BYG DTU. Varmeanlæg. Kaj Christensen. Undervisningsnotat BYG DTU U-059 2003 ISSN 1601-8605

BYG DTU Kaj Christensen Varmeanlæg supplement til SBI anvisning 175, varmeanlæg med vand som medium Foreløbig udgave DANMARKS TEKNISKE UNIVERSITET Undervisningsnotat BYG DTU U-059 2003 ISSN 1601-8605 1

2

Kaj Christensen VARMEANLÆG supplement til SBI-anvisning 175, varmeanlæg med vand som medium Danmarks Tekniske Universitet BYG.DTU-bygning 118 2800 Kgs. Lyngby http://www.byg.dtu.dk 2003 3

VARMEANLÆG Forord Dette kompendium er tænkt som undervisningsmateriale i det grundlæggende kursus i varmeanlæg på den bygningsfaglige gren af Danmarks Tekniske Universitet. Kompendiet er tænkt som et supplement til SBI anvisning 175 og er dermed ikke tænkt at skulle læses alene. Når kompendiet er blevet til, er det fordi SBI anvisning 175 er en håndbog i varmeanlæg og ikke en lærebog. Ved brug af anvisningen gennem flere år har jeg erfaret, at en del emner kræver en uddybning for at blive forstået af studerende uden forhåndsviden om varmeanlæg. Kompendiet henvender sig til studerende, som har en forhåndsviden om hydraulik, herunder pumpeteori. Det kan ikke undgås, at der er en vis overlapning mellem kompendiet og SBI-anvisningen, og der er også anvendt nogle få figurer fra anvisningen. Tegninger uden kildeangivelse er udført af Anne Hesselgren Lyngby august 2003-08-18 Kaj Christensen 4

VARMEANLÆG Indhold FORORD... 4 1. INDLEDNING... 6 2. RADIATORER... 14 2.1. NØDVENDIG VANDFØRING... 14 2.2 RADIATORERS VARMEAFGI VELSE... 15 2.3 VALG AF TEMPERATURER... 17 2.4 DE BESTEMMENDE LIGNINGER... 18 3. HYDRAULISK BEREGNING AF VARMEANLÆG... 22 4. RØR... 26 5. VENTILER I REGULERINGSSYSTEMER... 32 5.1 REGULERINGSSYSTEMER... 32 5.2 VENTILER... 34 5.3 RADIATORTERMOSTATER... 43 5.4 BLANDEANLÆG... 47 5.5 STRENGREGULERINGSVENTILER... 52 5.6 INDREGULERING... 53 6. PUMPER... 56 7. ENERGI... 62 7.1 OMREGNING FRA ÅRLIGT ENERGIFORBRUG TIL DIMENSIONERENDE VARMETAB... 64 8. LITTERATUR... 68 9. INDEKS... 69 5

VARMEANLÆG Kapitel 1 1. Indledning Centralvarmeanlæg med vand som varmebærende medium har været kendt i flere hundrede år. Et vandvarmeanlæg er i princippet ganske simpelt, idet det blot er et rørsystem til cirkulation af varmt vand, som har til formål at forsyne et antal radiatorer med varme, som herefter kan afgives til rummet. I forhold til luftvarme har vandvarmeanlæg den store fordel, at vands varmefylde i J/kg K er omkring 4 gange større end lufts, og at 1 kg vand fylder væsentlig mindre end 1 kg luft. Vand kan dermed transportere en væsentligt større varmestrøm end luft ved alt andet lige. Et varmeanlæg består i princippet af tre dele, nemlig forsyningsanlægget, fx en kedel, varmeveksler eller lign samt div. udstyr fordelingsanlægget, dvs de ledninger og det udstyr som sørger for en korrekt fordeling af det varme vand forbrugsanlægget, som er de radiatorer som afgiver varmen og det dertil nødvendige udstyr. Dette kompendium vil for det meste beskæftige sig med fordelingsanlægget og forbrugsanlægget, medens forsyningsanlægget kun bliver perifert omtalt. De første vandvarmeanlæg var med naturlig cirkulation, idet man her udnyttede de termiske kræfter som hidrører fra, at vandet i de forskellige dele af anlægget har forskellige temperatur. Da varmt vand er lettere end koldt vand, kan vandet strømme af sig selv fra varmekilden op til radiatorererne og det afkølede vand tilbage igen. Disse anlæg er i dag forladt til fordel for pumpeanlæg, idet kravene til en effektiv styring af vandstrømmene og temperaturen nødvendiggør brug af pumper. Endvidere er moderne pumper i dag så prisbillige, at der i praksis ikke er nogen alternativer. Vandvarmeanlæg kan udformes efter to forskellige principper, nemlig som enstrengsanlæg og som tostrengsanlæg. Disse kan opdeles på følgende måde: Enstrengede anlæg: fordeling oppefra: Lodrette strenge (fig. 1.1) Vandrette strenge fordeling nedefra: Lodrette strenge Vandrette strenge Tostrengede anlæg: fordeling oppefra: Lodrette strenge (fig 1.4). Vandrette strenge fordeling nedefra: Lodrette strenge (fig.1.2) Vandrette strenge (fig.1.3) 6

VARMEANLÆG Kapitel 1 Det enstrengede anlæg er karakteriseret ved en enkel rørføring, da der ikke er separate rør til fremløb og returløb, se fig. 1.1. Derimod passerer det samme vand flere radiatorer, hvorved vandet bliver koldere og koldere efterhånden som det kommer længere frem i rørsystemet. Dette gør, at man under dimensioneringen må bruge relativt små afkølinger i hver radiator, da de sidste radiatorer ellers vil få alt for koldt vand. Dette resulterer i, at afkølingen over strengen bliver lille, hvorfor de enstrengede anlæg er uegnede til fjernvarmesystemer, hvor det netop tilstræbes at få en stor afkøling. Den besparelse man oprindelig regnede med at opnå ved den enkle rørføring, går dog som regel tabt ved at de sidste radiatorer skal være større, og enstrengsanlæg er sjældne ved nyanlæg og vil ikke blive behandlet yderligere i dette kompendium. Fig. 1.1 viser et eksempel på et enstrengsanlæg med lodrette strenge og fordeling oppefra, hvor strengene er lodrette og gennembryder dækskonstruktionen. Det tostrengede anlæg er karakteriseret ved, at der er en separat fremløbsledning og en separat returløbsledning, se fig. 1.2. Dette bevirker bl.a., at alle radiatorer får vand med stort set samme temperatur. Denne anlægstype er i dag dominerende ved nyanlæg og det er denne type, som vil bliver behandlet i dette kompendium. De to anlægstyper reagerer noget forskellig på faktorer som varierende udetemperaturer, lukning af enkelte radiatorer, variationer i det naturlige drivtryk mv. Konklusionen er imidlertid, at langt hovedparten af alle nye varmeanlæg i dag udføres som tostrengsanlæg. Fig. 1.1 Principskitse af et enstrengsanlæg med lodrette strenge og fordeling oppefra. (8) 7

VARMEANLÆG Kapitel 1 Fig 1.2 Principskitse af et tostrengsanlæg med lodrette strenge og fordeling nedefra. (8) Fig. 1.2 viser et eksempel på et meget anvendt tostrengsanlæg med lodrette strenge og fordeling nedefra. Her er der to strenge, som gennembryder dækskonstruktionen for hver radiatorgruppe. Det er ikke altid at det er hensigtsmæssigt at udføre varmeanlægget med lodrette strenge. I fx et kontorhus med mange kontorer liggende på række kan det være mere hensigtsmæssigt at benytte anlæg med vandret fordeling, hvor strengene gennembryder vægkonstruktionerne, se fig. 1.3. I sådanne anlæg vil strengene ofte bliver fremført skjult under en bred vindueskarm, hvor der også er plads til el- og datakabler, se fig. 1.7. Fig. 1.3 Principskitse af tostrengsanlæg med vandret fordeling og forsyning nedefra. (8) 8

VARMEANLÆG Kapitel 1 Fig. 1.4 Tostrengsanlæg med lodrette strenge, forsyning oppefra og vendt retur. (8) Fig. 1.4 viser et tostrengssystem med såkaldt vendt retur. Princippet er at gøre alle kredsløb (dvs fra forsyning til en vilkårlig radiator og tilbage til forsyning) stort set lige lange. Dette indebærer at alle kredsløb har næsten samme hydrauliske modstand, hvorved den såkaldte indregulering bliver enklere. Indregulering er den proces, hvorunder man indstiller på de forskellige ventiler for at opnå den korrekte vandfordeling i varmeanlægget. Denne proces udføres normalt efter færdigbygningen af varmeanlægget. Udover de nævnte varianter af en- og tostrengsanlæg skal også nævnes de såkaldte centralstammeanlæg, som bruges en del i kontorbygninger og boligblokke. Her anvendes skakte til at føre to strenge lodret op gennem bygningen, og strengene forgrener sig derpå ud på hver etage, hvor varmeanlægget så kan være et enstrengsanlæg eller hyppigst et tostrengsanlæg, se fig 1.5 og 1.6. Det på fig 1.6 viste tostrengsanlæg er af fordelerrørstypen, hvor centralt placerede fordelerrør forsyner plastrør, PEX-rør, med vand til radiatorerne. Tostrengsvarmeanlægget i centralstammeanlægget kan også være et traditionelt stålrørssystem, hvor rørene fx føres under vindueskarme som vist på fig. 1.7 Alle nye varmeanlæg er i dag forsynet med én eller flere pumper til at cirkulere det varme vand. Pumpens hydrauliske virkning er den, at den tilfører vandet den mængde energi, som er nødvendig for at overvinde strømningsmodstanden i anlægget. Pumpen får lidt hjælp af det naturlige drivtryk, som skyldes at vandet i forskellige punkter af anlægget har forskellig temperaturer, og da koldt vand er tungere end varmt vand, giver densitetsforskellene en trykdifferens i anlægget.. Denne hjælp er dog normalt uønsket, idet den kan ændre på den vandfordeling, som er opnået ved indreguleringen. Især tostrengsanlæg med lodrette strenge er følsomme for ændringer i det naturlige drivtryk, som varierer med afkølingen i anlægget og dermed med udetemperaturerne. Problemet kan normalt løses ved at give ventilerne en stor modstand, hvilket også af styringsmæssige grunde er en fordel. 9

VARMEANLÆG Kapitel 1 Fig 1.5 Centralstammeanlæg anvendt i et enstrengsanlæg (1) Fig 1.6 Centralstammeanlæg anvendt i et tostrengsanlæg af fordelerrørstypen (1) 10

VARMEANLÆG Kapitel 1 Fig 1.7 Vandrette stålstrenge i tostrengsanlæg monteret under vindueskarm De fleste nyere anlæg udformes i dag som lukkede anlæg, hvor der ikke er nogen forbindelse mellem vandet i anlægget og omgivelserne. Da et varmeanlæg arbejder ved varierende temperaturer vil vandet udvide sig og trække sig sammen. Disse variationer i vandindholdet bliver i mindre anlæg normalt optaget i en lukket ekspansionsbeholder af membrantypen, se fig 1.8. Figuren viser en cylindrisk stålbeholder som er fyldt med kvælstof eller atmosfærisk luft med et vist overtryk, som sikrer at der ikke opstår undertryk noget sted i varmeanlægget, noget som ellers kan optræde i øverste fjerneste punkt af anlægget. Beholderen er endvidere forsynet med en gummimembran som kan holde vand og luft adskilt. Når vandet udvider sig vil vandet trænge ind i beholderen og sammenpresse luften. Når luftrummet halvveres, stiger trykket til det dobbelte. Det er derfor vigtigt, at beholderen har den rette størrelse, og at der ikke er for meget vand i beholderen, når vandet er koldt. Disse beholdere findes i størrelser fra 8 til 1000 liter. Ekspansionbeholderen anbringes normalt i kedelrummet på sugesiden af pumpen, hvorved der er mindst risiko for undertryk i anlægget. Hvis der sker en skade på ekspansionsbeholderen, er der risiko for at trykket overstiger det tiladelige. Derfor forsynes anlægget også med en såkaldt sikkerhedsventil, som åbner når trykket overstiger det tilladelige for varmeanlægget. 11

VARMEANLÆG Kapitel 1 Fig. 1.8. Lukket ekspansionbeholder (1) Et varmeanlæg dimensioneres til at kunne levere tilstrækkelig varme ved udetemperaturen 12 0 C uden at medtage gratisvarme fra personer, maskiner mv. Dette benævnes den dimensionerende situation. Imidlertid vil varmeanlægget i langt den største del af varmesæsonen arbejde ved udetemperaturer som er højere end 12 0 C. Disse situationer benævnes reguleringssituationen, hvorunder en del radiatorer er lukkede og der er ikke behov for en høj fremløbstemperatur. Ud over disse to situationer er der sænkningssituationen og genopvarmningssituationen, hvorunder anlæggets ydelse i visse tidsrum sænkes og herefter genoptager den nødvendige ydelse. For at kunne sænke fremløbstemperaturen i reguleringssituationen er der normalt monteret et eller flere såkaldte blandeanlæg, også kaldet blandesløjfer. I et blandeanlæg foretages en opblanding af returvand i fremløbsvandet, hvorved fremløbstemperaturen bliver lavere. Denne opblanding styres normalt af reguleringsudstyr, som tager hensyn til såvel indetemperaturen som udetemperaturen. I et varmeanlæg cirkulerer der varmt vand til de enkelte radiatorer, som derved kan afgive en varmeeffekt til rummet. Denne varmeeffekt er bl.a. afhængig af vandføringen gennem radiatoren. Det er derfor vigtigt, at hver enkelt radiator får præcis den beregnede vandføring. Får den for lidt, bliver den afgivne varmeeffekt for lille og får den for meget, får andre radiatorer for lidt vand. For at opnå den korrekte vandfordeling skal der foretages en hydraulisk dimensionering af varmeanlægget. Da vandet har nemmere ved at strømme gennem de første radiatorer som det møder, må der her indskydes modstande for at forhindre for stor vandføring. Da det er umuligt at afstemme rørdimensionerne så de korrekte modstande opstår i varmeanlægget, indskydes der i stedet ventiler, som derfor sørger de nødvendige modstande. Det er størrelsen af disse modstande, den hydrauliske beregning skal bestemme. 12

VARMEANLÆG Kapitel 1 Der kommer her en kort beskrivelse af de efterfølgende kapitlers indhold I kapitel 2 redegøres der for de grundlæggende ligninger for varmeanlæggets effektafgivelse, herunder den vandføring gennem radiatoren, som er nødvendig for at opnå en bestemt effektafgivelse. Det begrundes også, hvorfor det er muligt at fastsætte en ønsket returtemperatur i anlægget, således at afkølingen er en størrelse, som den projekterende bestemmer. I kapitel 3 gennemgås den hydrauliske beregning af varmeanlægget som primært gennemføres for at bestemme de nødvendige modstande i varmeanlægget. Kapitlet forudsætter en grundlæggende hydraulisk viden I kapitel 4 gennemgås de forskellige rørtyper som normalt anvende i varmeanlæg. I kapitel 5 gennemgås teorien for de ventiler, der er normale i varmeanlæg. Det bliver endvidere beskrevet, hvorledes de indbygges i varmeanlægget for at kunne give en effektiv regulering.. I kapitel 6 gennemgås pumpeteorien for uregulerede pumper og for de moderne omdrejningsregulerede pumper. Dette kapitel forudsætter et grundlæggende kendskab til pumpeteori. I kapitel 7 beskrives metoder til bestemmelse af det dimensionerende varmetab, herunder en metode til omregning fra et årligt varmeforbrug til et bud på det dimensionerende varmetab. 13

VARMEANLÆG Kapitel 2 2. Radiatorer 2.1. Nødvendig vandføring Den vandføring, som er nødvendig at lede gennem en radiator for at få en given effektafgivelse, afhænger af den ønskede effekt og af den valgte afkøling af vandet. t f t r F På figuren er vist en radiator, hvor vandet tilledes med temperaturen t f og fraledes med temperaturen t r. Idet den ønskede effektafgivelse fra radiatoren er F haves: Φ = Q c ρ t (2.1) hvor F = den afgivne radiatoreffekt i W Q = volumenstrømmen i m 3 /s c = varmekapaciteten i J/kg?K? = densiteten i kg/m 3?t = afkølingen t f t r ( hvordan afkølingen fastsættes, se senere) I stedet for volumenstrømmen m 3 /s bruges ofte massestrømmen G =?? Q Indsættes det i lign (2.1) fås Φ G = (2.2) c t hvor G får enheden kg/s 14

VARMEANLÆG Kapitel 2 Ønskes G i kg/h og indsættes værdien c = 4180 J/kg?K fås: Φ G = 0,86 t (2.3) hvor G er i kg /h F er i W?t er i 0 K Eks: For en radiator ønskes en effektafgivelse på 2.000 Watt og en afkøling af vandet på 30 0 K. Den nødvendige vandstrøm G bliver derfor: G = 0,86?2000 /30 = 57,3 kg/h = 58,1 l/h, idet 57,3 kg/h er divideret med densiteten af 55 0 varmt vand = 986 kg/m 3 og herefter ganget med 1000 for at få resultatet angivet i liter pr. time. 2.2 Radiatorers varmeafgivelse Den effekt som radiatoren skal afgive til et rum bestemmes som det samlede varmebehov bestemt ved en transmissionberegning eller et kvalificeret skøn. Fx. kan fig. 8.1 (3) give et godt skøn for det øjeblikkelige effekttab ud fra et skønnet årsforbrug ( beregning, se kapitel 8). Et sådant skøn anvendes dog kun, såfremt der ikke udføres en transmissionberegning. Radiatorfabrikanterne foretager målinger af deres radiatorers ydelse på grundlag af en europæisk norm DS/EN 442, som foreskriver bestemte temperaturer og vandstrømme ved målingen. Disse temperaturer er dog ikke typiske for de temperaturer, som normalt anvendes i varmeanlæg. Fabrikanterne foretager derfor en omregning af ydelserne til de almindeligt anvendte temperaturforhold. Denne omregning foretages ikke ens i alle EU-lande. En given radiators varmeafgivelse er dog afhængig af mange andre parametre end temperaturer og vandstrømme, nemlig lufttemperaturen, konvektionens karakter, radiatorens overflade, anboringernes placering, rummets overflader, radiatorens overfladeareal i forhold til rummets overfladeareal, div. inddækninger mv. Derfor vil ydelsen opgivet af fabrikanterne kun være vejledende og den skal normalt vurderes nærmere i forhold til radiatorens aktuelle placering. I (1) er der fx angivet korrektionsfaktorer ved forskellige former for inddækning. 15

VARMEANLÆG Kapitel 2 Dette illustrerer, at der er stor usikkerhed ved fastsættelsen af en radiators ydelse, når den først er indbygget i et varmeanlæg. Når man i et aktuelt projekt skal bestemme en radiators ydelse, vil man selvfølgelig først aflæse ydelsen i fabrikantens katalog. Det vil dog ofte være sådan, at det temperatursæt som ydelsen i kataloget er givet ved, ikke er det samme som dem man har valgt at benytte i det aktuelle projekt. Der er derfor behov for en omregning af ydelsen til projektets temperaturer. På grund af de mange usikkerhedsfaktorer foretages denne omregning normalt tilnærmet som vist nedenfor. Til omregningen antages det normalt, at ydelsen afhænger af den aritmetriske t f + t r middeltemperaturdifferens T = t i, således at 2 hvor n Φ = a T (2.4) F = radiatorens varmeydelse a = et udtryk for radiatorens størrelse t f + t r = et skøn for radiatorens middeltemperatur 2 t i = indetemperaturen, normalt 20 0 C n er radiatoreksponenten, som normalt sættes til 1,3 Bemærk at der er forskel på radiatorens afkøling?t = t f t r og radiatorens t f + tr middeltemperaturdifferens?t = ti 2 Ved store afkølinger (?t > 25 0 30 0 ) giver den logaritmiske middeltemperaturdifferens erfaringsmæssigt give mere pålidelige resultater end formel (2.4): hvor? = a (?m) n (2.5)?m er den logaritmiske middeltemperaturdifferens = t f t r t f ti ln t t r i Det kan vises, at for små afkølinger < 20 0-25 0 er den aritmitriske og den logaritmiske middeltemperaturdifferens være stort set ens. Dette illustreres med et eksempel. Eks: For temperatursættet t f = 70 0 C, t r = 50 0 C og t i = 20 0 C fås 70 + 50?T = 20 = 40 0 2 16

VARMEANLÆG Kapitel 2?m = 70 50 70 20 ln 50 20 = 39,2 0 K Formel (2.4) eller (2.5) benyttes nu på følgende måde: Haves ydelsen F 1 ved temperatursættet t f,1, t r,1 og t i,1 og ønskes ydelsen F 2 ved temperatursættet t f,2, t r,2 og t i,2 fås fx af lign. (2.5): Φ Φ 1 2 m = m 1 2 n (2.6) Eks: I et radiatorkatalog er ydelsen af en radiator givet til 525 W ved temperatursættet 75 0 C/65 0 C/20 0 C. Hvad bliver ydelsen ved temperaturerne 70 0 C/40 0 C/20 0 C? Af formel (2.6) fås: Φ1 525W 70 40 70 20 ln 40 20 = 75 65 75 20 ln 65 20 1,3 = 0,58 hvorved F 1 = 0,58 525W = 305 W 2.3 Valg af temperaturer Når der skal vælges fremløbs- og returløbstemperaturer er der indbyrdes modstridende hensyn at tage. En given radiator vil alt andet lige yde mere, jo højere temperatur den har, dvs at det taler for høje fremløbs- og returløbstemperaturer, eller sagt anderledes, jo højere temperaturer, jo mindre og billigere radiator. 17

VARMEANLÆG Kapitel 2 Da det meste opvarmning i Danmark foregår ved hjælp af fjernvarme taler det til gengæld for så lave temperaturer som muligt for at nedsætte varmetabet fra fjernvarmeledningerne og øge elvirkningsgraden på kraftvarmeværket. Det er imidlertid ikke kun temperaturerne, men også afkølingen t f t r der spiller en stor rolle. For en stor afkøling taler, at anlæggets nødvendige vandføring bliver lille og pumpeudgifterne dermed små., se lign. (2.2) Til gengæld bliver radiatorens middeltemperaturdifferens lille, hvorfor radiatoren alt andet lige bliver stor og dermed dyrere, se lign. (2.4) og (2.5). For en lille afkøling taler, at radiatorens middeltemperaturdifferens alt andet lige bliver stor og ydelsen derfor stor. Til gengæld bliver vandføringen i anlægget stor og pumpeudgifterne derfor store. Valget af temperaturer og afkøling bliver derfor et kompromis. I BR95 er det angivet, at varmeanlæg, der er tilsluttet fjernvarme, skal dimensioneres for en fremløbstemperatur på 70 0 C og en afkøling på min. 30 0 C., hvilket giver det hyppigt brugte temperatursæt 70 0 C/ 40 0 C/ 20 0 C. Er anlægget forsynet med en varmeveksler (indirekte tilslutning) vil man ofte regne med temperaturerne 65 0 C/ 35 0 C/ 20 0 C, på grund af temperaturfaldet i veksleren. Ved mindre gasfyrede anlæg skal der anvendes en middeltemperatur i radiatoren på max. 55 0 C. Der er ikke noget krav til afkølingen her, da det ikke er et kollektivt system på vandsiden. Ved små anlæg med et lille vandinhold anbefales en afkøling på 15 0 C for ikke at få alt for store temperaturvariationer under drift, da det kan give reguleringsstøj. For store gasfyrede anlæg skal der dimensioneres for temperatursættet 70 0 C/ 40 0 C/ 20 0 C. For en-strengede varmeanlæg skal afkølingen være lille, således at de sidste radiatorer på strengen ikke får for koldt vand. Dette vanskeliggør forsyning med fjernvarme, da så små afkølinger vil give alt for store varmetab i fjernvarmenettets returløbsledning. Derfor er enstrengede varmeanlæg ikke egnede til fjernvarmeforsyning. 2.4 De bestemmende ligninger Det kan umiddelbart synes mærkeligt, at man selv kan vælge sin returtemperatur i et varmeanlæg. Kan man så også være sikker på at det er denne temperatur, der optræder i anlægget? Fig. 2.1 Radiators varmeafgivelse 18

VARMEANLÆG Kapitel 2 Nedenfor dokumenteres det, at såfremt man udfører sine beregninger korrekt, vil man også få den returtemperatur man ønsker. På fig. 2.1 ses en radiator anbragt i et rum. Radiatorvandet afkøles fra temperaturen t f til t r og afgiver herved effekten? vand. Radiatoren afgiver effekten? radiator ved hjælp af stråling og konvektion. Rummet afgiver effekten? transmission gennem rummets vægge til udeluften. De tre processer kan fysisk moddelleres ved:? vand = G ( t ) f t r 0,86 (2.7) t f t r? radiator = a t f ti ln t r ti 1,3 (2.8) F transmission = U A ( t i t u ) (2.9) Lign. (2.7) er lign. (2.3) løst mht F, lign. (2.8) er identisk med lign (2.5) og lign (2.9) er ligningen for transmissionstab. Under stationære forhold er de tre effekter lige store og kan da blot kaldes F:? vand =? radiator =? transmission =? Ligning (2.9) bestemmer det nødvendige F svarende til de givne værdier af t i og t u. Dernæst giver ligning (2.8) en sammenhæng mellem a (radiatordimensionen) og t r for et givet t f. Man kan altså opnå en ønsket t r ved at vælge radiatorens størrelse passende. Endelig giver ligning (2.7) anlæggets nødvendige massestrøm. Ligningerne løses i følgende rækkefølge: Først løses lign (2.9) for at finde F for det rum radiatoren befinder sig i. Dernæst indsættes denne værdi af F i lign (2.7) og (2.8) for at finde G og a for den ønskede værdi af t r, og dermed er radiatoren og dens nødvendige vandføring entydigt bestemt for temperaturen t r. Ligningerne belyses med et eksempel. Eks: I et rum er U A = 30 W/ 0 C, t i = 20 0 C, t u = -12 0 C, t f = 70 0 C og t r ønskes til 40 0 C. Hvad bliver varmetabet, den nødvendige vandføring og radiatorens størrelse a? Af lign. (2.9) fås F = 30 (20 + 12) = 960 W Lign (2.8) giver herefter 19

VARMEANLÆG Kapitel 2 960 = a 70 40 70 20 ln 40 20 1,3 som giver a = 10,3 Lign (2.7) giver herefter ( 70 40) G 960 = som giver G = 27,5 kg/h 0,86 Hermed er størrelsen af radiatoren og massestrømmen bestemt, således at returtemperaturen på 40 0 K opnås. I ovennævnte rum sænkes fremløbstemperaturen nu til 60 0 C. Hvad sker der, når vandføringen fastholdes? De tre ligninger ser således ud: F = 27,5 (60 t r ) 0,86 60 F = 10,3 tr 60 ti ln t r ti 1,3 F = 30 (t i + 12) Disse tre ligninger har løsningerne F = 831 W, t i = 15,7 0 C og t r = 34 0 C For at forsøge at hæve indetemperaturen hæves vandføringen nu til det dobbelte, dvs G = 55 kg/h, medens fremløbstemperaturen beholdes på 60 0 C. De tre ligninger ser nu således ud: F = 55 (60 t r ) 0,86 F = 10,3 1,3 60 tr 60 ti ln t r t i F = 30 ( t i + 12 20

VARMEANLÆG Kapitel 2 Disse tre ligninger har løsningerne F = 947 W, t i = 19,6 0 C og t r = 45,2 0 C Disse beregninger er alle udført for designsituationen, dvs når udetemperaturen er 12 0 C Lign. (2.7), (2.8) og (2.9) kan imidlertid også anvendes til at beregne forholdene under almindelige driftsforhold, hvilket illustreres med et eksempel Eks: Der regnes videre på det rum, som blev brugt i foregående eksempel, men for en udetemperatur t u på 0 0 C. Der regnes med en fremløbstemperatur t f på 60 0 C og en vandføring G på 27 kg/h. Ved opstilling af ligningerne på samme måde som i det foregående eksempel fås løsningerne F = 678 W, t i = 22,7 0 C og t r = 38,8 0 C Da indetemperaturen er for høj, forsøges det at sænke den ved at mindske vandføringen til 20 kg/h. Dette giver løsningerne F = 619 W, t i = 20,6 0 C og t r = 33,4 0 C Resultaterne af de gennemregnede eksempler er vist i følgende tabel: t u ( 0 C ) t f ( 0 C ) t r ( 0 C ) t i ( 0 C ) G ( kg/h ) F ( W ) -12 70 40,0 20,0 27,5 960-12 60 34,0 15,7 27,5 831-12 60 45,2 19,6 55,0 947 0 60 38,8 22,7 27,5 678 0 60 33,4 20,6 20,0 619 Resultaterne af eksemplerne antyder, at hvis målet for varmeanlægget er at opnå en indetemperatur på omkring 20 0 C i hele opvarmningsperioden samt opnå en lav returtemperatur, vil en effektiv styringstrategi være at regulere både fremløbstemperatur og vandføring efter udetemperaturen. Reguleringen af fremløbstemperaturen foregår i det såkaldte blandeanlæg, som normalt er anbragt i fyrrummet og reguleringen af vandføringen sker i radiatorernes termostatventiler og måske også ved regulering af pumpen. 21

VARMEANLÆG Kapitel 3 3. Hydraulisk beregning af varmeanlæg Fig. 3.1 Tostrenget varmeanlæg med 4 radiatorer På fig 3.1 er vist et simpelt tostrenget varmeanlæg i et hus med to etager. Anlægget består for simpeltheds skyld blot af fire radiatorer forbundet med rør af stål. Når der er fyldt vand på anlægget og pumpen startes, vil vandet cirkulere i ledningssystemet og fordele sig i de fire radiatorer således, at energitabet fra pumpen til hver af radiatorerne og tilbage til pumpen vil blive ens. Dette begrundes nedenfor. Den viste pumpe har hydraulisk den opgave at hæve energien fra punkt a på pumpens sugeside til punkt b på pumpens trykside med værdien?h p, kaldet pumpens løftehøjde. Lad os antage, at energien på pumpens sugeside (punkt a) er H a og på pumpens trykside (punkt b) er den H b. En væskepartikel som starter i punkt b med energien H b og som bevæger sig gennem radiator 101 og tilbage til pumpens sugeside vil dér have energien H a og har dermed haft et energitab på H b H a =?H p. En anden væskepartikel som starter i punkt b men bevæger sig gennem radiator 202 og tilbage til punkt a vil også mærke et energitab på?h p. Et tilsvarende ræsonnement kan gøres for de to væskepartikler som bevæger sig gennem radiator 201 og 102. Altså vil vandet fordele sig således gennem de fire radiatorer, at energitabet, regnet fra pumpens trykside, gennem en vilkårlig radiator tilbage til pumpens sugeside, bliver det samme. 22

VARMEANLÆG Kapitel 3 For det viste anlæg på fig. 3.1 vil det betyde, at der vil komme en stor vandføring gennem radiator 101, fordi ledningsstrækningen er kort. Til gengæld vil der komme en lille vandføring til radiator 202, fordi ledningsstrækningen er lang. De vandføringer der kommer i de fire radiatorer, bliver næppe dem, vi ønsker ud fra en beregning efter formel (2.2). Typisk må vi derfor tvinge mindre vand igennem radiator 101 og mere gennem radiator 202. Dette kan gøres ved at indskyde modstande i anlægget, f.eks. vil en modstand i radiator 101 mindske dennes vandføring. Disse modstande indbygges normalt i de termostatventiler, som man altid monterer på alle radiatorer. Beregningen af de nødvendige modstande gennemgås i det følgende. Indledningsvis sættes der bogstaver eller numre på de steder i anlægget, hvor vandføringerne ændrer sig, se fig. 3.1. Beregningerne, som nemmest udføres i et skema som fx det viste nedenfor, starter med at bestemme energitabet (= tryktabet) fra pumpen til den fjerneste radiator og tilbage til pumpen, eller mere korrekt, fra pumpen til den radiator med det største energitab og tilbage til pumpen. Dette kaldes ofte for det ugunstigste kredsløb. Dette er uden tvivl radiator 202 på figuren. Beregningerne ses i skemaet på næste side. I beregningerne på næste side er de ønskede radiatorydelser: F 101 = 1000 W, F 201 = 1200 W, F 102 = 1000 W, F 202 = 1300 W Længderne af de forskellige delstrækninger tænkes målt på en målfast tegning. Rørenes diameter er fastsat, så energiliniegradienten ligger omkring 10 o/oo, hvilket vil sige trykgradienten 100 Pa/m. Energiliniegradienten kan bestemmes vha flugtlinienomogrammer eller en passende rørformel. Da der kun er et begrænset udvalg af diametre, vil man dog ofte komme temmelig langt fra denne gradient. Der er anvendt 8 mm rør for at få en passende gradient, selv om denne diameter kun sjældent anvendes. Enkelttabsfaktorerne? er fundet i hydraulikbøger og har normalt ikke så stor talmæssig betydning. Et fremløbsrør og det tilsvarende returløbsrør ( fx c-e og e 1 -c 1 ) beregnes sammen, da der er samme vandføring i rørene. De angivne længder er derfor summen af fremløbs- og returløbsrørene. Vandføringen G bestemmes af formel (2.2). Ved beregningen af energitabet til den fjerneste radiator adderes der en ventilmodstand (formodstand) på 5.000 Pa. Muligheden for at skabe en formodstand er ofte indbygget i den radiatorventil, som anvendes på radiatoren og den kaldes derfor en ventil med integreret formodstand, se kapitel 5. Med en formodstand på 5.000 Pa er der mulighed for under indreguleringen af varmeanlægget både at åbne lidt op og lukke lidt i for ventilens formodstand for at få den korrekte vandføring gennem radiatoren. Endvidere mindsker man det naturlige drivtryks indflydelse ved at optage et stort trykfald i ventilen. På fig. 5.5 er vist toppen af en sådan radiatortermostat med integreret forindstilling (Danfoss). Anvender man ikke en sådan ventil med formodstand, vil man normalt anvende en reguleringsventil i serie med termostatventilen, så man er i stand til at indregulere anlægget nøjagtigt. Det er nemlig sjældent, at det er muligt at få en ventil, hvis modstand passer helt korrekt med det beregnede, og selv om man kunne det, er der så ikke mulighed for en indregulering af anlægget. 23

VARMEANLÆG Kapitel 3 Hydraulisk beregning af det tostrengede varmeanlæg fra fig. 3.1 Det ses, at der er et samlet tryktab på 8716 Pa fra pumpen til radiator 202 tilbage til pumpen. Der er dog set bort fra tryktabet i kedel eller veksler, da dette ikke har nogen betydning for beregningen af formodstandene. Når pumpen skal dimensioneres, skal dette tryktab dog medtages og vil typisk udgøre 3.000 5.000 Pa. Nedenfor vises hvorledes formodstandene i de øvrige radiatorer bestemmes, idet der som eksempel regnes på radiator 102. Det bemærkes, at energitabet fra pumpen til punkt e og fra punkt e 1 til pumpen allerede er beregnet og kan hentes i tabellen ovenfor. Det samlede tryktab fra pumpe til radiator 102 og tilbage til pumpen er således 3.364 Pa. Da der skal være samme tryktab som til radiator 202, skal der derfor indskydes en formodstand på 8.716 Pa 3.364 Pa = 5.352 Pa. Hver enkelt radiators formodstand beregnes på tilsvarende måde. 24

VARMEANLÆG Kapitel 3 Det kan have stor effekt på rørmodstanden at ændre på rørdimensionen, da tryktabet i rørledningen stiger med hastigheden i anden potens. Energibesparelsen ved at øge rørdimensionen skal imidlertid altid vejes op mod den merpris, der er forbundet med brug af en større rørdimension. Specielt armaturerne stiger i pris med øget rørdiameter, og er der tale om rustfri rør og fittings, kan markante merudgifter blive resultatet af at øge rørdimensionen. For stålrør kan der angives følgende max. strømningshatigheder og max. tryktab : Driftstimer pr. år Nominel rørdimension (mm) Max strømningshastighed (m/s) Max. tryktab (Pa/m) 0-4000 0-100 1,0 250 0-4000 over 100 1,4 150 4000-8760 0-100 0,7 200 4000-8760 over 100 1,0 100 Tabel 3.1 Anbefalede max. hastigheder og max. tryktab for stålrør. (7) Tabel 3.1 afspejler, at elforbruget er stort ved lange driftstider, hvorfor det ofte kan betale sig at vælge rør med lav hastighed. Kolonnen med max tryktab er et udtryk for energiforbruget til at transportere 1 m 3 væske 1 m ad røret. For en bestemt rørhastighed, bliver tryktabet ( og dermed energiforbruget pr. m 3 pr. m) større for et lille rør end for et stort rør, se fx en rurørsformel i en hydraulikbog. Der stilles derfor lidt mere restriktive krav til hastigheden ligesom der accepteres lidt større tryktab i de små rør. 25

VARMEANLÆG Kapitel 4 4. Rør Til fordeling af det varme vand i varmeanlægget kan anvendes stålrør, kobberrør eller PEX-rør. Stålrør som anvendes til varmeanlæggets fordelingssystem er normalt middelsvære gevindrør, kaldet således, fordi godstykkelsen giver mulighed for at dreje gevind i røret. De fås i dimensioner op til 150 mm, men i varmeanlæg benyttes rørene normalt kun op til 40 mm. Disse diametre er såkaldte nominelle diametre, som hverken udtrykker den indvendige eller den udvendige diameter på røret. De er passende afrundede talværdier i nærheden af de rigtige diametre, som efter DIN 2440 har de nedenfor viste værdier, hvor også diametrene angivet i den ældre dimensionsangivelse tommer er anført. For rørgevind. tommer 1 / 8 1 / 4 3 / 8 1 / 2 3 / 4 1 1 1 / 4 1 1 / 2 2 Nominel diameter mm 6 8 10 15 20 25 32 40 50 Udvendig diameter max. mm 10,6 14,0 17,5 21,8 27,3 34,2 42,9 48,8 60,8 Udvendig diameter min.. mm 9,8 13,2 16,7 21,0 26,5 33,3 42,0 47,9 59,7 Godstykkelse mm 2,00 2,35 2,35 2,65 2,65 3,25 3,25 3,25 3,65 Som det kan ses, vil fx. et 20 mm rør have den indvendige diameter liggende mellem 21,2 mm og 22,0 mm hvilket kan give store forskelle ved beregningen af rørtab. 6 mm og 8 mm rør er sjældent anvendte. Til rørene findes et stort udvalg af fittings, som er nødvendige når rørsystemet skal samles, se fig 4.1. Fig 4.1 Fittings til stålrør 26

VARMEANLÆG Kapitel 4 Anvendelsen af stålrør til varmeanlæg begrænses af, at man normalt fraråder anvendelse af samlinger i ikke- udskiftelige anlægdele, hvilket fx er anlægsdele under ikke-demontertbart gulv eller loft, indstøbt, indmuret, mv. Dette umuliggør derfor at føre stålrør bl.a.under gulvet, hvilket tidligere var almindeligt. Stålrør anvendes derfor normalt ført under loft, langs væg, i krybekælder, under demonterbart gulv eller loft, i tilgængelige skunkrum, i rørskakte, i rørpanel mv. Man kan dog anvende svejsesamlinger i ikke-udskiftelige anlægsdele, men dimensionerne er normalt for store til almindelige fordelingsledninger til varmeanlæg. På fig. 4.2 er vist løsninger for føring af isolerede stålrør i rørkasser eller paneler. I kontorbyggerier føres stålrørene ofte under vindueskarmene, som i forvejen er føringsvej for el- og datakabler o.a., se fig. 1.7. PEX-rør fremstilles af fornettet polyethylen med høj massefylde. Der tilsættes nogle kemikalier, som krydsbinder materialet (heraf X i navnet), hvorved der opnås større styrke. PEX-rør kan anvendes for temperaturer op til 95 0 C og et arbejdstryk på op til 10 bar og levetiden vurderes til min. 50 år. Fig. 4.2 Rør ført i rørkasse og rørpanel (2) 27

VARMEANLÆG Kapitel 4 PEX-rørene anvendes i en vis udstrækning til varmeanlæg, idet rørene kan anbringes skjult fx under gulv eller indstøbt, da de fås i ruller af stor længde og derved kan lægges uden skjulte samlinger. Dette stiller dog specielle krav til rørinstallationen, fordi der enten skal føres et sæt rør frem til hver radiator (fordelerrørsanlæg) eller udføres et sløjfesystem med specielle samlinger over gulv, se (1) Rørene bliver ofte lagt i tomrør (kaldet et rør- i -rør- system), så PEX-røret i tilfælde af en skade kan trækkes ud af tomrøret og udskiftes. PEX-røret er ikke i sig selv tæt over for ilt, som derfor kan trænge fra luften ind i centralvarmevandet og forårsage tæringsskader på metaldelene. Til varmeanlæg skal der derfor anvendes et PEX-rør med iltbarriere, som fabrikanten fremstiller ved efterbehandling af almindelige PEX-rør. PEX-røret anvendes normalt ikke til synlige installationer, da røret ikke er så robust over for mekaniske påvirkninger. Desuden vil røret hænge i buer mellem bæringerne og materialet kan ikke tåle sollys. For at gøre PEX-røret mere robust er den nyeste rørtype et kompositrør bestående af et indvendigt og udvendigt PEX-rør med et mellemliggende aluminiumslag. Denne rørtype benævnes forskelligt af de forskellige firmaer, fx kalder Wavin produktet for Alupex, medens det kaldes for Unipipe af firmaet Wirsbo. Produkterne er dog stort set identiske. Denne rørtype anvendes ligesom det almindelige PEX-rør, men kan også anvendes ved synlige installationer og har den yderligere fordel, at den er nem at bukke og bevarer sin form efter bukning. På fig 4.3 er vist de sædvanlige typer af PEX-rør, nemlig PEX-rør, PEX-rør i tomrør, PEX-rør med isolering og PEX-rør i tomrør med isolering, alle af mærket LINPEX. De almindelige PEX-rør og kompositrørene koster stort set det samme. Fig. 4.3 PEX-rør i forskellige udgaver. ( LINPEX) 28

VARMEANLÆG Kapitel 4 Ligesom for stålrør tilbyder fabrikanterne et helt system af fittings, som er nødvendigt ved opbygning af et helt rørsystem. Disse fittings er enten fremstillet af messing eller plast + rustfrit stål. Fittings af messing kaldes skruefittings eller klemringsfittings. Når omløberen på en fitting skrues i, vil en klemring bore sig ind i plasten og derved skabe en tæt forbindelse, se fig. 4.4. De nyeste fittings er presfittings, som er udført af plast (polyphenylensulfon), og hvor enden er en bøsning udført af rustfrit stål. Enden af røret føres ind i bøsningen, og den presses derefter om røret med et specialværktøj, se fig 4.4 og 4.5 Også fordelerrør kan i dag udføres helt i plast, hvorved montagen af rørene, som er forsynet med en fitting med en omløber, blot skrues på fordelerrøret, se fig. 4.5. Fig.4.4 Skruefittings (tv) og presfittings (th) Wavin Fig. 4.5 Presværktøj (tv) og fordelerrør af plast med tilslutninger af presfittings (th) Wavin 29

VARMEANLÆG Kapitel 4 Fig 4.6 PEX-rør navendt som gulvvarme i trægulv (tv) og indstøbt i betongulv (th) (Wirsbo) Som vist på fig 4.6 er PEX-rør meget velegnede til gulvvarmeanlæg. Rørene kan anvendes både i lette og i tunge gulvkonstruktioner og kan lægges i gulvet uden samlinger, da rørene fås i store længder. Den nærmere udformning af gulvvarmeanlæg behandles i kapitel 7. De normale dimensioner på alm. PEX-rør er: Ydre diameter.mm 12 15 18 22 28 Godstykkelse mm 2,0 2,5 2,5 3,0 4,0 Dimensionerne for kompositrørene med aluminium, fx Alupex er: Ydre diameter..mm 14 16 18 20 25 32 Godstykkelse.mm 2,0 2,0 2,0 2,25 2,5 3,0 30

VARMEANLÆG Kapitel 4 Kobberrør er i en vis udstrækning erstattet af PEX-rør til varmeanlæg. Kobberrør har dog visse fordele, som er værd at notere sig. høj korrosionsbestandighed lille godstykkelse (omkring 1 mm) kan anvendes som synlig installation bløde kobberrør kan fås i store længder loddede samlinger kan anvendes skjult, fx. indstøbt eller under gulv lavere tryktab end stålrør Sømløse kobberrør fås som hårde rør i længder på 5-6 m (både med og uden isolering) og som bløde kobberør i ruller på 25-50 m uden eller med plastbelægning og med eller uden isolering. En plastbelægning anvendes fx. ved indstøbning af rørene. Som for stålrør og PEX-rør findes der til kobberør et helt sortiment af fittings som samles med rørene ved lodning, kompressionsfittings og klemringsfittings, de to sidste kendes også fra PEX-rør. De normale dimensioner til varmeanlæg er: Ydre diameter...mm 12 15 18 22 28 Godstykkelse mm 1,0 1,0 1,0 1,0 1,2 Ydre diameter med isolering mm 33 37 41 46 64 31

VARMEANLÆG Kapitel 5 5. Ventiler i reguleringssystemer 5.1 Reguleringssystemer Et varmeanlæg skal i dag være forsynet med udstyr som sikrer, at der ikke bruges for meget energi til opvarmning. Kravene er beskrevet i Tillæg1 til Varmenormen DS469, som er trådt i kraft den 1. februar 2003. Heri står bl.a., at et lidt større varmeanlæg skal være forsynet med rumtemperaturregulering, fremløbstemperaturstyring, tidsstyring af opvarmningen, automatisk styring af pumper mm. Dette indebærer bl.a., at et varmeanlæg uden fx. radiatortermostater i dag er utænkeligt, ligesom et varmeanlæg til en bygning på over 300 m 2 skal forsynes med et reguleringssystem til at styre varmeanlægget efter bl.a. udetemperatur og brugstid. Et reguleringssystem i et varmeanlæg har til opgave at tilpasse vandets temperatur eller vandføring til det aktuelle behov. Et reguleringssystem (også kaldet en reguleringskreds) består af flere komponenter som vist på fig. 5.1 Det falder uden for dette notat at behandle den temmelig omfattende teori for regulering, men de enkelte komponenter i stystemet skal kort nævnes her. Herefter følger en uddybende omtale af et af elementerne i reguleringssystemer, nemlig ventiler. Føleren måler temperaturen, fx. rumtemperaturen eller fremløbstemperaturen. Regulatoren sammenligner den målte temperatur med det såkaldte set-punkt, som er den ønskede temperatur som regulatoren har beregnet på baggrund af ude- og indetemperaturer. Er der uoverensstemmelse mellem den målte temperatur og set-punktet, sendes der signal til styreaggregatet om ændring. Regulatoren er som regel forsynet med et ur til brug ved fx. natsænkning. Regulatoren er således en lille computer, som relativt enkelt kan programmeres til det specifikke varmeanlæg. Styreaggregatet åbner eller lukker reguleringsventilen, fx ved hjælp af en lille gearmotor Reguleringsventilen, som enten kan være tovejs eller trevejs, styrer effekttilførslen (vandføring eller opblanding) i henhold til regulatorens instruktioner. Apparatet kan typisk være en radiator eller en varme- eller køleflade, som afgiver den effekt som er lagret i vandet. Rum, hvor føleren registrerer temperaturen (kan også være måling af temperaturen af gennemstrømmende vand) Reguleringssystemet udgører en såkaldt lukket virkningskreds, hvor afvigelsen mellem den målte temperatur og set-punktet hele tiden søges minimeret. 32

VARMEANLÆG Kapitel 5 Fig. 5.1 Reguleringssystem ( brochure fra TA) Små enkle anlæg har ofte kun en enkelt reguleringskreds, men de fleste anlæg har dog flere. Store anlæg kan have flere hundrede spredt rundt i varmeanlægget. En meget enkel reguleringskreds udgør en radiator forsynet med en radiatortermostat. Her fungerer termostatventilen som føler, regulator, styreaggregat og reguleringsventil, som tilsammen styrer radiatorens varmeafgivelse efter rumtemperaturen. Et mere avanceret reguleringssystem ses i fig. 5.2, hvor fremløbstemperaturen i et varmeanlæg styres af en udendørsføler (vejrkompensering), en rumføler (rumkompensering), en regulator og en motordrevet trevejsventil, som er i stand til at spæde fremløbsvandet op med en vis mængde returløbsvand (et såkaldt blandeanlæg). Et sådant reguleringssystem kan derudover udføre natsænkning, pumpestop i perioder uden varmebehov, udkobling af varmeanlægget ved høje udetemperaturer og hurtigopvarmning efter natsænkning. Regulatoren styrer efter en stilbar kurve, som ved faldende udetemperatur vil give stigende set-punkt for fremløbstemperaturen. Kurvens indstilling afhænger af bygningens isoleringsstandard og tæthed, varmeanlægget mv. Kurveændring kan ske ved at parallelforskyde kurven eller ved at dreje den om et punkt. Med disse to muligheder er man i stand til placere kurven det rigtige sted og med den rigtige hældning. Jo dårligere huset er isoleret, desto stejlere skal kurven være. På fig 5.3 ses et eksempel på en række varmekurver som regulatoren kan styre efter. Fig. 5.2 Reguleringssystem til fremløbsstyring (Danfoss) 33

VARMEANLÆG Kapitel 5 Fig. 5.3 Styrekurver til regulator 5.2 Ventiler Ventiler er en vital del af et varmeanlæg og de har to vigtige opgaver at varetage. De anbringes forkellige steder i anlægget for at sørge for, at de vandføringer, som er beregnet i den dimensionerende situation, også optræder; man taler her om at man indregulerer varmeanlægget ved hjælp af ventilerne. Den anden opgave består i at regulere vandføring og vandtemperatur afhængig af de ydre temperaturer, solindfald, internt varmetilskud mv, altså sørge for at udføre de instruktioner, som regulatoren giver, altså også i andre situationer end den dimensionerende. Der findes forskellige typer ventiler fx. sædeventiler, klapventiler, membranventiler osv. Til at regulere varmeanlæg anvendes kun sædeventiler, som er karakteristiske ved at en kegle bevæges mod et ventilsæde, når ventilen lukkes. Sædeventiler fås som to- vejs og tre-vejs ventiler. Tallene fortæller hvor mange tilslutningsstudse (også kaldet porte) ventilen er forsynet med. Anvendelsen af de to ventiltyper vises med eksempler senere i dette kapitel. På fig 5.4 er skematisk vist to- og trevejsventiler og for sidstnævnte også de portnavne, som normalt anvendes. Det ses, at tre-vejsventiler kan anvendes som blandeventil (to vandstrømme mødes) og som fordelerventil (en vandstrøm deles) Det skal dog understreges, at det normalt frarådes at anvende tre-vejsventiler som fordelerventiler, da de kan give ustabil drift. Som det kan ses af skitsen, er tre-vejsventilen indrettet således, at den ene port lukkes når den anden port åbnes. Det tilstræbes at holde vandføringen gennem port AB mere eller mindre konstant (afhænger dog noget af trykforholdene) 34

VARMEANLÆG Kapitel 5 Fig. 5.4 To- og tre-vejsventiler Alle ventiler skal dimensioneres, så de passer til deres formål. Eksempelvis vil en for stor ventil ofte arbejde i næsten lukket stilling, hvilket kan ødelægge ventilen og give en ustabil regulering. Dimensioneringen skal fastsætte størrelsen af ventilen, så den giver det tryktab, som den hydrauliske beregning anviser og den skal desuden kunne styre vandstrømmen, så de nødvendige temperaturer og vandføringer kan optræde i anlægget i de forskellige driftssituationer. En ventil giver et hydraulisk tryktab (=energitab) som kan beregnes således: hvor?p v =? ½?v 2 (5.1)?p v = tryktabet i ventilen? = enkelttabsfaktoren? = vandets densitet v = vandets hastighed For sædeventiler ligger? værdierne for helt åbne ventiler normalt i intervallet 1 til 10, medens de for næsten lukkede ventiler kan være væsentligt større. Det er dog almindelig praksis ikke at dimensionere ventiler efter de nødvendige? værdier, men efter den såkaldte kapacitetsværdi k v, som udtrykker vandføringen gennem ventilen ved en bestemt trykforskel og en bestemt åbningsgrad. Som regel udtrykkes vandføringen i m 3 /h, når trykforskellen over ventilen er 1 bar. Den største værdi af k v kaldes k vs værdien og opnås, når ventilen er helt åben. k v værdien for en ventil er altså et udtryk for vandføringen gennem ventilen, så jo større k v værdi, jo større vandføring og dermed større ventil. 35

VARMEANLÆG Kapitel 5 Reguleringsventilens k vs værdi skal vælges således, at ventilen giver den foreskrevne vandføring ved det differenstryk, som er tilgængeligt for ventilen. Ved beregningen af den nødvendige k v værdi for en ventil benyttes, at forholdet mellem vandføring og tryktab er: hvor?p v = a q 2 (5.2)?p v = tryktabet i ventilen a = proportionalitetsfaktor q = vandføringen Sættes heri?p = 1 bar og q = k v m 3 /h fås: 2 1 = a kv Ligningen løses mht. a som indsættes i lign (5.2):: eller 2 q?p v = 2 k v k v q = (m 3 /h/bar ½ ) (5.3) p v Haves fx. for en radiatorventil, at vandføringen q = 120 l/h = 0,12 m 3 /h og tryktabet skal være 5.000 Pa = 0,05 bar fås 3 3 0,12 m / h m / h k v = = 0,54 0,05bar bar Herefter kan man gå ind i et ventilkatalog fx. Danfoss og vælge en passende ventil fx. RA-U 10, som har en k vs værdi på 0,57, se fig. 5.5. Det vil sige, at den valgte ventil i næsten åben tilstand vil give den nødvendige vandføring. Havde vandføringen i ovennævnte eksempel været den halve, skulle k v værdien også være den halve, og en så lav k v værdi fås ikke i katalogerne. Man kan derfor udnytte at denne ventil (og iøvrigt mange andre, også fra andre firmaer) er forsynet med en formodstand, som kan indstilles på den ønskede værdi. Ønskes en værdi for k vs på 0,27 vil man derfor kunne vælge samme ventil som før, nemlig RA-U 10, og stille formodstanden på 6 som netop giver k v værdien 0,27, se fig. 5.5 36

VARMEANLÆG Kapitel 5 Fig. 5.5 Datablad fra Danfoss og princippet i forindstilling af RA-U ventilen fra Danfoss. Det er ikke altid muligt at ramme præcis den k v - værdi, som er nødvendig for ventilen. Vælges en for stor værdi, har det nogle uheldige konsekvenser for anlægget. Hvis fx. anlæggets temperatur har været sænket om natten eller på helligdage er de fleste reguleringsventiler åbne, idet ventilerne kalder på mere varme. Ved opstart vil de begunstigede kredse få et stort flow og de mindre begunstigede kredese få et mindre flow. Således får de mindre begunstigede kredse den nødvendige varme senere end de begunstigede kredse, hvilket ikke er en optimal styring. En overdimensionering har endvidere den konsekvens, at ventilen i daglig drift vil arbejde nærmere lukket stilling end nødvendigt, hvilket kan ødelægge ventilen og give dårlig regulering. Kan man derfor ikke ramme den korrekte k v -værdi, bør der indsættes en strengreguleringsventil i serie med reguleringsventilen, således at det korrekte trykfald optræder. Det er imidlertid ikke tilstrækkelig at ventilerne er korrekt dimensionerede i den dimensionerende situation. De skal også fungere korrekt i normale driftssitiuationer og kunne styre vandstrømmen hensigtsmæssigt. En ventilkarakteristik eller åbningskarakteristik er en kurve, som giver sammenhængen mellem k v -værdien (dvs vandføringen) og ventilens åbningsgrad eller spindelstilling, hvilket lidt upræcist ofte kaldes ventilens løftehøjde Karakteristikkerne er altid optegnet ved en konstant trykforskel, normalt 1 bar. 37

VARMEANLÆG Kapitel 5 Fig 5.6 Ventilkarakteristikker. A er en lineær karakteristik og B er en logaritmisk karakteristik På fig. 5.6 ses to meget almindelige karakteristikker nemlig en lineær og en logaritmisk (sidstnævnte kaldes også en EQM karkteristik, equal percentage modified.) Forskellige karakteristikker fremkommer ved at ventilkeglen og ventilsædet udformes forskelligt. Karakteristikker anvendes normalt ikke ved ventildimensioneringen og de kan næppe fås af fabrikanterne. Karakteristikkerne kan dog give en vigtig forståelse af væsentlige sider af ventilers egenskaber. Som det vises nedenfor er det ikke ligegyldigt, hvilken ventilkarakteristik der vælges til til de forskellige ventiler i et varmeanlæg. På fig. 5.7 er tv. vist, hvorledes effekten af en radiator typisk afhænger af vandføringen gennem den, i midten en logaritmisk ventilkarakteristik og th den fælles virkning af radiator og ventil. Hvis ventilkarakteristikken havde været lineær i stedet, ville en åbning af ventilen på fx 20%, give en vandføring på 20% af maks.værdien, som ville resultere i en varmeafgivelse på 50% af maks.værdien. Ved lav og middellav belastning kan en lille åbning af ventilen således give en stor effektafgivelse, hvilket kan resultere i ustabil regulering af radiatoren. Fig. 5.7 Virkningen af en logaritmisk ventil på en radiators effektafgivelse. (TA brochure) 38