WILO Szeminárium Tervezői szakmai nap május 3. Használati melegvíz rendszerek kialakítási és méretezési kérdései Dr. Szánthó Zoltán egyetemi docens Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék

Témakörök használati melegvíz igények meghatározása HMV cirkulációs rendszerek kialakítása és méretezése HMV tárolók alkalmazása HMV tárolós rendszerek méretezése

A napi fogyasztás tartamdiagramja

A HMV igények csökkenése 1986 – (1987) – 1991 – (1995) – 2003 – (2011)

Méretezési összefüggések budapesti lakossági fogyasztókra lakásra perc csúcsidőre liter/perc

A tároló és a hőtermelő méretezése

A HMV hőfelhasználás felértékelődése

Éves hőfelhasználás egy fiktív mintaépületben: fűtés: 628,4 GJ HMV:643,6 GJ!

HMV rendszer kialakítása soros tárolóval

A cirkulációs hálózat kiépítése elsősorban az ellátási komfort érdekében higiéniai szempontok gazdasági megfontolásból: Kiterjedt hálózatok esetében elengedhetetlen a hidraulikai beszabályozás! nagyobb beruházási költség szivattyúzási munka nagyobb hőveszteség a kifolyatott víz és hőtartalmának költsége ↔

„Energievernichtungsanlage” („energiamegsemmisítő berendezés”) 45 lakásos társasház csak alapvezetéki cirkuláció (el lehetett hagyni a beszabályozást) napi 168 MJ HMV hőfelhasználás napi 76 MJ cirkulációs hőveszteség

A hidraulikai beszabályozás elmaradásának következményei cirkulációs tömegáram rövidre záródik a közeli ágakon elégtelen cirkulációs tömegáram, ezért súlyos hőmérséklet- panaszok a távolabbi felszállókon a szükséges HMV hőmérséklet esetleg még kifolyatással sem érhető el lehetetlen a mérés szerinti elszámolás energia- és ívóvíz pazarlás

A beszabályozatlanság következményei a HMV fogyasztás szerinti elszámolása nem oldható meg jelentős víz- és hőveszteség a beszabályozatlanságot általában túlméretezett cirkulációs térfogatárammal kompenzálják, ami a legkedvezőtlenebb fogyasztó számára is elfogadható viszonyokat eredményez: → energiapazarlás a HMV hőtermelés méretezésében komoly bizonytalanságot okoz az ismeretlen cirkuláció –a nagy cirkulációs térfogatáram és magas visszatérő hőmérséklet rontja a hőcserélő közepes hőfokkülönbségét –a HMV termelés az indokoltat meghaladó primer tömegáramot igényel

Megoldási lehetőségek ötletelés a fogyasztói panaszok megszüntetésére –magasabb HMV hőmérséklet –nagyobb teljesítményű szivattyú –serkentőszivattyú –Tichelmann-kapcsolás –stb. a megoldás csak a nyomáskülönbségek kiegyenlítése lehet –hidraulika beszabályozás fojtószakaszok, fojtótárcsák beszabályozószelepek –statikus –dinamikus termosztatikus cirkulációs szelepek –a felszállók nyomáskülönbségének kiegyenlítése a cirkulációs alapvezeték és az előremenő vezeték túlméretezésével, a cirkulációs felszállók alulméretezésével

A pótlólagos beszabályozás gazdaságossága A beszabályozás és szivattyúcsere egyszerű megtérülési ideje kb. 10 év, ha csak a szivattyúzási munkában jelentkező megtakarítást tekintjük (2006).

Cirkulációs hálózat méretezése a DVGW W553 szerint a DIN 1988 szerinti méretezett cirkulációs rendszerekben (az előremenő vezeték térfogatának óránként háromszoros átkeringetése) ellátási problémák lépnek fel olyan méretezési eljárás szükséges, aminek nincsen irreálisan nagy számítási igénye gyors - egyszerűsített - részletes méretezési eljárások Feltétel: a HMV és cirkulációs vezetékeken a „Heizungsanlagenverordnung” szerinti hőszigetelés

Gyors méretezési eljárás a DVGW W553 szerint Egyszerű méretezés egy- és kétlakásos családi házak és számára Ha- az összes HMV előremenő hossza rövidebb, mint 30 m; - a leghosszabb cirkulációs vezeték rövidebb, mint 20 m, akkor - a cirkulációs vezetékek belső átmérője legyen legalább 10 mm - a cirkulációs szivattyú névleges mérete DN15 - a szivattyú térfogatárama 200 l/h 10 kPa nyomáskülönbség mellett - hidraulikai beszabályozás nem szükséges

Egyszerűsített és részletes méretezési eljárás A kettő egymás alternatívájaként alkalmazható Egyszerűsített eljárás: elhanyagolások az egyszerűbb számítás érdekében az eredmény túlméretezés Részletes eljárás: nagyobb számítási igény pontos eredmény kisebb méretű berendezés kisebb energiafelhasználás

A méretezés lépései I. 1.a HMV előremenő vezetékek méretének megállapítása 2.a vezetékhálózat hőveszteségének meghatározása 3.az összes keringetett cirkulációs tömegáram meghatározása a DVGW W551 előírás szerint megengedett max. 5°C lehűlés figyelembe vételével 4.a cirkulációs tömegáram megosztása az egyes ágvezetékek között 5.a cirkulációs vezetékszakaszok méretének meghatározása 6.a nyomásveszteség meghatározása 7.a hidraulikai beszabályozás előbeállítási értékeinek meghatározása

A méretezés lépései II. 3. az összes keringetett cirkulációs tömegáram meghatározása a DVGW W551 előírás szerint megengedett max. 5°C lehűlés figyelembe vételével 4.a cirkulációs tömegáram megosztása az egyes ágvezetékek között

Az egyszerűsített eljárás során megengedhető elhanyagolások 2.a vezetékhálózat hőveszteségét nem kell pontosan meghatározni számítás csak az előremenő vezetékhálózatra q szabad = 11 W/m; q falhoronyban = 7 W/m 3.a cirkulációs tömegáramot csak az előremenő hővesztesége alapján kell számítani Δt megengedett = 2°C 6.a nyomásveszteség számítása során csak a cirkulációs vezeték súrlódási nyomásveszteségét kell meghatározni Δp összes = 1,2÷1,4 Δp cirkuláció

A használati melegvíz termelés kialakításai átfolyós HMV termelés tárolós HMV termelés –boiler (a hőátadó felület a tárolóban) –hőcserélős - soros - párhuzamos - vegyes kapcsolás

A HMV termelés szekunderoldali kialakításai

A soros kapcsolású tároló működése a fogyasztás teljes térfogatárama a hőtermelőn halad át csúcsfogyasztás idején a hőtermelő teljesítménye elégtelen a hőcserélőből kilépő alacsonyabb hőmérsékletű víz a tárolóba jut, ahol bonyolult áramlási folyamatok zajlanak a fogyasztóhoz a tárolóban kialakult hőmérsékletű víz áramlik a tárolóban csak a fogyasztó által elfogadható hőmérsékletű közeg fordulhat elő – hacsak megfelelő biztonsággal ki nem tudjuk zárni, hogy a hidegebb víz a tároló regenerálása előtt a fogyasztóhoz jusson a tárolót a csúcsidőn kívül lehet regenerálni – a cirkuláció megléte a gyakorlatban elengedhetetlen (boilert kis kiterjedésű rendszerekben érdemes alkalmazni, ahol egyébként nem létesítenének cirkulációs rendszert)

A soros keveredéses tároló kisütése és töltése a gyakorlatban: folyamatosan változó térfogatáram; bizonytalan keveredés

Párhuzamos kapcsolás Elvi működés: nagy tárolóképességű hidraulikai leválasztó

Párhuzamos kapcsolás 1. a tároló egyben hidraulikai leválasztó is: csekély a HMV termelő rendszer nyomásvesztesége a szivattyú feladata a hőcserélő ág nyomásveszteségének fedezése a szivattyú munkapontját a beszabályozó szeleppel állítjuk be a hőcserélő térfogatárama közel állandó a szivattyú térfogatáramával egyező fogyasztás esetén a tárolóban nincsen áramlás; nagyobb fogyasztás esetén töltjük, kisebb fogyasztás esetén kisütjük a tárolót a tároló túltöltésének elkerülése érdekében a szivattyút célszerű ki- és bekapcsolni

A kapcsolás jelleggörbéje A beszabályozás szerepe

Soros és párhuzamos kapcsolás hőcserélőjének teljesítménye

Párhuzamos tároló hőmennyisége

Soros tároló hőmennyisége

A soros hőcserélő túlméretezésének hatása

A keveredéses és kiszorításos tárolóban tárolható hőmennyiség soros kapcsolás: t max = 60°C t min := 55°C párhuzamos kapcsolás: t max = 60°C t min := 10°C V soros / V párhuzamos = 10! ugyanazon hőmennyiség tárolása esetén Például:

keveredéses tárolókiszorításos tároló soros kapcsolás célszerű a tárolóban az ideális keveredést minél jobban megközelítő áramlást megvalósítani rövid üzemidőre méretezett tárolók esetében párhuzamos kapcsolás a tárolóbeli keveredés a párhuzamos kapcsolás működőképességét veszélyezteti minél jobban meg kell közelíteni az ideális keveredésmentes áramlást A hidraulikai kapcsolás és a tárolóbeli áramlás viszonya Analógia: kiszorításos és keveredéses légvezetési rendszerek!

Áramlási- és hőmérsékletviszonyok egy párhuzamosan kapcsolt tároló töltése és kisütése során 10°C-os tároló töltése 60°C-os vízzel, 4,5 és 9 perc után 60°C-os tároló kisütése 10°C-os vízzel 9 perc után

Hőmérséklet-eloszlás a kiszorításos tárolóban szimulációs eredmények: Ipacs Roland

Párhuzamos kapcsolás 2. egyetlen szivattyú a tároló töltésére és a cirkuláció keringetésére a kapcsolás hidraulikai leválasztó funkcióját tudatosan elrontjuk a csúcsfogyasztás idejére leáll a cirkuláció; kiterjedt hálózatokban ez kockázatot jelent a hálózat számára a cirkuláció miatt a szivattyút nem lehet leállítani, ezért a tároló töltését el kell nyújtani a teljes csúcsidőn kívüli periódusra a töltés térfogatárama rendkívül kicsi – beszabályozási problémák! a tároló túltöltését nem lehet kizárni

A tárolót töltő és kisütő térfogatáramok

A kapcsolás jelleggörbéje cirkuláció nélkül

A kapcsolás jelleggörbéje cirkulációval

A térfogatáramok alakulása (a szemléletesség kedvéért torz ábra: nagyon nagy a tárolót töltő térfogatáram)

A kapcsolás méretezése 1.a HMV hőmérsékletek megállapítása (t max, t min, Δt cirk ) 2.a HMV fogyasztást leíró összefüggések meghatározása 3.a csúcsidőtartam meghatározása 4.a hőcserélő méretének megállapítása 5.a tároló méretének megállapítása 6.a cirkulációs tömegáram meghatározása 7.a cirkuláció nyomásveszteségének meghatározása 8.a tárolót fogyasztás nélküli esetben töltő térfogatáram meghatározása 9.a tárolót és a cirkulációt keringető szivattyú kiválasztása ellenőrizni kell, hogy teljesül-e a szivattyú kiválasztásához két pontot kell meghatározni a V - Δp síkon

Párhuzamos kapcsolás 3. a tároló töltését beszabályozó szelep ellenállása nem terheli a cirkulációs kört a cirkuláció bekötésének megváltoztatásával a cirkulációs térfogatáram megnövekszik; egyes cirkulációs panaszok így egyszerűen orvosolhatók csúcsfogyasztás idején nem feltétlenül áll le a cirkuláció a tároló csak tapasztalati úton szabályozható be

Kapcsolás két szivattyúval a tároló töltés és a cirkuláció egymástól függetleníthető; nincsenek kényszerkapcsolatok a tároló túltöltése elkerülhető a tárolónak csak a felső hőmérő feletti térfogata vehető figyelembe a méretezésnél a HMV hőtermelést célszerű előnykapcsolásban megvalósítani jelentős szabadság a berendezések méretének kiválasztásában

A leggyakoribb hibák a cirkulációs tömegáram megoszlása nem megfelelő ellátási panaszok a távolabbi fogyasztóknál esélytelen kísérletezgetés különböző műszaki megoldásokkal a beszabályozás megkerülésére a HMV kifolyatása, a hőmérséklet és az összes cirkulációs tömegáram növelése – jelentős víz- és energiapazarlás árán – elfedhetik a panaszokat Beszabályozatlan cirkulációs hálózat

az előremenő és cirkulációs vezetékek eltérő mérete miatt az egyes felszállók áramköreinek ellenállásában jelentős különbség van a legkedvezőtlenebb helyzetbe a legközelebbi felszálló kerül nem ad megoldást az elmaradt beszabályozásból eredő problémákra Tichelmann-kapcsolás

a hőcserélő ágában a tervezettnél nagyobb a térfogatáram ha a hőcserélő térfogatárama nagyobb a tervezettnél, és nem méretezték túl, a tervezett HMV hőmérséklet akár nem is érhető el a hőcserélő ágának térfogatárama esetleg a csúcsfogyasztásnál is nagyobb – a szivattyú folyamatosan tölti a tárolót a hőcserélőbe a hidegvíznél melegebb közeg lép be – nő a primer-tömegáram igény, nő a HMV termelés energiaigénye Hiányzó beszabályozó szelep a párhuzamos kapcsolás hőcserélőjének ágában

ha nincs a kisütés irányában megkerülő visszacsapó szelep: felesleges nyomásveszteség a HMV ellátó hálózatban Beszabályozó szelep a tároló ágában

a tároló töltése és kisütése beszabályozható a hőcserélő ágában lévő szeleppel, de a tároló ágának kis nyomáskülönbsége miatt a cirkulációs hálózatra nem jut térfogatáram súlyos cirkulációs panaszok A cirkulációt a tároló hideg oldalára kötik; a tároló ágában nincsen beszabályozó szelep

a cirkulációs panaszokat a cirkulációnak a tároló ágában lévő beszabályozó szelep után való kötésével esetleg enyhíteni lehet

általában súlyos cirkulációs panaszok jelentkeznek, mivel a cirkulációs kör ellenállása lényegesen nagyobb A hőcserélő és a cirkulációs rendszer beszabályozása elmaradt

a két szivattyú üzeme valójában nem függetleníthető egymástól a tároló túltöltését nem lehet megakadályozni a kapcsolás hasonló az egyszivattyús kapcsoláshoz, de itt a cirkuláció nem feltétlenül áll le csúcsfogyasztás esetén működőképes kapcsolás, ami az egyszivattyúshoz képest számos többletfunkcióra képes, de nem alkalmas a túltöltés kivédésére Két keringető szivattyú van, de a tároló töltését nem lehet kikapcsolni

a kiszorításos („réteges”) tároló dugattyúszerű áramlást igényel, a hideg és melegvíz közötti minél kisebb térfogatú keveredési zónával a kevert víz hőmérséklete alacsonyabb a fogyasztó által igényeltnél; a keveredés veszteségként jelentkezik a keveredés a rontja a HMV ellátás biztonságát A párhuzamos tároló nem réteges tároló

a párhuzamos kapcsolás kiszorításos (= réteges) tárolót igényel a tárolóba vezetett cirkuláció elrontja a rétegződést ellátási panaszok nem feltétlenül jelentkeznek, de biztosan egyenetlen lesz a szolgáltatott melegvíz hőfoka, nő a melegvíz termelés energiafelhasználása (az esetek jelentős részében ellátási panaszok is jelentkeznek) A cirkulációt a réteges tárolóba vezetik

éjszakai fogyasztási szünetben a tároló töltés kis térfogatárama a cirkulációhoz keveredve nem képes az előremenő hőmérséklet fenntartására a HMV előremenő hőmérséket fokozatosan csökken a tároló a fokozatosan csökkenő hőmérsékletű vízzel kerül feltöltésre a reggeli induláskor a HMV hőmérséklete nem megfelelő A cirkulációt a hőcserélő után kötik; a hőmérő a hőcserélő kilépő vizében, a keveredési pont előtt

az „utánkötött” cirkuláció energetikailag kedvezőbb (magasabb a hőcserélő hőfokkülönbsége; kisebb primer tömegáram szükséges, amit jobban ki lehet hűteni) a szivattyú előtti keveredés a pillanatnyi üzemviszonyok függvénye nagyobb holtidő: nagyobb a szabályozás nehézségi foka; a szabályozó behangolása nélkül nagy a hőmérsékletlengések kockázata hőmérsékletlengés → vízkő a tároló ágában nincs fojtás – túltöltés A cirkulációt a hőcserélő után kötik; a hőmérő a kevert vízben

fogyasztás nélküli esetben kicsi a tároló töltés, így a hőcserélő térfogatárama is; maximális, és a tároló töltésénél lényegesen nagyobb a cirkulációs térfogatáram a megfelelő előremenő hőmérséklet csak a hőcserélőn túlmelegített vízzel érhető el → súlyos vízkövesedés! A cirkuláció a hőcserélő után; a hőmérő a cirkulációval közös ágban, befojtott tárolóág

a hosszú futásidejű, behangolatlan szabályozó szelep a HMV hőmérséklet folyamatos lengését eredményezte a hőcserélő kb. 14°nk mellett is kevesebb, mint 3 hónap alatt teljesen elvízkövesedett

Köszönöm a figyelmet!