Stabilan protok na primarnoj strani jedan je od ključnih preduvjeta za pouzdan, siguran i energetski učinkovit rad rashladnika vode (chillera) i cjelokupnog hidroničkog sustava. Rashladnik je projektiran za rad pri zadanom nazivnom protoku kroz isparivač (pločasti izmjenjivač topline), zbog čega je potrebno osigurati stabilan protok bez značajnih oscilacija.

Nestabilan ili promjenjiv protok kroz isparivač može narušiti proces prijenosa topline, što pritom znatno smanjuje učinkovitost i performanse rashladnika te može uzrokovati oštećenja ključnih komponenata uređaja.

Regulacija protoka

Regulacija protoka na primarnoj strani ostvaruje se pomoću mjerača protoka (protokomjera), primarne cirkulacijske pumpe s regulacijom brzine vrtnje i upravljačkog sustava rashladnika.

Na temelju izmjerenog protoka upravljački sustav rashladnika automatski prilagođava brzinu vrtnje primarne pumpe kako bi održao zadani protok kroz isparivač i osigurao optimalne radne uvjete u cijelom radnom području.

---

Glavni ciljevi hidrauličkog balansiranja terminalnih jedinica na potrošačkoj/sekundarnoj strani, kao što su klimatizacijske jedinice (AHU) ili fan-coil jedinice, je osigurati da svaka jedinica dobiva ispravan protok u svim radnim uvjetima te da protok nikad ne prijeđe nazivnu vrijednost. Prekomjerni protok na sekundarnoj strani uzrokuje ne samo povećanu potrošnju energije pumpi, već i porast temperature polazne vode, čime se smanjuje ukupni rashladni kapacitet i učinkovitost sustava.

---

3.1 Spremnik (buffer tank) kao stabilizator

Stabilna temperatura povratne vode jedan je od ključnih parametara za pouzdan rad rashladnika jer upravljački sustav na temelju nje procjenjuje trenutačno toplinsko opterećenje i regulira rad uređaja.

Iz tog je razloga, s tehničkog aspekta, spremnik vode preporučljivo ugraditi na povratni vod, neposredno prije ulaza u rashladnik, gdje učinkovito prigušuje oscilacije povratne temperature i stabilizira rad sustava.

Pravilno dimenzionirani spremnik povećava toplinsku inerciju sustava, smanjuje utjecaj naglih promjena opterećenja na rashladnik te sprječava učestalo cikliranje kompresora.

Dimenzioniranje spremnika treba temeljiti na analizi minimalnog rashladnog kapaciteta rashladnika, minimalnog opterećenja sustava, aktivnog volumena vode, minimalnog potrebnog vremena rada kompresora i potrebnog protoka vode.

---

3.2 Spremnik kao akumulator rashladne energije?

Akumulacijski spremnici koji se uobičajeno ugrađuju u hidroničke sustave općenito su premali da bi osigurali značajno skladištenje rashladne energije zbog niskog specifičnog toplinskog kapaciteta vode. Shodno tome, učinkovito skladištenje rashladne energije zahtijeva znatno veće volumene ili sustave s latentnom toplinom poput leda ili materijala s promjenom faze (PCM). Sljedeći primjer ilustrira problematiku nedostatka volumena spremnika.

U ovom primjeru sa spremnikom 1500 L i rashladnim opterećenjem sustava od 100 kW, brzina rasta temperature u spremniku je otprilike 1 K/min. Prema tome, uvjet za uključivanje prvog kompresora ispunjen je za otprilike 2 minute.

---

---

4.1 Jednostavni sustav

Sustav: konstantni protok

Cirkulacijska pumpa sustava mora biti upravljana od strane rashladnika kako bi se održao konstantan protok.

Jednostavan dizajn sustava prikladan je za manje sustave s nižim, ali stabilnim rashladnim opterećenjem, koji se sastoje od relativno malog broja terminalnih jedinica. Preporuka: MINILINE i COMPACT serije rashladnika.

---

4.2 Kompleksni sustav

Hidrauličko razdvajanje

Kompleksni sustav podrazumijeva hidrauličko razdvajanje, odnosno separaciju protoka na strani rashladnika (chillera) i protoka na potrošačkoj strani sustava. Hidrauličko razdvajanje ostvaruje se povezivanjem polaznog i povratnog voda dodatnim spojnim vodom, čime se definiraju primarna i sekundarna strana sustava:

• Primarna strana predstavlja hidronički krug koji je izravno povezan s pločastim izmjenjivačem topline (isparivačem) te osigurava optimalan i stabilan protok potreban za siguran i pouzdan rad rashladnika.
• Sekundarna strana predstavlja hidronički krug koji distribuira rashladni medij (vodu) od rashladnika prema potrošačima, poput ventilokonvektora, klimatizacijskih komora itd.

Ako protok na sekundarnoj strani postane veći od protoka na primarnoj strani, miješanje se odvija na polaznom vodu. Posljedica miješanja na polaznom vodu je porast temperature polazne vode, što dovodi do smanjenja raspoloživog rashladnog kapaciteta sustava te se stoga mora izbjegavati u svim radnim uvjetima.

---

4.2a Rashladnik sa primarnom pumpom

Primarna strana: konstantan, stabilan protok

---

4.2b Rashladnik sa primarnom pumpom po krugu

Primarna strana: stupnjevito promjenjivi protok

Rashladnik je opremljen zasebnom primarnom pumpom za svaki rashladni krug. Stupnjevito promjenjivi protok ostvaruje se sekvencijalnim uključivanjem i isključivanjem pojedinih rashladnih krugova. Upravljački sustav rashladnika upravlja radom svake primarne pumpe.

Strategija stupnjevito promjenjivog („varijabilnog”) protoka znači da se protok na primarnoj strani mijenja u diskretnim koracima tj. stupnjevima, ovisno o broju aktivnih rashladnih krugova ili rashladnika.

U prikazanom primjeru rashladnik je opremljen zasebnom primarnom pumpom za svaki rashladni krug. Pri djelomičnom opterećenju, aktivan je samo jedan od tri rashladna kruga, zbog čega se raspoloživi protok na primarnoj strani smanjuje na jednu trećinu nazivnog protoka. U tom slučaju protok na sekundarnoj strani mora biti manji ili jednak od protoka na primarnoj strani. Isti princip primjenjuje se kada su aktivna dva od tri rashladna kruga.

---

4.2c Paralelni spoj rashladnika vode

Primarna strana: stupnjevito promjenjivi protok

Rashladnici su hidronički povezani u paralelnoj konfiguraciji, s upravljanjem prema principu vodeći–prateći (eng. leading–following). Svaki rashladnik ima pripadajuću primarnu pumpu.

---

Za pouzdan i visokoučinkovit rad rashladnika (chillera), sustav mora biti toplinski uravnotežen (balansiran). Toplinska ravnoteža postiže se usklađivanjem minimalnog i maksimalnog opterećenja sustava sa radnim područjem rashladnika.

Prema standardnoj jednadžbi rashladnog kapaciteta sustava, može se zaključiti da je povratna temperatura iz sustava najvažniji parametar toplinske ravnoteže:

---

5.1 Maksimalna temperaturna razlika (ΔT)

Ako povratna temperatura vode poraste iznad projektirane vrijednosti, povećava se i temperaturna razlika sustava (ΔT). Uz pretpostavku konstantne polazne temperature, veća ΔT od nazivne ukazuje na prevelik zahtjev za hlađenjem na jednoj ili više terminalnih jedinica. U tom slučaju ukupno rashladno opterećenje sustava može premašiti nazivno opterećenje rashladnika (chillera) što ukazuje na problem u regulaciji rada sustava, posebno u sustavima u kojima relativno mali broj terminalnih jedinica preuzima većinu ukupnog opterećenja.

Porast povratne temperature iznad maksimalne vrijednosti može se pojaviti pri sezonskim pokretanjima sustava nakon perioda stajanja, kao i u sustavima s izrazito promjenjivim toplinskim opterećenjima ili izraženim vršnim opterećenjima.

---

5.2 Minimalna temperaturna razlika (ΔT)

Kada je povratna temperatura niža od nazivne, to ukazuje na uvjete djelomičnog rashladnog opterećenja. Uz pretpostavku konstantne polazne temperature, niža povratna temperatura rezultira smanjenjem temperaturne razlike (ΔT).

Rad pri parcijalnom opterećenju je očekivan i normalan. Međutim, ako se protok vode ne smanjuje proporcionalno smanjenom rashladnom opterećenju, može doći do pojave „niskog ΔT sindroma”. Taj se fenomen najčešće javlja kad je protok vode veći od potrebnog u odnosu na trenutačno rashladno opterećenje, što dovodi do hidrauličke i toplinske neravnoteže te smanjenja učinkovitosti sustava.

Potencijalni uzrok „niskog ΔT sindroma”

Neodgovarajući odabir / podešavanje regulacijskih ventila

Ako sustav nije pravilno hidraulički uravnotežen, tijekom djelomičnog opterećenja pojedini regulacijski ventili mogu propuštati prevelik protok kroz terminalne jedinice. Kada je protok veći od potrebnog protoka (prema stvarnom opterećenju sustava), smanjuje se porast temperature odnosno ΔT kroz terminalne jedinice i kroz sustav u cjelini. Posljedično, sustav je istovremeno hidraulički i toplinski neuravnotežen.

Jedno od mogućih rješenja je primjena tlačno neovisnih regulacijskih ventila (PICV) s proporcionalnim upravljanjem na svakoj terminalnoj jedinici. Oni eliminiraju pojavu prekomjernog protoka.

---

5.2a Niski ΔT sindrom – rashladnik s primarnom pumpom

Ukoliko sekundarna strana radi s ΔT manjim od nazivnog, uz pretpostavku konstantne temperature polazne vode, to ukazuje na smanjeno rashladno opterećenje sustava. U tom slučaju nije potrebno da svi rashladni krugovi budu aktivni. Kada je rashladnik opremljen jednom primarnom pumpom za sve rashladne krugove, učinci smanjenog ΔT na rad rashladnika općenito su prihvatljivi, odnosno radne karakteristike rashladnika nisu značajno narušene pod uvjetom da protok na primarnoj strani ostane veći od protoka na sekundarnoj strani.

---

5.2b Niski ΔT sindrom – rashladnik s primarnom pumpom po krugu

Kada sekundarna strana radi s ΔT manjim od nazivnog, to ukazuje na smanjeno rashladno opterećenje sustava. Zbog toga rashladnik radi sa smanjenim brojem aktivnih rashladnih krugova, a raspoloživi protok na primarnoj strani smanjuje se stupnjevito, kako je opisano u Poglavlju 4.2b i 4.2c. Ako se protok na sekundarnoj strani ne ograniči u skladu sa smanjenim opterećenjem, odnosno raspoloživim protokom rashladnika, dolazi do hidrauličke i toplinske neravnoteže sustava.

---

Glavni cilj toplinske regulacije je održavanje stabilne temperature polazne vode/glikola. Za postizanje tog cilja potrebno je osigurati da sustav bude istovremeno hidraulički i toplinski izbalansiran.

Napomena: učinkovita toplinska regulacija moguća je samo uz stabilan i konstantan protok kroz isparivače.

Kada su ovi uvjeti zadovoljeni, rashladnik (chiller) radi unutar svog projektnog radnog područja, kako je opisano u Poglavlju 5. Rad unutar tog područja omogućuje učinkovit i pouzdan rad rashladnika te rezultira stabilnom temperaturom polazne vode.

Prije svega, važno je definirati osnovne principe toplinske regulacije na kojima se temelje strategije regulacije. Ovi principi vrijede kako za jednostavne, tako i za kompleksne (složene) sustave opisane u Poglavlju 4 – Preporučena hidronička rješenja.

Zadana vrijednost (set point):

• Izlazna temperatura vode iz chillera (= temperatura polaza)

Start/stop kompresora:

• Kompresori se uključuju i isključuju na temelju ulazne temperature vode (glikola) u rashladnik, koja odgovara povratnoj temperaturi iz sustava

Inverterska regulacija:

• Rad frekvencijskih pretvarača reguliran je na temelju izlazne temperature vode iz rashladnika, odnosno vrijednosti „set pointa”

---

6.1 Konstantni protok – rashladnik s pumpom

Ovaj princip toplinske regulacije vrijedi za sljedeće konfiguracije chillera u sklopu sustava:

• Rashladnik ugrađen u jednostavan hidronički sustav s jednom zajedničkom pumpom (Poglavlje 4.1)
• Rashladnik s primarnom pumpom, ugrađen u kompleksni hidronički sustav (Poglavlje 4.2a)

Princip uključivanja kompresora

Početna točka uključivanja prvog kompresora određena je zadanom vrijednosti (set point) polazne vode uvećanom za temperaturni diferencijal kompresora ΔT_cpr.

Nema vremenski uvjetovanog odmaka uključivanja (ili isključivanja) bilo kojeg kompresora s obzirom na vrijednost ulazne temperature, ali postoje određeni vremenski uvjeti u logici pokretanja, poput minimalnog vremena rada kompresora.

Ukupni raspoloživi temperaturni diferencijal ΔT raspodjeljuje se na broj kompresora u rashladniku N_cpr (od 1 do 4), čime se dobiva diferencijal po kompresoru ΔT_cpr:

ΔT_cpr = (ΔT / N_cpr)

Svaki sljedeći kompresor uključuje se kada povratna temperatura iz sustava dosegne:

Set point + (ΔT_cpr × n)
(gdje je n broj pojedinog kompresora u sekvenci)

Ovaj princip osigurava stupnjevito uključivanje kompresora ovisno o porastu rashladnog opterećenja.

Princip isključivanja kompresora

Posljednji kompresor isključuje se kada povratna temperatura dosegne zadanu vrijednost (setpoint). Svaki prethodni kompresor isključuje se pri graničnoj vrijednosti definiranoj izrazom:

Set point + (ΔT_cpr × n)
(gdje je n broj pojedinog kompresora u sekvenci)

Ova logika osigurava stupnjevito rasterećenje (unloading) sustava uz uravnotežen rad kompresora, što se može prikazati na dijagramu.

Napomena: Svi kompresori moraju biti opremljeni frekvencijskim pretvaračima. ON/OFF kompresori nisu dopušteni u ovakvom tipu regulacije!

Sljedeći primjer prikazuje strategiju toplinske regulacije rashladnika sa 3 nezavisna rashladna kruga (N_cpr = 3). Temperaturni režim je 12/6 °C, što znači ΔT = 6 K i setpoint vrijednost 6 °C.

Temperaturni diferencijal uključivanja kompresora iznosi: ΔT_cpr = (ΔT / N_cpr) = 2 K. Prvi kompresor se pokreće kada ulazna temperatura bude 2 K viša od vrijednosti setpointa. Za svako daljnje povećanje ulazne temperature od 2 K, pokreće se sljedeći kompresor. Kada ulazna temperatura padne na 10 °C, što ukazuje na smanjenje rashladnog opterećenja, isključuje se prvi kompresor. Drugi kompresor isključuje se pri 8 °C, a posljednji (treći) pri vrijednosti zadane temperature, što označava da više nema rashladnog opterećenja.

Napomena: Stvarni rad može se razlikovati ovisno o temperaturnom režimu, broju kompresora i drugim parametrima sustava.

---

6.1a Bypass efekt

Efekt zaobilaženja, tzv. „bypass efekt” se javlja tijekom rada rashladnika pri djelomičnom opterećenju kada je smanjeni ΔT, a izražen je tijekom procesa pokretanja i isključivanja kompresora. Kada je kompresor isključen, njegov isparivač ne sudjeluje u prijenosu topline pa voda prolazi kroz njega bez hlađenja i zadržava ulaznu temperaturu. Topliji tok iz neaktivnog isparivača zatim se miješa s ohlađenim tokom iz aktivnih isparivača, što uzrokuje porast temperature polazne vode. Kako bi se kompenziralo to miješanje, aktivni isparivači moraju ohladiti medij na temperaturu nižu od zadane temperature polaza.

---

6.2 Stupnjevito promjenjivi protok – rashladnik s primarnom pumpom po krugu

Ovaj princip toplinske regulacije vrijedi za sljedeće vrste rashladnika vode (chillera) i konfiguracija sustava:

• Rashladnik vode s primarnom pumpom po rashladnom krugu, ugrađen u kompleksni hidronički sustav (Poglavlje 4.2b)
• Paralelna konfiguracija rashladnika vode (s primarnom pumpom po rashladniku), ugrađena u kompleksni hidronički sustav (Poglavlje 4.2c)

U obje konfiguracije, rashladnik vode radi sa stupnjevito promjenjivim protokom. Protok se mijenja u diskretnim koracima ovisno o broju aktivnih kompresora (rashladnih krugova), pri čemu svaki krug ima konstantni protok, neovisan o drugim krugovima. Na taj se način tijekom rada pri djelomičnom opterećenju održava ista temperaturna razlika (ΔT) na svim rashladnim krugovima. Sukladno tome, ako rashladnik ima primarnu pumpu po krugu, nema efekta zaobilaženja opisanog u Poglavlju 6.1a.

Princip uključivanja kompresora

Prvi kompresor se pokreće pri unaprijed definiranoj vrijednosti ispod nominalne povratne temperature iz sustava, tj. ulazne temperature u rashladnik. Svaki sljedeći kompresor pokreće se kada povratna temperatura dosegne istu vrijednost, ali iznad nazivne povratne temperature. Takav koncept zasniva se na principu ‘mrtve zone’ (dead band), odnosno postoji temperaturna histereza.

Nema vremenskog odmaka pri uključivanju (ili isključivanju) u odnosu na vrijednost povratne temperature. Međutim, primjenjuju se određeni vremenski uvjetovani odmaci pri uključivanju, npr. minimalno potrebno vrijeme rada kompresora na 100% kapaciteta (pri maksimalnoj frekvenciji) kao obvezan preduvjet prije dozvole uključivanja sljedećeg kompresora u rad.

Princip isključivanja kompresora

Kompresori se isključuju prema FIFO (first-in, first-out) principu.

Posljednji kompresor se isključuje kada povratna temperatura dosegne setpoint + 0,5 × ΔT. Svaki prethodni kompresor isključuje se pri temperaturnoj diferenciji koja ovisi o ukupnoj ΔT i broju kompresora. Ovaj princip isključivanja osigurava uravnoteženo rasterećenje sustava i može se prikazati na sljedećem grafu.

Napomena: Svi kompresori moraju biti opremljeni frekvencijskim pretvaračima. ON/OFF kompresori nisu dopušteni u ovakvom tipu regulacije!

Sljedeći primjer prikazuje strategiju toplinske regulacije rashladnika sa 3 nezavisna rashladna kruga (N_cpr = 3). Temperaturni režim je 12/7 °C, što znači ΔT = 5 K i set point hlađenja 7 °C.

U ovom primjeru histereza (dead band) iznosi ±1 K u odnosu na temperaturu povratne vode od 12 °C. Uključivanje prvog kompresora ovisi isključivo o temperaturi povratne vode. Uključivanje svakog sljedećeg kompresora moguće je tek nakon što prethodno aktivni kompresor dosegne maksimalnu dopuštenu radnu frekvenciju te nakon isteka minimalnog dopuštenog vremena između pokretanja dvaju kompresora. Zbog tih uvjeta prag uključivanja svakog sljedećeg kompresora može biti pomaknut na višu temperaturu povratne vode. Stoga se treći kompresor uključuje pri temperaturi povratne vode nešto višoj od 13 °C. Uvjeti za isključivanje pojedinih kompresora ovise o projektnim karakteristikama sustava, uključujući minimalnu temperaturnu razliku (ΔT) potrebnu za stabilan rad kompresora pri minimalnoj frekvenciji, minimalno dopušteno vrijeme neprekidnog rada te ostale parametre regulacijske strategije.

---

6.3 Hitno isključivanje kompresora u nuždi

Ako temperatura na ulazu u rashladnik brzo padne na vrijednost koja je 2 K niža od zadane temperature (setpointa), svi kompresori moraju se istodobno zaustaviti. Postupak je sljedeći:

• Potpuno se zatvaraju elektronički ekspanzijski ventil (EEV) svakog kruga
• Čeka se nekoliko sekundi (unaprijed definirana vrijednost)
• Zaustavljaju se svi kompresori.

Napomena: Frekvencija kompresora u trenutku zaustavljanja može iznositi 50 Hz ili manje.

Sljedeći dijagram prikazuje princip regulacije rashladnika vode (chillera) s četiri neovisna rashladna kruga, pri čemu svaki krug ima jedan kompresor. Temperaturni režim iznosi 12/7 °C, što znači da je polazna temperatura hlađenja (setpoint) 7 °C. Ako temperatura vode na ulazu u rashladnik iznenada padne na 5 °C, aktivira se postupak hitnog zaustavljanja (emergency shutdown) kako bi se zaštitio rashladnik od rada izvan dopuštenih granica.

---

6.4 Zaštita od kratkog cikliranja kompresora

Zaštita od kratkog cikliranja kompresora (eng. anti-cycling) javlja se kada je opterećenje sustava niže od minimalnog kapaciteta jednog kompresora (odnosno rashladnog kruga). Kompresor tada radi u ON/OFF režimu i na minimalnoj frekvenciji.

‘Anti-cycling’ način rada aktivira se ako je tijekom posljednja dva ciklusa kompresor u prosjeku radio kraće od 10 minuta. Kada je anti-cycling način aktiviran, kontroler povećava temperaturni diferencijal uključivanja (ΔT_cpr) tog kompresora da bude jednak nazivnoj ΔT vrijednosti.

Anti-cycling način rada deaktivira se kada je zabilježen prosječni rad dulji od 10 minuta u zadnja dva ciklusa. Ova logika osigurava:

• dulje vrijeme rada kompresora
• pravilnu cirkulaciju ulja i podmazivanje
• smanjeno trošenje zbog čestog uključivanja i isključivanja
• produljen vijek trajanja kompresora

Sljedeći dijagram prikazuje primjer pokretanja anti-cycling zaštite. Režim rada je 12/7 °C. Startni diferencijal kompresora iznosi 2 K iznad zadane vrijednosti (set pointa) od 7 °C. Budući da je rashladno opterećenje prenisko, prosječno vrijeme rada kompresora kraće je od 10 minuta u prva dva ciklusa (t₁ i t₂). Kontroler povećava diferencijal pokretanja za 3 K tako da ukupni diferencijal iznosi ΔT = 5 K kako bi smanjio cikliranje kompresora. Kad je prosječno vrijeme rada u zadnja dva ciklusa (t₃ i t₄) prešlo 10 minuta, zaštita se deaktivirala.

---