskać duży wpływ na COP pompy ciepła poprzez ustawienie systemu na niskie temperatury przy prawidłowych temperaturach zasilania i powrotu. Pompa ciepła będzie wówczas zużywać mniej energii, aby dostarczyć odpowiednią ilość energii do budynku.

Ile energii można zaoszczędzić dzięki równoważeniu hydraulicznemu?

Szczegółowe badanie przeprowadzone w ITG w Dreźnie⁽²⁾ wykazało, że w istniejących domach wielorodzinnych z ogrzewaniem grzejnikowym zużycie energii cieplnej jest zwykle zmniejszone o 7-16 kWh/m². Nic dziwnego, że dzięki dynamicznemu równoważeniu hydraulicznemu osiągnięto najwyższe oszczędności. To samo badanie wykazało, że zastosowanie dynamicznego równoważenia we wszystkich hotelach w Niemczech pozwoliłoby zaoszczędzić do 24,2 m kWh rocznie, czyli 7480 ton CO₂.

Ponadto w swoim folderze poświęconym równoważeniu systemów technicznych w budynkach ⁽³⁾ Europejskie Stowarzyszenie Automatyki Budynków (EU.bac) wspomniano o badaniu na Uniwersytecie Technologicznym w Dublinie, które wykazało, że całkowite potencjalne oszczędności wynikające z optymalizacji dystrybucji hydraulicznej w krajowych systemach grzewczych UE wynoszą 22,6 Mtoe. 53% z tego pochodziłoby z redukcji mocy pomp, a pozostałe 47% z redukcji energii cieplnej zużywanej przez systemy.

Źródła
(1) Wyniki badania „Hydronic Balancing and control - how to overcome the global challenge of reduction energy use in multifamily housing” (Równoważenie hydrauliczne i regulacja - jak pokonać globalne wyzwanie związane z ograniczeniem zużycia energii w budynkach wielorodzinnych) autorstwa Osojnik i wsp. https://www.eceee.org/library/conference_proceedings/eceee_Summer_Studies/2017/5-buildings-and-construction-technologies-and-systems/hydronic-balancing-and-control-8211-how-to-overcome-the-global-challenge-of-reducing-energy-use-in-multifamily-housing/2017/5-235-17_Osojnik.pdf/
(2) Raport badawczy z 2019 r. zatytułowany „Potential Energy Savings and Economic Evaluation of Hydronic Balancing in Technical Building Systems” https://files.danfoss.com/download/CorporateCommunication/BuildingEfficiency/Potential-Energy-Savings-and-Economic-Evaluation-of-Hydronic-Balancing-in-Technical-Building-Systems.pdf
(3) Równoważenie systemów technicznych w budynkach: To świetna szansa na oszczędność energii i komfort. https://eubac.org/wp-content/uploads/2021/03/20210322_eubac_System_Balancing_for_TBS.pdf