Siemens Press. Dynamisk balansering för dynamiska nät

Transkript

1 Siemens Press Dynamisk balansering för dynamiska nät Avancerade hydrauliska nät måste sörja för energisnål, ekonomisk och felfri drift, kompensera för avvikelser från de ursprungliga projekteringsvärdena, tillåta framtida ombyggnader och ha låga installationskostnader. Men hur kan vi då på ett effektivt sätt styra alltmer komplexa nät i alla dellasttillstånd? Svaret är dynamiska lösningar för dynamisk drift. De hydrauliska näten är viktiga komponenter i alla byggnader. De används för uppvärmning och luftkonditionering, och utgör även en betydande kostnadsfaktor när det gäller drift med elektriska pumpar. Om ett hydrauliskt nät ska kunna drivas energieffektivt och ekonomiskt måste flödet i nätet kunna varieras. Formeln för beräkning av pumpens elenergianvändning visar att en anpassning av flödet gör det möjligt att reducera pumpens energianvändning markant. Användning av system med ett konstant flöde är en förlegad metod. Trots att det redan idag är vanligt att använda varvtalsstyrda pumpar och anpassa flödet genom att ändra pumptrycket, styrs flödeskretsarna fortfarande huvudsakligen statiskt. Det är vanligt att balansera hydrauliska nät med styrventiler med förinställda värden eller med injusteringsventiler. Dessa injusteringar görs enbart en gång (i bästa fall) och gäller enbart för det projekterade tillståndet vid maximal last. Detta tillstånd förekommer dock mycket sällan när systemet väl är i drift, eftersom systemet befinner sig i dellast i nästan alla driftsituationer. Därför uppstår frågan om inte, förutom styrningen av pumpar, även styrningen av flödeskretsarna ska anpassas till de olika dellasttillstånden och om statisk injustering i en variabelflödesinstallation till och med kan utgöra ett hinder. Det handlar om anpassning Statisk injustering av ett hydrauliskt system innebär att betydande hydrauliska motstånd används för att styra flödet till den minst gynnsamma delen i systemet när installationen befinner sig i projekterat maximalflöde. Detta krävs också för en felfri drift vid maximal last. Som nämnts ovan inträffar detta enbart för en bråkdel av drifttillstånden eftersom ett hydrauliskt nät oftast befinner sig i dellasttillstånd. När dessa dellasttillstånd undersöks måste man dock skilja mellan två olika situationer. Å ena sidan utsätts systemet som helhet för en mycket enhetlig last (utetemperatur), vilket ger ett liknande beteende hos alla kretsar. Sett ur det perspektivet kan en statisk injustering vara ett bra komplement till styrventilen även vid dellast, eftersom motstånden är proportionella till flödet och därmed förändras enhetligt om styrventilerna rör sig någorlunda enhetligt. Om det hydrauliska nätet utsätts för en ojämn belastning, exempelvis när norra och södra sidan av en byggnad försörjs via samma system eller när utrymmen med varierande belastningar försörjs via samma system, kan den statiska injusteringen snabbt bli till ett hinder. I byggnader med denna typ av användning kan den minst gynnsamma delen endast beräknas. Beroende på aktuell användning samt interna och externa laster varierar den minst gynnsamma delen kontinuerligt.

2 Systemets beteende är dynamiskt. De installerade statiska injusteringsventilerna blir då inte bara överflödiga utan utgör även ett betydande hydrauliskt motstånd, vilket är onödigt. Det kan till och med försämra möjligheten att styra systemet. Eftersom hydrauliska nät i byggnader nästan alltid befinner sig i dellasttillstånd uppstår problemet att pumpen kontinuerligt måste hantera onödiga motstånd i installationer med variabla flöden och konventionell statisk injustering. Motstånden bidrar inte till att öka möjligheten till optimal styrning eftersom de inte är konstruerade för dessa drifttillstånd. Beroende på installerad tryckreglering kan situationen till och med leda till underförsörjning av vissa kretsar. Detta kan exempelvis ske i en installation där differenstrycket mäts över installationens minst gynnsamma krets, baserat på projekterat maximalflöde. Om vi tittar på ett dellasttillstånd där alla flödeskretsar är stängda förutom den krets som är närmast pumpen och den kretsen kräver full effekt, visar det sig snabbt att den tillgängliga pumptryckdifferensen under vissa förhållanden kan vara otillräcklig. Bild 1 Bild 1 visar ett klassiskt nät med statisk injustering. Ett dellasttillstånd föreligger i exemplet där flödeskrets 2 till 6 är stängda och enbart krets 1 är i drift. Differenstrycket över krets 6 kommer att stiga och pumpen varvas ned. Statisk injustering är utförd för att klara för den minst gynnsamma kretsen 6, men krets 1, som faktiskt är den mest gynnsamma i maxlasttillståndet, visar sig vara den minst gynnsamma kretsen i det aktuella tillståndet. Den statiska injusteringsventilen skapar dessutom en betydande tryckförlust i det här fallet, trots att den inte behövs. En märkbar underförsörjning uppstår inte alltid, men det bör ändå vara tydligt att statisk injustering i dagens nät med variabla flöden inte är lämplig ens ur energisynpunkt. Dynamisk justering av tryckfallen krävs för att styra ett dynamiskt nät med variabla flöden på rätt sätt. Kombiventiler kan vara en lösning.

3

4 Tillräckligt mycket motstånd men så litet som möjligt Bild 2 Kombiventiler består huvudsakligen av två komponenter. Den första är den vanliga styrventilen och den andra är en seriekopplad differenstryckregulator vilken arbetar utifrån tryckfallet över styrventilen.

5 Bild 3 Styrventilens lyfthöjd styrs av reglersystemet med hjälp av ett ställdon. Samtidigt håller differenstryckregulatorn en konstant tryckdifferens över styrventilen. Tack vare denna kombination påverkas inte styrventilens flöde av varierande drivtryck så länge en viss minimitryckdifferens hålls. Vad fungerar då kombiventilen? Om ventilen exempelvis är helt öppen bildas ett visst flöde som är beroende av alla hydrauliska motstånd och den tillgängliga tryckdifferensen skapad av pumpen. Differenstryckregulatorn spelar en viktig roll för motstånden. Differenstryckregulatorn och styrventilen bildar tillsammans ett hydrauliskt motstånd. Styrventilens kägla är därmed en typ av strypfläns i serie med differenstryckventilen. Om det tillgängliga trycket sedan stiger, exempelvis genom att pumpens varvtal ökar, stänger differenstryckregulatorn tills flödet i styrventilen, och därmed tryckdifferensen över ventilkäglan, har återställts. Självklart fungerar detta även omvänt när den tillgängliga tryckdifferensen sjunker. Differenstryckregulatorn öppnar tills flödesmotståndet är tillräckligt lågt för att upprätthålla flödet i styrventilen igen. Resultatet är ett konstant flöde och ett variabelt totalmotstånd, oavsett den tillgängliga tryckdifferensen. Tryckdifferensen begränsas endast av kombiventilens maximala och minimala tryckdifferens. Naturligtvis ändras flödet om styrventilen ändrar läge på signal från reglersystemet. Tryckdifferensen över ventilkäglan hålls självklart konstant även i denna situation. Om ventilen stängs ökar ventilkäglans motstånd. Till följd av sambandet mellan tryck, flöde och hydrauliskt motstånd innebär detta att vid en konstant tryckdifferens ändras flödet i proportion till styrventilens lyfthöjd. Sambandet mellan flöde och lyfthöjd benämns ventilkarakteristik.

6 Bild 4 Styrventiler konstrueras med en viss karakteristik för att passa det hydrauliska nätets karakteristik. Värden av typen kvs samt ventilauktoritet används vid val och dimensionering av en konventionell styrventil, men dimensioneringen av en kombiventil bygger enbart på flödet. Ventilen måste väljas i enlighet med maximalt flöde och kan sedan garantera önskat flöde med tillräcklig tryckdifferens. Bild 5 Kombiventilens egenskaper påverkar positivt de problem och krav i hydrauliska nät som nämns ovan. Tack vare kombiventilers dynamiska beteende kan de kompensera för mindre avvikelser mellan projektering och installation på plats. Ett hydrauliskt nät med kombiventiler kan även byggas om relativt enkelt eftersom ventilerna kompenserar för de nya tryckfallsförhållandena. Trots det markant minskade projekterings- och installationsbehovet är det nödvändigt att konstruera nätet korrekt. Strävan efter energieffektiva hydrauliska nät kräver fulländad och väl genomtänkt projektering. Trots att kombiventil er kan kompensera för många avvikelser och fel, ska de inte användas som kompensation för undermålig projektering, eftersom ett dynamiskt

7 och ekonomiskt nät med små tryckförluster också är direkt kopplat till en väl genomtänkt topologi. Optimera pumpeffekten och den minst gynnsamma flödeskretsen Om man jämför kombiventiler med konventionella ventiler, kräver ibland en kombiventil en högre tryckdifferens än en motsvarande konventionell styrventil. För att säkerställa felfri drift har kombiventiler en nödvändigt lägsta tryckdifferens på cirka kpa. Denna siffra är enbart 9 kpa för en konventionell radiatorventil. Kombiventilen kräver därmed dubbelt så hög tryckdifferens. Så hur förhåller detta sig till energieffektiviteten när kombiventiler används? Hela nätet och den specifika installationssituationen för ventilen måste alltid beaktas när ventilernas inverkan på pumpeffekten bedöms. Alla ytterligare tryckförluster är irrelevanta i samtliga kretsar eftersom injusteringsdonet är integrerat i den tryckoberoende styrventilen. Minimitryckdifferensen är inte intressant i det här fallet. Alla kretsar utom den minst gynnsamma kretsen kräver injusteringsventil i ett konventionellt nät, vilket ger stor minimitryckdifferens eftersom den måste bibehållas för att kunna påverka flödet i hela nätet. Men är den nödvändiga tryckdifferensen i ett system med kombiventiler i själva verket högre än i ett system med konventionella styrventiler? Inte nödvändigtvis! I ett dynamiskt nät kan den minst gynnsamma kretsen variera beroende på användningen. Exempelvis kan en tidigare "gynnsam" krets med en statiskt injusteringsventil plötsligt bli den minst gynnsamma kretsen på grund av ändrad belastning. I ett system med konventionella styrventiler måste inte enbart ventilens tryckförlust beaktas utan även tryckförlusten i injusteringsventilen. Eftersom injusteringsventilen, vid statisk injustering, är inställt på ett konstant motstånd och inte anpassas till den aktuella driftsituationen, kan tryckförlusten i den minst gynnsamma kretsen vara betydligt lägre med en tryckoberoende styrventil än med en konventionell styrventil och en statisk injusteringsventil.

8 Slutsats Bild 6 I dagens hydrauliska nät påverkas flödet av det faktiska behovet. Dynamiska nät av denna typ injusteras i nuläget huvudsakligen med statiska injusteringsventiler och beräknas efter ett projekterat maximalflöde. Eftersom hydrauliska nät i byggnader huvudsakligen drivs med dellaster fungerar detta enbart i begränsad utsträckning. I idealfallet borde näten injusteras optimalt i alla drifttillstånd och ha en hög flexibilitet. Kombiventiler kan vara en lösning. De förenklar projekteringen, kompenserar för mindre avvikelser under installationen, balanserar kontinuerligt nätet och bidrar i stor utsträckning till att göra de hydrauliska näten transparenta. Samtidigt är antagandet att denna typ av ventil skapar högre tryckförluster i ett dynamiskt nät felaktig ur ett helhetsperspektiv. Självklart måste även potentialen för ökad komfort och energieffektivitet lyftas fram. För vilket nät är verkligen injusterat i praktiken även om förutsättningarna fanns i projekteringsskedet? Referenser: Avery, Gil: Balancing A Variable Flow Water System Will Ruin the Control System, ASHRAE Journal, utgåva: oktober 1990

9 Författare: Daniel Wehmeier, M.Eng., född 1986, studerade byggnads- och energiteknik vid University of Applied Sciences i Münster. Han representerar ingenjörsstuderande och nyss utexaminerade ingenjörer i VDI-GBG Executive Board samt i VDI TGA Advisory Committee och arbetar idag inom försäljningsorganisationen hos Siemens AG:s avdelning för byggteknik i Bielefeld, Tyskland.