Tre vilkår må oppfylles for å gi perfekt hydronisk regulering

1. Prosjektert vannmengde må være tilgjengelig for alle terminaler

Vanlige problemer
Typiske symptomer på at vilkår nummer én ikke er oppfylt:
- For varmt i enkelte deler av bygningen, og for kaldt i andre deler.
- Den installerte effekten kan ikke leveres ved middels og/eller høy belastning.
- Det tar lang tid før ønsket romtemperatur oppnås ved lastvekslinger.
- Høyere energikostnader enn forventet.

Hvordan oppnå korrekte vannmengder
Effekten som avgis av en terminal avhenger av temperatur og vannmengde. Disse parameterne reguleres for å oppnå ønsket romtemperatur. Det er bare mulig å regulere dette dersom vannmengdene er store nok, og for å oppnå riktige vannmengder, må de måles og justeres. Derfor er hydronisk innregulering så viktig.
Og hvordan gjøres dette? Er det, for eksempel, mulig å oppnå riktig distribusjon av vannmengde ved å dimensjonere anlegget nøyaktig? I teorien er svaret ja. I praksis er det derimot svært vanskelig. Produksjonsenheter, rør, pumper og terminaler er beregnet på å dekke maksimumsbehov. Dersom ett ledd i kjeden ikke er riktig dimensjonert, vil de andre heller ikke kunne gi optimal ytelse. Dermed oppnås ikke ønsket inneklima og komforten vil lide.
En skulle tro at det kunne være mulig å forhindre de fleste problemer ved å prosjektere anlegget med gode sikkerhetsmarginer. Selv om enkelte problemer kan løses på denne måten, vil det oppstå nye, spesielt på reguleringssiden. Noe overdimensjonering er umulig å unngå, ettersom komponentene må velges ut fra hva som faktisk finnes. Vanligvis passer ikke disse til de aktuelle beregningene. På prosjekteringsstadiet vil enkelte komponenters karakteristikker heller ikke være kjent, ettersom de velges av entreprenøren på et senere tidspunkt. Derfor er det nødvendig å modifisere den opprinnelige anleggskonstruksjonen ved å ta hensyn til anlegget slik det blir bygd, noe som ofte vil avvike fra den opprinnelige prosjekteringen.
Innregulering gjør det mulig å oppnå prosjekterte vannmengder i anlegget, kompenserer for overdimensjonering og gir valuta for pengene.

Distribusjonssystem med konstant vannmengde
I et distribusjonssystem med konstant vannmengde (figur 1a), er treveisventilen dimensjonert for å skape et trykkfall som i hvert fall tilsvarer det prosjekterte trykkfallet i apparatet C. Det gir en ventilautoritet på minimum 0,5, noe som er viktig for å oppnå god regulering. Dersom trykkfallet i apparatet, og trykkfallet over reguleringsventilen til sammen er 20 kPa og det tilgjengelige differansetrykket (ΔH) er 80 kPa, må forskjellen på 60 kPa tas vekk ved hjelp av innreguleringsventilen STAD-1. Hvis ikke, vil denne kretsen få en vannmengde på 200 prosent, noe som gjør den svært vanskelig å regulere, i tillegg til at det vil forstyrre resten av anlegget.
I figur 1b er innreguleringsventil STAD-2 viktig. Uten den, vil bypassledningen AB være en kortslutning med en ekstremt stor vannmengde, noe som skaper for lav vannmengde andre steder i anlegget. Med STAD-2 måles og justeres primærvannmengden, qp, slik at den er noe høyere enn den prosjekterte sekundærvannmengden, qs, målt og justert med STAD-3.
Innreguleringen sikrer riktig distribusjon av vannmengde, forhindrer driftsproblemer og bidrar til at reguleringen fungerer optimalt.

 
Figur 1. Eksempel på distribusjonssystem som arbeider med konstant vannmengde.

Distribusjonssystem med variabel vannmengde
I et distribusjonssystem med variabel vannmengde, kan vannmengden bli for lav, spesielt ved høye belastninger.

Chiller1 Chiller 2
Figur 2. Eksempel på distribusjonssystem som arbeider med variabel vannmengde.

Ved første øyekast kan det se ut som at det ikke er noen grunn til å innregulere et system med toveis reguleringsventiler på terminalene, ettersom reguleringsventilene er konstruert for å regulere vannmengden til ønsket nivå. Innreguleringen bør derfor skje automatisk. Betingelsen er at man kan velge en reguleringsventil med eksakt riktig kvs-verdi. Da de fleste reguleringsventiler har 60 % kapasitetsforskjell mellom dimensjonene er dette oftest umulig. Derfor er de fleste reguleringsventiler overdimensjonert. I mange tilfeller er det ikke mulig å unngå helt åpne reguleringsventiler. Det kan være ved oppstart, ved store lastvekslinger, eller når termostater justeres for fullt pådrag. Dersom det ikke finnes innreguleringsventiler, vil det i slike tilfeller føre til for store vannmengder i enkelte kretser. Det fører i sin tur til for lave vannmengder i andre kretser.
En pumpe med variabel hastighet vil ikke løse problemet, ettersom alle vannmengdene vil endres proporsjonalt når pumpetrykket endres. Man vil kunne redusere vannmengden i de gunstige kretsene ved å senke turtallet, men dette vil også føre til at områdene med for liten vannmengde blir enda hardere rammet.
Hele anlegget er prosjektert for å gi maksimum effekt ved maksimum belastning. Det er derfor viktig at maksimal effekt er tilgjengelig ved behov. Når prosjekteringsvilkårene er oppfylt, sikrer innreguleringen at alle terminalene får riktig vannmengde. Dermed rettferdiggjøres investeringene. Ved delvis belastning, når enkelte av reguleringsventilene lukker, kan de tilgjengelige differansetrykkene i kretsene bare øke. Dette betyr at dersom prosjektert mengde er tilgjengelig ved full belastning, vil man også ha tilstrekkelig mengde ved alle andre driftsforhold.

Oppstart
Når anlegget starter etter stopp eller nattsenking, og ved store lastvekslinger, er det normalt at de fleste reguleringsventilene åpner helt. Dette er en kritisk situasjon. Om anlegget ikke er innregulert kan man få store overmengder i enkelte deler av systemet, noe som igjen fører til store undermengder i andre deler av systemet. De ugunstige kretsene vil ikke få tilstrekkelig mengde før områdene hvor de gunstige kretsene er har nådd riktig temperatur. Først da kan reguleringssystemet gjøre jobben sin. En slik oppstart tar lengre tid enn nødvendig, noe som fører til økt energiforbruk.

Figur 3. Et anlegg som ikke er innregulert må starte opp tidligere, noe som øker energiforbruket.

Trerørssystem (vendt retur)
Ulike løsninger har vært forsøkt for å oppnå balanse i vannbårne systemer, en av de er trerørssystem (også kalt Tiechelman [etter oppfinneren] eller vendt retursystem). Prinsippet er ganske enkelt og hovedideen er å gi det samme tilgjengelige differansetrykket over alle apparatene ved omhyggelig å velge riktige rørdimensjon og legge til et tredje rør (figur 4).

Figur 4. Trerørssystem.

Det kan fungere i teorien, men i praksis er det mange ulemper med et slikt system.

Et tredje rør er nødvendig
I prinsippet må det installeres et tredje rør som er dimensjonert for den totale vannmengden, og dette kan øke prisen på anlegget ganske mye. Videre skaper dette tredje røret et ekstra trykktap som ikke kan ignoreres. Det tredje røret representerer også et ekstra energitap, noe som kan øke bygningens energibehov.

Det samme trykktapet kan ikke oppnås i alle rørsegmentene
Ettersom rørdiameterne er standardisert, er det i praksis umulig å skape et like stort trykkfall over alle rørsegmentene. Som et eksempel vil en vannmengde på 32 m3/h (8, 9 l/s) ha et lineært trykkfall på 96 Pa/m, respektive 346 Pa/m, dersom du går fra et DN 100-rør til et DN 80-rør. Dersom det påkrevde trykkfallet er 200 Pa/m, vil det være umulig å finne riktig rør for den vannmengden.
Resultatet vil være forskjellig trykkfall over de forskjellige apparatene (figur 5).

Figur 5. Tillgängligt differenstryck.

Er samme dp for alle apparater riktig?
Å ha samme trykkfall er kun fordelaktig hvis de berørte apparatene er identiske, både når det gjelder hydraulisk motstand og prosjektert vannmengde. Hva er poenget med å bruke samme differansetrykk på apparater som krever forskjellige differansetrykk?

Hva om anlegget endres i etterkant?
Trerørssystemet er konstruksjonsmessig fastsatt, og senere endringer gjør at de installerte rørdiametrene blir uvesentlige. Det er derfor svært vanskelig og kostbart å gjøre endringer på anlegget hvis det ikke er installert innreguleringsventiler.

Trerørssystemet kan kun benyttes i systemer med konstant vannmengde
Ved variable vannmengder, vil ikke differansetrykkene lenger være konstante. De relative variasjonene i trerørssystemer er vanligvis høyere enn de som forekommer i distribusjonssystemer med direkte retur.

Innreguleringsventiler er fortsatt nødvendig
For å kunne kompensere for forholdene som er beskrevet over, må det installeres innreguleringsventiler som gjør at man kan utføre de nødvendige endringer og tilpasninger. Dessuten er innreguleringsventiler viktige verktøy for å kunne feilsøke, noe som ellers ikke ville vært mulig.
Man skal imidlertid være klar over at det ikke finnes noen metode for systematisk å innregulere et anlegg med trerørssystem. Dette kan bare gjøres ved beregninger eller iterasjon.

Enkel innregulering
Ved å innregulere legger man ikke bare til rette for at anlegget skal fungere optimalt. Man avdekker også eventuelle feil og mangler (luft, ombyttet tur og retur osv.), slik at de kan rettes opp på et tidlig tidspunkt.
TA Balance-metoden er den enkleste måten å innregulere et anlegg på. TA Balance er et dataprogram som er basert på kompensasjonsmetoden og er integrert i innreguleringsinstrumentet TA-CBI. Den store fordelen med denne metoden er at én person kan innregulere hele anlegget på en effektiv måte med kun ett innreguleringsinstrument.
Som ved alle andre innreguleringsprosedyrer må anlegget deles opp i moduler. En modul dannes av flere kretser som er koblet til samme tur- og returledning. Hver krets har sin egen innreguleringsventil. Hver modul har en felles innreguleringsventil, en såkalt partnerventil (figur 6).

 Figur 6. Innreguleringsmodul.

Ved å måle ventilene i aktuelle modul avdekker TA-CBI indekskretsen (kretsen med det høyeste differansetrykket) og velger et trykkfall på 3 kPa for denne kretsens innreguleringsventil (3 kPa er laveste anbefalte trykkfall av hensyn til nøyaktigheten ved måling med TA-CBI).
TA-CBI beregner også innstillingene for de andre innreguleringsventilene, slik at man skaper en innbyrdes balanse mellom kretsene i modulen. Innstillingen er ikke avhengig av det tilgjengelige pumpetrykket eller hvordan de andre innreguleringsventilene i anlegget er innstilt. Verdiene stilles inn og låses.
Når alle modulene er innregulert hver for seg, justeres de i forhold til hverandre ved hjelp av samme metode. Til slutt stiller man inn den totale prosjekterte vannmengden med hovedventilen. Når det er gjort, er vannmengden korrekt ved alle apparater.
Alt overtrykk tas nå opp i hovedventilen. Om pumpen er regulerbar bør man justere ned pumpetrykket tilsvarende, da dette reduserer pumpens energiforbruk.

Konklusjon
Formålet med ethvert VVS-anlegg er å gi et komfortabelt inneklima til lavest mulig kostnad.
I teorien kan moderne reguleringsteknologi gjøre dette mulig. I praksis hender det likevel at selv de mest avanserte regulatorer ikke gir full valuta for pengene. Årsaken til dette er ofte at vilkårene for stabil regulering ikke er oppfylt.
Ett av disse vilkårene er at den prosjekterte vannmengden må være tilgjengelig ved alle terminaler. Innregulering er nødvendig for å sikre at dette vilkåret oppfylles. Innregulering forhindrer at for stor vannmengde i enkelte kretser forårsaker for liten vannmengde i andre. Ved å innregulere finner man optimalt settpunkt for turtallsstyrte pumper, og man legger til rette for at anlegget i sin helhet fungerer som det er tenkt.

TA Hydronics
Bo G Eriksson, Senior Engineer