Experimentálne merania tlakových pomerov vo výškovom objekte

Príspevok sa zameriava na analýzu tlakových pomerov 23-podlažného objektu. V budove je navrhnutý stropný sálavý systém CRITTALL s nízkoteplotným vykurovaním a vysokoteplotným chladením s núteným obehom teplonosnej látky. Hydraulické parametre boli stanovené na základe výpočtov podľa európskych noriem a podľa experimentálnych meraní vykonaných pomocou ultrazvukového prietokomera a prístroja TA-CBI. Cieľom experimentálnych meraní bolo vytvoriť hydraulický model energetického systému, na základe ktorého sa vypracuje energetická simulácia objektu.

Hydraulické vyregulovanie vykurovacích a chladiacich systémov je nevyhnutné na dosiahnutie hydraulicky stabilného energetického systému. Správne nastavenie prietokov pri jednotlivých koncových prvkoch je základnou podmienkou vytvorenia optimálneho vnútorného komfortu.

Zatepľovaním a výmenou transparentných konštrukcií sa výrazne znížia tepelné straty, následne sa zníži aj potreba tepla na vykurovanie, preto treba vykurovací systém nastaviť podľa nových prevádzkových požiadaviek. Cieľom experimentu bolo stanoviť tlakové pomery sálavého energetického systému výškového objektu.

Energetický systém

Referenčnou budovou experimentálnych meraní bol 23-poschodový objekt Stavebnej fakulty v Bratislave. V roku 2011 prebehla rekonštrukcia obvodového plášťa objektu a čiastočná rekonštrukcia vykurovacej sústavy. Vo výškovom objekte je pôvodný stropný sálavý systém CRITTALL s nízkoteplotným vykurovaním a vysokoteplotným chladením s núteným obehom teplonosnej látky.

Do stropného betónového jadra sú osadené oceľové bezšvové potrubia s dimenziou DN 15. Sálavý systém nebol rekonštruovaný, iba sa vymenili uzatváracie kohúty pred okruhmi na uzatváracie ventily bez možnosti miestnej regulácie. Vykurovací systém vo výškovej budove je rozdelený na dve tlakové pásma.

V rámci experimentu sa skúmalo vykurovacie obdobie v 1. tlakovom pásme. Zrekonštruovaný rozdeľovač a zberač 1. tlakového pásma sa nachádza v suteréne objektu. Rozdeľuje sústavu na štyri hlavné vetvy, ktoré následne rozdeľujú budovu na štyri zóny podľa svetových strán – dve severovýchodné a dve juhozápadné.

Hlavné vetvy sú regulované kvalitatívne, požadovaná teplota vykurovacej vody sa nastaví pomocou trojcestných regulačných ventilov riadených podľa ekvitermickej krivky. Potrebný výtlak a prietok v systéme zabezpečujú čerpadlá s tromi stupňami otáčok typu Grundfos UPS 40-120F, nastavené na tretí stupeň otáčok.

Na hlavné vetvy sú napojené stúpacie potrubia jednotlivých zón. Hlavné vetvy jednotlivých zón sa rozdeľujú na štyri stúpacie potrubia, ktoré zásobujú jednotlivé podlažia. Na stúpacie potrubia sú inštalované vyvažovacie ventily typu Danfoss MSV-BD. Fyzikálny model systému je znázornený na obr. 1.

V rámci predchádzajúcich experimentov [4] sa stanovili teplotné spády a hmotnostné prietoky pre dve zóny. Teplotný spád pri vonkajšej výpočtovej teplote θ_e = -11 °C bol na základe meraní v prvej zóne 36/32,5 °C
a v druhej zóne 36/34 °C. Hmotnostné prietoky ukázali konštantný charakter, priemerný objemový prietok na prvej vetve bol 9 850 kg/h a na druhej vetve 12 500 kg/h.

Metodika

Na stanovenie tlakových pomerov v referenčnej budove sa určili ďalšie parametre energetického systému. Najprv sa na základe experimentálnych meraní stanovili hmotnostné prietoky a tlakové straty vyvažovacích ventilov jednotlivých stúpacích potrubí prvej zóny. V ďalšej fáze sa na základe numerických výpočtov určili tlakové straty v rozvodoch a následne sa vytvorili tlakové diagramy rozvodnej sústavy prvej vetvy.

Metodika experimentálnych meraní

Na experimentálne merania sa použil merací prístroj TA-CBI, pomocou ktorého sa stanovili tieto veličiny:

• M – hmotnostný prietok teplonosnej pracovnej látky vo ventile (kg/h),
• Δp_ventil – tlaková strata na ventile (Pa).

Merania sa vykonali na meracích ventiloch vyvažovacích ventilov typu Danfoss MSV-BD, ktoré sú osadené na vratnom potrubí pred stúpacími potrubiami. Metodika meraní sa zakladala na meraní tlakového rozdielu pred a za ventilom. Pomocou tlakového rozdielu, známej kv hodnoty a nastavenia ventilu sa určil hmotnostný prietok cez ventil. V rámci experimentu sa merali ventily na prvej hlavnej vetve. Meracie body sú znázornené na fyzikálnom modeli na obr. 1.

Metodika numerických výpočtov

Na stanovenie tlakových pomerov vykurovacieho systému sa vypracoval numerický model stúpacích potrubí B a D prvej hlavnej vetvy (obr. 1). Matematický model bol vypracovaný v programe Excel, cieľom modelovania bolo stanoviť tlakové straty a prietoky v jednotlivých úsekoch. Výpočet sa vykonal podľa fyzikálnych vzťahov hydrauliky.

Tlakové straty v úseku potrubia sa dajú vyjadriť súčtom tlakových strát trením a miestnymi odpormi podľa vzorca:

kde
Δp je celková tlaková strata (Pa),
Δp_st – tlaková strata trením (Pa),
Δp_so – tlaková strata miestnymi odpormi (Pa),
R – merná tlaková strata (Pa/m),
l – dĺžka počítaného úseku potrubia (m),
w – rýchlosť prúdenia vody v potrubí (m/s),
ρ – merná hmotnosť vody (kg/m³),
ζ – súčiniteľ miestneho odporu (–) [2].

Mernú tlakovú stratu môžeme vyjadriť ako funkciu týchto veličín:

R = f (M, u, k, d, ρ)

kde
M je hmotnostný prietok (kg/s),
υ – kinematická viskozita (m²/s),
k – ekvivalentná drsnosť vnútorného povrchu potrubia (mm),
d – vnútorný priemer potrubia (m),
ρ – merná hmotnosť vody (kg/m³) [2].

Matematický model vychádza zo skutočnosti, že tlakové straty jednotlivých úsekov musia byť v rovnováhe. Ako vstupné údaje sa zadajú fyzikálne vlastnosti siete, dĺžky potrubných úsekov a celkový hmotnostný prietok podľa experimentálnych meraní daného stúpacieho potrubia.

Pomocou iteračných funkcií sa určili hmotnostné prietoky jednotlivých úsekov tak, aby tlaková diferencia každého okruhu na stúpacom potrubí bola v rovnováhe. Pri výpočte sa zohľadnil aj vplyv účinného vztlaku.

Analýza výsledkov

Na základe experimentálnych meraní sa určili tlakové straty na ventiloch a prietoky v jednotlivých stúpacích potrubiach prvej hlavnej vetvy. Výsledky merania sú znázornené v tab. 1. Najväčšia tlaková strata na ventile sa zaznamenala na stúpacom potrubí D – tlaková strata ventilu tam predstavovala 21 kPa pri hmotnostnom prietoku 2 350 kg/h. Na stúpacom potrubí B sa odmeral najväčší prietok 4 750 kg/h.

Celkový prietok v prvej vetve predstavuje 12 450 kg/h a zodpovedá experimentálnemu meraniu s ultrazvukovým prietokomerom (12 500 kg/h). Na základe prietokov sa určili prenesené množstvá tepla pri teplotnom spáde 36/32,5 °C. Výpočtom tepelných strát sa určili skutočné potreby množstva tepla jednotlivých stúpacích potrubí. Výrazný rozdiel medzi dodaným množstvom a skutočnou potrebou svedčí o nesprávnom hydraulickom nastavení systému.

Výsledky experimentálnych meraní sa spracovali v numerickom modeli tlakových pomerov, na základe ktorého sa určil tlakový diagram stúpacieho potrubia B a D. V matematickom výpočte sa vychádzalo z fyzikálnych parametrov potrubnej siete. Dimenzie a dĺžky potrubných úsekov boli známe z projektovej dokumentácie.

Neznámou premennou bola drsnosť vnútorného povrchu potrubia, ktorej hodnotu výrazne ovplyvňuje opotrebovanosť materiálu. V referenčnej budove sa okrem ležatých rozvodov v suteréne používajú oceľové bezšvové potrubia. Počas rekonštrukcie budovy v roku 2011 sa rozvody vyčistili pomocou preplachovacích kompresorov.

Drsnosť použitých vyčistených oceľových potrubí zodpovedá hodnote k = 0,1 mm. Zvýšenou koróziou sa drsnosť zväčšuje, pri silne zanesených oceľových potrubiach sa pohybuje od 2 až po 4 mm [3]. V numerickom výpočte sa používali hodnoty od 0,1 až po 4 mm. Zvýšenou drsnosťou sa tlakové straty zvýšili. Na základe matematického modelu sa určili tlakové diagramy stúpacieho potrubia B a D.

Diagramy na obr. 2 predstavujú tlakové pomery pri drsnosti k = 0,15 mm, diagramy na obr. 3 predstavujú tlakové pomery pri drsnosti k = 4 mm. Tlakové diagramy sa určili pri vonkajšej výpočtovej teplote θ_e = -11 °C a pri teplotnom spáde 36/32,5 °C.

Z tlakových diagramov je zrejmé, že drsnosť potrubí má výrazný vplyv na tlakové pomery, pričom tento jav môže spôsobiť prevádzkové problémy v starých sústavách. Viditeľný rozdiel tlakových strát medzi okruhmi B a D preukazuje nesprávne nastavenie prietokov. Na okruhu D sú veľmi malé tlakové straty z dôvodu malých prietokov. Naopak, vyvažovací ventil okruhu má značnú tlakovú stratu (21 kPa).

Nevhodné nastavenie ventilu výrazne priškrtí prietok, takže sa do okruhu nedostane potrebné množstvo tepla. Jednotlivé podlažia nie sú hydraulicky vyregulované, následkom čoho prietoky typických podlaží klesajú aj napriek vplyvu účinného vztlaku.

V ďalšej fáze sa určil tlakový diagram celej prvej hlavnej vetvy. Na základe celkového hmotnostného prietoku sa určil pracovný bod čerpadla typu Grundfos UPS 40-120F. Výtlak čerpadla pri hmotnostnom prietoku 12 500 kg/h a pri treťom stupni otáčok je 60 kPa.

Pomocou firemných podkladov sa určili tlakové straty jednotlivých armatúr ležatého úseku [9]. Najvýraznejšie straty predstavuje trojcestný zmiešavací ventil s tlakovou stratou 27 kPa a merač tepla osadený na úseku ležatých rozvodov s tlakovou stratou 2 kPa. Ležaté rozvody v suteréne sa vymenili za plastové potrubia, tlakové straty potrubných úsekov sa určili podľa merných strát potrubia daného materiálu.

Tlakový diagram prvej hlavnej vetvy je znázornený na obr. 4. Z označených tlakových strát sú zrejmé zvyškové tlakové rozdiely, ktoré predstavujú tlakové straty jednotlivých stúpacích potrubí. Na základe porovnania tlakových diagramov stúpacích potrubí B a D je zrejmé, že skutočná drsnosť potrubí sa pohybuje okolo hodnoty k = 4 mm.

Výsledok poukazuje na výrazné znečistenie potrubných rozvodov, ktoré boli pôvodne zabudované v roku 1964. Zvýšená drsnosť výrazne ovplyvní tlakové straty v potrubnej sieti, avšak nevhodné hydraulické vyváženie systému má takisto negatívny vplyv na vnútorný komfort budovy. Skutočné potreby tepla sa značne líšia od dodaného množstva.

Správnymi nastaveniami vyvažovacích ventilov sa môže vytvoriť energetický systém s potrebnými prietokmi pre jednotlivé stúpacie úseky. Tlakový diagram po hydraulickom vyvážení je znázornený na obr. 5. Z diagramu je zrejmé, že správnymi nastaveniami sa môžu dosiahnuť požadované potreby tepla a zároveň sa výrazne znížia tlakové straty ventilov.

Znížením celkového hmotnostného prietoku sa mení aj charakteristika potrubnej siete a tým aj pracovný bod čerpadla. Používaním progresívnych obehových čerpadiel sa môže nastaviť požadovaný pretlak čerpadla, pomocou ktorého sa dosiahnu potrebné prietoky na stúpacích potrubiach. Zníženie dopravnej výšky čerpadla prináša aj úspory elektrickej energie.

Záver

Na základe experimentálnych meraní a numerických výpočtov sa určili tlakové diagramy potrubnej siete výškového objektu. Výsledky preukázali nevhodné nastavenie vyvažovacích ventilov a tým aj nesprávne prietoky. Dodané tepelné toky sa výrazne líšia od potrebných.

Na jednotlivých podlažiach nie sú osadené vyvažovacie armatúry, následkom čoho prietoky v jednotlivých okruhoch na typických podlažiach s narastajúcou výškou klesajú. Správnymi nastaveniami vyvažovacích ventilov sa zabezpečí potrebné zásobovanie stúpacích potrubí.

V starých systémoch má výrazný vplyv aj opotrebovanie materiálu potrubných rozvodov – výsledky meraní a výpočtov preukázali značné znečistenie pôvodných oceľových potrubí. Na vytvorenie spoľahlivého a stabilného systému je nevyhnutná komplexná rekonštrukcia starých energetických systémov.

Článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt: Kompetenčné centrum inteligentných technológií pre elektronizáciu a informatizáciu systémov a služieb, ITMS: 26240220072 spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja. Prácu tiež podporila Agentúra na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. DS-2016- 0030 a Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0807/17 a 1/0847/18.

Príspevok odznel aj na konferencii Vykurovanie 2018.

Literatúra

1. CSOKNYAI, I. – DOHOLUCZKI, T.: Több, mint hidraulika. Budapest. Herz Armatúra HungáriaKft, 2013.
2. PETRÁŠ, D. – KALÚS, D. – KOUDELKOVÁ, D.: Vykurovacie sústavy. Bratislava: Vydavateľstvo STU v Bratislave, 2006.
3. HAVLÍK, V. – MAREŠOVÁ, I.: Hydraulika 20: Příklady. Praha: ČVUT, 2001.
4. DERZSI, I. – TAKÁCS, J.: Magasépületek fűtőrendszerének optimalizálása. In Magyar Épületgépészet. Vol. 65, no. 4 (2016), s. 19 – 22.
5. ZHOU, G. – HE, J.: Thermal performance of radiant floor heating system with different heat storage materials and heating pipes. In Applied Energy. 138/2015.
6. STN EN 1264 Vykurovacie a chladiace systémy zabudované pod povrchom s vodou ako teplonosnou látkou. 2011.
7. STN EN 12828+A1 Vykurovacie systémy v budovách. 2014.
8. GRUNDFOS: Technický katalóg čerpadiel, Aplikácia WinCaps.
9. SIEMENS: Technický katalóg ultrazvukových prietokomerov a regulačných armatúr.
10. DANFOSS: Technický katalóg vyvažovacích ventilov.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2018.