W projektowaniu instalacji wentylacyjnych dużo uwagi poświęca się doborowi mocy wymienników, parametrom czynnika, spadkom ciśnień czy charakterystyce zaworu regulacyjnego. Znacznie rzadziej analizowana jest kwestia odległości zaworu 3-drogowego od chłodnicy lub nagrzewnicy wodnej. Tymczasem właśnie ten pozornie drugorzędny detal montażowy może w istotny sposób wpłynąć na stabilność regulacji temperatury nawiewu, bezpieczeństwo pracy nagrzewnicy oraz komfort eksploatacyjny całej instalacji.

Czy istnieją formalne ograniczenia w tym zakresie? Jak ocenić, czy przyjęta odległość jest bezpieczna? I kiedy kilka metrów rury zaczyna realnie wpływać na pracę centrali? Poniżej przedstawiamy analizę problemu z punktu widzenia hydrauliki i automatyki.

Gdzie umieścić zawór 3-drogowy względem wymiennika?

W niedawnym artykule dotyczącym usytuowania pompy obiegowej omówiliśmy dokładnie kilka wariantów usytuowania pompy obiegowej względem wymiennika wodnego. Zawór 3-drogowy zgodnie z wytycznymi w nim zawartymi może być umieszczony na zasilaniu wymiennika lub na powrocie zależnie od typu układu hydraulicznego.

W przypadku gdy wymiennik wodny w centrali wentylacyjnej jest tylko jednym z odbiorników mocy, zalecany jest układ z pompą na obiegu pierwotnym i na obiegu wtórnym – jak na poniższym schemacie.

W sytuacji, gdy wymiennik jest jedynym odbiornikiem mocy, zalecany jest układ poniższy – z pojedynczą pompą umieszczoną pomiędzy zaworem 3-drogowym w wymiennikiem, po stronie tłocznej jak na poniższym rysunku.

W obu przypadkach zawór 3 -drogowy znajduje się pobliżu wymiennika, którym ma sterować.

Czy istnieje limit odległości?

W obowiązujących normach dotyczących central wentylacyjnych oraz instalacji wodnych nie znajdziemy zapisu określającego maksymalną dopuszczalną odległość zaworu 3-drogowego od wężownicy. Jest to zagadnienie wynikające z charakterystyki dynamicznej układu regulacji, a nie z wymagań formalnych.

Najlepszym rozwiązaniem jest gdy odległość między zaworem 3D a wymiennikiem jest jak najmniejsza i wynika jedynie z technologii – wymiarów połączeń rur i zaworów, ale czasami z przyczyn technologicznych (np. brak odpowiedniego miejsca w bezpośrednim sąsiedztwie wymiennika), lub praktycznych (np. zabudowa zaworu 3d i pompy wewnątrz w przypadku central zewnętrznych), projektant lub wykonawca decydują, że zawór będzie w pewnym oddaleniu od wymiennika.

Oznacza to, że odpowiedzialność za prawidłowe rozwiązanie spoczywa na projektancie i wykonawcy. Ocena poprawności powinna opierać się nie na liczbie metrów rurociągu, lecz na analizie objętości wody między zaworem a wymiennikiem oraz czasu jej wymiany.

Dlaczego odległość ma znaczenie?

Każdy odcinek rury między zaworem a chłodnicą lub nagrzewnicą zawiera określoną objętość wody. Jeżeli zawór zmieni swoją pozycję, najpierw musi zostać przetłoczona woda znajdująca się w tym odcinku. Dopiero po jej wymianie do wężownicy dociera czynnik o nowej temperaturze lub zmienionym udziale mieszania.

Powstaje w ten sposób opóźnienie transportowe w pętli regulacji. Im większa objętość wody między zaworem a wymiennikiem, tym większe opóźnienie reakcji układu. W praktyce skutkuje to:

  • wydłużeniem czasu stabilizacji temperatury nawiewu,
  • zwiększoną skłonnością do przeregulowań,
  • oscylacjami temperatury,
  • koniecznością łagodniejszego strojenia regulatora PI/PID.

W centralach wentylacyjnych, gdzie często oczekuje się stabilności temperatury w zakresie ±0,5–1°C, ten efekt nie jest pomijalny.

Objętość wody i czas wymiany – podejście obliczeniowe

Kluczowym parametrem jest stosunek objętości wody w odcinku rurociągu do przepływu czynnika. Można go oszacować na podstawie zależności:

  • objętość: V = (π · d² / 4) · L
  • czas wymiany: t = V / Q

gdzie:
d – średnica wewnętrzna rury,
L – długość odcinka,
Q – przepływ objętościowy.

Przykład:
Między zaworem a chłodnicą znajduje się 10 m rury DN100 (108 x 3,6mm) , średnica wewnętrzna rury wynosi 100,8 mm , objętość wody w tym odcinku rury wyniesie ok 80 litrów, a przepływ czynnika przy maksymalnej mocy wyniesie 5,5 l/s Zatem czas wymiany objętości rury pomiędzy zaworem a wymiennikiem wyniesie około 14,5 sekundy – w takim czasie czynnik o zmienionej temperaturze dopiero dotrze do chłodnicy. Jeśli uwzględnimy dodatkowo, że pojemność samej chłodnicy wynosi w omawianym przypadku 112 l, to oznacza, że czynnik o zmienionej na zaworze temperaturze zacznie oddawać moc po ok. 35 sekundach!

Oznacza to zatem, że zmiana położenia zaworu będzie widoczna w chłodzonym powietrzu dopiero po kilkudziesięciu sekundach. Przy standardowych nastawach regulatora może to powodować niestabilność pracy.

Z praktycznego punktu widzenia warto dążyć do tego, aby czas wymiany wody między zaworem a wymiennikiem nie przekraczał kilku–kilkunastu sekund. W przypadku wartości rzędu 20–30 sekund i więcej należy świadomie dostosować parametry regulacji.

Szczególna sytuacja – nagrzewnice wodne

W przypadku nagrzewnic pracujących na czystej wodzie, bez udziału glikolu w warunkach niskich temperatur zewnętrznych zagadnienie nabiera dodatkowego znaczenia. Duża objętość wody między zaworem a nagrzewnicą oznacza większą ilość czynnika, który może ulec wychłodzeniu w okresach postoju lub przy nagłych zmianach warunków pracy.

Dlatego w praktyce zaleca się:

  • lokalizowanie zaworu możliwie blisko króćców nagrzewnicy,
  • stosowanie pompy w obiegu wężownicy (obieg wtórny),
  • zapewnienie minimalnego przepływu przez nagrzewnicę,
  • prawidłowe rozmieszczenie czujnika przeciwzamrożeniowego za wężownicą po stronie powietrza.

W obiektach przemysłowych, gdzie konsekwencje zamarznięcia nagrzewnicy mogą być kosztowne, nie należy bagatelizować tej kwestii.

Dobre praktyki montażowe

Choć nie istnieje formalny limit odległości zaworu 3d od wymiennika którym stetuje, w praktyce projektowej przyjmuje się, że:

  • optymalna odległość zaworu od wężownicy mieści się w zakresie 0,3–2 m,
  • przy odległościach powyżej 3–4 m należy przeanalizować wpływ na czas wymiany wody,
  • w przypadku dużych średnic rur nawet krótszy odcinek może generować istotną objętość.

Kluczowe jest minimalizowanie objętości wody między zaworem a wymiennikiem, a nie jedynie skracanie trasy w sensie geometrycznym.

Jeżeli zawór 3-drogowy (mieszający lub rozdzielający) jest zbyt daleko od wymiennika:

  • zwiększa się objętość wody między zaworem a wymiennikiem
  • rośnie bezwładność układu
  • pogarsza się stabilność regulacji
  • wydłuża się czas reakcji na zmianę sygnału
  • może pojawić się oscylacja temperatury
  • w chłodnicach – ryzyko niestabilnego punktu pracy
  • w nagrzewnicach wodnych – gorsza ochrona przeciwzamrożeniowa

W centralach wentylacyjnych to szczególnie ważne, bo pracujemy często na małych różnicach temperatur i krótkich czasach regulacji.

Podsumowanie

W centralach wentylacyjnych to szczególnie ważne, bo pracujesz na małych różnicach temperatur i często krótkich czasach regulacji.

Odległość zaworu 3-drogowego od chłodnicy lub nagrzewnicy wodnej w centrali wentylacyjnej nie jest parametrem regulowanym normowo, ale ma istotne znaczenie dla dynamiki pracy układu.

Najważniejszym kryterium oceny jest objętość wody między zaworem a wężownicą oraz wynikający z niej czas opóźnienia reakcji. W instalacjach przemysłowych, gdzie wymagana jest stabilność temperatury i wysoka niezawodność, świadome podejście do tego zagadnienia pozwala uniknąć problemów eksploatacyjnych i czasochłonnego strojenia automatyki.

Projektując i wykonując instalację, warto przyjąć zasadę: zawór powinien znajdować się możliwie blisko wężownicy, a każda większa odległość powinna być decyzją uzasadnioną analizą hydrauliczną i regulacyjną.