Hogyan lehet a hagyományostól eltérő módon, energiahatékonyan szabályozni a HMV-termelést? Ennek egyik célszerű megoldásaként egy olyan módszert ismerhet meg az olvasó, amelynél a szabályozó szelepet elhagyjuk, és a hőcserélő szabályozását közvetlenül a változó fordulatszámú szivattyúra bízzuk.
A korszerű, változó tömegáramú hőellátó rendszerekben a használati melegvíz (HMV) termelés hőcserélőinek szabályozását – csakúgy, mint kevés kivétellel bármely más hőleadóét – a tömegáram változtatásával oldjuk meg, ehhez pedig lehetőség szerint egyutú szabályozó szelepet alkalmazunk. A szabályozókörben a szelep beavatkozása eredményezi a hőcserélő tömegáramának megváltozását. A szabályozókör térfogatáramát egy szivattyú keringeti, ami lehet a kör saját szivattyúja, vagy lehet egy, az egész hőellátó rendszert, vagy annak egy nagyobb részét ellátó központi szivattyú. A szabályozó szelep működéséhez nyomáskülönbség szükséges, megfelelő szabályozási viselkedéséhez pedig ökölszabályként a szelepautoritásra vonatkozó amin=0,5 követelményt szükséges betartani. Ez a követelmény egyben azt is jelenti, hogy a szelep ellenállása meg kell egyezzen, vagy lehetőleg haladja is meg a körben lévő egyéb ellenállások összegét. Így a szivattyú szükséges nyomáskülönbsége legalább kétszeresen meg kell haladja a kör egyéb ellenállásainak összegét. A megbízható fojtószelepes szabályozás nagyobb szivattyút és nagyobb szivattyúzási munkát igényel.
Változó tömegáramú rendszerek áramköreiben jellemzően a névlegesnél kisebb térfogatáramok haladnak, amihez a szivattyúnak alkalmazkodnia kell. A jellegzetes szivattyúszabályozási megoldásokat az 1.a – 1.d. ábrák szemléltetik.
1.a. ábra: A szivattyú fordulatszámát nem változtatjuk. Ha a szelep a hőcserélőre a névleges térfogatáram felét engedi, a szivattyú munkapontja az állandó fordulatszámú jelleggörbén a 2. ábrán az A pontba mozdul el. A térfogatáram ugyan csökkent, de a szivattyú nyomáskülönbsége nőtt, a keringetés hatásfoka romlott. Ezek eredőjeként hiába csökkent a térfogatáram, a szivattyúzási munka nem csökkent ugyanolyan mértékben: a fajlagos (egységnyi keringetett térfogatáramra vonatkoztatott) teljesítmény-igény jelentősen megnőtt.
1.b. ábra: Ha a szivattyún állandó nyomáskülönbséget tartunk, akkor ha a szelep csökkenti a szabályozókör térfogatáramát, a szivattyú nyomáskülönbsége nem változik, a munkapont egy kisebb fordulatszámhoz tartozó jelleggörbére, a 2. ábrán a B pontba jut. Ekkor hatásfoka csak kevésbé csökken, mint az A esetben, így a fajlagos szivattyúzási munka is jobban csökken.
Az 1.d. ábra a távhőellátó rendszerekben alkalmazott megoldást szemlélteti. Ebben az esetben a szivattyú szabályozás a fogyasztóból és a szabályozószelepből álló egységen (a távhőellátási gyakorlatban: valahol a hálózat végpontja közelében lévő hőközponton) tart állandó nyomáskülönbséget. Ha csökken a szabályozókör térfogatárama, csökken a szivattyú és a fogyasztó közötti vezetékhálózat nyomásvesztesége, és ezzel csökkenthető a szivattyú által létrehozott nyomáskülönbség is. Belátható, hogy a szivattyú jelleggörbéje egy olyan parabolán fog elmozdulni, ami a névleges munkapontból kiindulva csökkenő térfogatáramnál egy olyan pontba tart, amit 0 fogyasztásnál a végponti nyomáskülönbség értéke határoz meg (a 2. ábrán a „végponti Δp” vonal). Ha a szabályozószelep a kör térfogatáramát a felére csökkentette, a példában az új munkapont a 2. ábrán látható D pont lesz. Itt nem csak a térfogatáram, hanem a szivattyú nyomáskülönbsége is jelentősen csökkent, ráadásul a hatásfok is az elérhető legkisebb mértékben változott. Mindezek eredőjeként a szivattyúzás fajlagos teljesítményigénye jelentősen csökken. A gond az, hogy ezt a hatékony szivattyú szabályozási módot a távhőellátó rendszerek léptékében tudjuk kihasználni, épületgépészeti méretekben – pl. HMV hőcserélő szabályozására – ilyen megoldást nem alkalmazunk.
A D esetben bemutatott hatékony szivattyú szabályozási módot azonban nagyon jól közelíti az épületgépészeti gyakorlatban jól alkalmazható, az 1.c. ábrán szemléltetett proporcionális szabályozás. Ez a kapcsolás ugyanaz, mit az 1.b. ábrán volt látható, azonban a szabályozás a szivattyún nem állandó, hanem a térfogatárammal arányosan (proporcionálisan) csökkenő nyomáskülönbséget tart fenn. A proporcionális szabályozás a 2. ábrán a végponti nyomáskülönbség szabályozás paraboláját egy húrral közelíti. A térfogatáram felére való csökkenésekor (C pont) a nyomáskülönbség némileg nagyobb, mintha végponti nyomáskülönbség szabályozást alkalmaznánk; a szivattyúzás hatásfoka is kicsit jobban romlik – összességében ez azonban nagyon csekély eltérés a D esethez képest.
Az élenjáró gyártók korszerű szivattyúi alapértelmezésként képesek a proporcionális szabályozás megvalósítására, tulajdonképpen csak megfelelően fel kell programozni azokat. Ezzel a szivattyúzási móddal közel olyan megtakarítást lehet elérni, mint a végponti nyomáskülönbség szabályozással – a kompakt megoldás miatt a technikai megvalósítás azonban sokkal egyszerűbb és olcsóbb.
A C megoldás szerinti végponti nyomáskülönbség szabályozás akkor lenne a leghatékonyabb, ha a fogyasztón nem kellene nyomáskülönbséget tartanunk. A 2. ábrán ebben az esetben a „végponti Δp” jelű parabola középpontos parabolába, azaz a névleges munkaponthoz tartozó hálózati jelleggörbe parabolájába menne át. Ezt azonban nem lehet megvalósítani, hiszen a szabályozószelep működéséhez szükséges nyomáskülönbséget fenn kell tartanunk. Ha ezen a középpontos parabolán szabályoznánk a szivattyút, akkor a rendszer a szelep teljes zárása után már nem tudna újraindulni: ha a szelep lezár, a szivattyú leáll – ha a szelep újra nyitna, 0 nyomáskülönbség mellett az áramlás már nem indulna meg újra. Lényegesen bonyolultabb és eszközigényesebb megoldást alkalmazva ez a probléma természetesen kezelhető lenne – de célunk éppen nem a rendszerek bonyolulttá tétele, hanem egyszerű, autonóm, lehetőleg önszabályozó módon működő, olcsó eszközök alkalmazása.
Ez az eszköz azonban már jelenleg is teljesen hozzáférhető módon rendelkezésünkre áll, ami számos épületgépészeti rendszerben tesz lehetővé hibátlan szabályozást, az eddig bemutatott megoldásoknál kisebb beruházási költséggel. Ilyen például a megfelelően kialakított HMV termelő rendszerek szabályozása. Az elvet a 3. ábra szemlélteti.
A szabályozó szelepet teljesen elhagyhatjuk, és a hőcserélő szabályozását közvetlenül a változó fordulatszámú szivattyúra bízzuk. Elmarad a szelep beruházási költsége; a szivattyú a kisebb ellenállású, csak a hőcserélőt és a csővezetéket tartalmazó körre méretezhető; a szabályozás pedig az előbb bemutatott, optimálisnak tekinthető ellenállásparabola mentén történik. A vezető gyártók korszerű szivattyúi egy bővítőkártya beépítésével saját fordulatszámuk változtatásával képesek közvetlenül a szekunder előremenő hőmérsékletet szabályozni. A térfogatáram felére csökkentése esetén a munkapont a 2. ábra szerinti példában az E pontba kerül.
Természetesen ezen kedvező szabályozási mód alkalmazásának is vannak korlátai. A szivattyúk fordulatszáma csak egy bizonyos határig csökkenthető. Ez meghatároz egy minimális térfogatáramot, illetve egy minimális teljesítményt, ami alatt ez a rendszer nem képes a folyamatos szabályozásra. Megjegyzendő, hogy bizonyos teljesítményhatár alatt egy jól kialakított, megfelelő autoritású szelepes szabályozás is csak szakaszos üzemben (on/off) lenne képes működni. A 4. ábrán látható, több éve üzemelő HMV rendszerben ez a probléma nem jelentkezik. Az ábra a HMV termelő hőcserélővel párhuzamosan kapcsolt tárolókat alkalmazó, úgynevezett „párhuzamos tárolós” rendszert szemléltet. A „tároló” valójában 2 db 300 literes, egymással sorba kapcsolt tartályt jelent, amelyekben az áramlási irány a fogyasztás függvényében változik. Csúcsfogyasztás idején a hidraulikai és hőtechnikai szempontból „alsó” (a 4. ábrán jobboldali) tatályba az alsó csonkon hideg víz lép be, ami a felső tárolóba, onnan a fogyasztóhoz nyomja ki a korábban betárolt HMV-t. A csúcsfogyasztási periódus végére elvben mind a két tartály hideg vízzel telik fel. Névleges fogyasztás esetén a tárolóban nincsen áramlás. A csúcsperióduson kívül (azaz a névlegesnél kisebb fogyasztás mellett) a tárolóban az áramlás megfordul: a hőcserélőn felmelegített HMV a hideg vizet a tartályokban az alsó csonk felé, onnan a szivattyú segítségével a hőcserélőre nyomja. Lényeges megjegyezni, hogy ezeknek a rendszereknek nem a legnagyobb fogyasztás jelenti a méretezési állapotát.
Bebizonyítható, hogy ideális kialakítás – 0 hidraulikai ellenállású tároló – esetén a szekunderoldali, a HMV tároló töltését végző szivattyú térfogatárama állandó, ezért itt fordulatszám szabályozásra nincs szükség. Alkalmas kialakítás esetén a tárolóág elegendően kis ellenállású, és így a töltőszivattyú térfogatárama a fogyasztás függvényében csak szűk határok között változik. Ez nagyon egyszerű körülményeket jelent a hőcserélő teljesítményének 3. ábrán bemutatott szabályozása számára. A primeroldali szivattyú fordulatszámát a hőcserélőből kilépő HMV hőmérséklet értéktartó szabályozása érdekében változtatjuk. A közel állandó szekunder Δt és térfogatáram miatt csak nagyon kis teljesítményváltozásokat kell követni.
Ha a rendszerben nem lenne cirkuláció, csúcsperióduson kívül a szekunder- és primeroldali szivattyúk szakaszosan működnének. A ki- és bekapcsolás a 4. ábrán látható ki- és bekapcsolási hőmérők jele alapján történik. Ha a töltés során a kikapcsolási hőmérőnél megjelenik a HMV a 4. ábra szerinti példában 50°C hőmérséklete, a szekunder szivattyú leáll. Ha a bekapcsolási hőmérő helyén megjelenik a HMV névleges hőmérsékleténél 5°C-kal alacsonyabb, a bemutatott példában 45°C hőmérséklet, a szekunder szivattyú bekapcsol. (A legionella-fertőtlenítés időtartama alatt a szabályozás ezeket a hőmérsékleteket megemeli.) A primeroldali szivattyú a HMV hőcserélő szekunder kilépő oldalán lévő hőmérő jele alapján követi a szekunder szivattyú ki- és bekapcsolását. Az alsó tartályon lévő két hőmérő közötti 150 liter egy hiszterézis-térfogat, csúcsidőszakon kívül a töltés-ürítés ezen határok között zajlik. A két tartály hasznos térfogata 450 liter, ez tartozik a hőcserélő névlegesen 80 kW teljesítményéhez.
A cirkuláció megléte ezt az egyszerű, szabályozási szempontból szinte ideális viselkedést némileg megbonyolítja. A tároló töltő térfogatáramhoz hozzákeveredik a cirkuláció lényegesen kisebb térfogatárama és magasabb hőmérséklete. Ez változtatja a szekunderoldali körülményeket, amit a primeroldalon a szivattyúval végzett szabályozásnak le kell követnie. Ha áll a szekunderoldali töltőszivattyú, a cirkulációs térfogatáram a pillanatnyi fogyasztás függvényében 0 és a névleges érték között változhat. Mivel csak a cirkuláció visszamelegítésekor a primer oldali hőfokkülönbség lecsökken, ezért a primer tömegáram igény nem csökken a hőigény arányában, és a primeroldali szivattyú nem feltétlenül vált át On/Off üzemmódra.
A bemutatott kapcsolás és hőcserélő szabályozási mód energetikai szempontból a leghatékonyabb megoldás több lakás, vagy azoknál nagyobb fogyasztócsoport HMV ellátására kazános vagy távhős hőtermelés esetén. A hőcserélő közvetlenül szivattyúval történő szabályozása energetikailag és beruházási költség szempontjából is kedvezőbb a hagyományos megoldásoknál, és a bemutatott HMV termelési kapcsoláson túl jól alkalmazható azokon a helyeken is, ahol a szivattyú minimális fordulatszáma nem jelent alsó korlátot a teljesítmény szabályozásában.
Dr. Szánthó Zoltán
