Sterowanie systemami HVAC

Część 1. rola, typy i komponenty instalacji HVACR

Zależnie od konstrukcji i przeznaczenia budynku przy pewnej, określonej temperaturze otoczenia straty ciepła na zewnątrz są naturalnie kompensowane przez jego źródła wewnątrz obiektu. Panują w nim wówczas optymalne warunki bez potrzeby dogrzewania lub schładzania. Jeżeli temperatura na zewnątrz maleje straty ciepła przez ściany rosną, przez co temperatura w budynku spada. Część instalacji HVACR reprezentowana przez pierwszą literę powinna wówczas dostarczyć tyle energii cieplnej, ile trzeba, aby te ubytki uzupełnić.

Kiedy z kolei temperatura na zewnątrz wzrasta ciepło z otoczenia oraz ze środka budynku kumuluje się, co powoduje wzrost temperatury w obiekcie. Nadwyżkę tej energii termicznej odprowadza instalacja chłodząca. Wentylacja ma natomiast zapewnić właściwą cyrkulację powietrza. To i trzy inne jego parametry - temperaturę, wilgotność i jakość - równocześnie reguluje klimatyzacja.

Typy instalacji HVACR

Jeżeli do regulacji warunków w budynku używane są urządzenia zasilane energią z zewnątrz, które są przeznaczone wyłącznie do realizacji tego zadania oraz nie są integralną częścią obiektu, jest on wyposażony w aktywną instalację HVACR. Alternatywą, a częściej jej uzupełnieniem, może być ta pasywna oraz korzystająca z odnawialnych i lokalnych źródeł energii.

Budynki, zwłaszcza te z wieloma pomieszczeniami o różnym przeznaczeniu, dzieli się na strefy, na przykład zależnie od nasłonecznienia, wysokości (m.in. pod ziemią, na dachu) oraz od częstości użycia i jego natężenia (m.in. kondygnacje z biurami, które działają cały dzień, magazyny przez większość czasu zamknięte, hale produkcyjne z dużą liczbą silnie nagrzewających się maszyn, sale, w których naraz i długo przebywa wiele osób, pawilony handlowe). Zależnie od organizacji instalacji HVACR w poszczególnych strefach może ona mieć charakter lokalny albo centralny.

Lokalnie czy centralnie?

Komponenty tych drugich są wspólne dla wszystkich stref i zlokalizowane poza nimi, zazwyczaj w oddzielnym pomieszczeniu. Ma to kilka zalet. Łatwiejsze jest nadzorowanie, konserwacja i naprawa sprzętu. Jego izolacja pozytywnie wpływa też na komfort akustyczny oraz estetykę budynku. Wadą jest natomiast to, że awaria dowolnego elementu instalacji ma wpływ na warunki w całym obiekcie. Ponadto konieczność przesyłu medium grzewczego / chłodzącego na duże odległości powinna być uwzględniona w projekcie budynku.

Z lokalnej instalacji HVACR korzysta jedna strefa. W niej albo w jej pobliżu jest też rozmieszczony cały sprzęt. Zaletą jest niezależność regulacji warunków w różnych częściach budynku. Dzięki niej awaria w jednej z nich nie ma wpływu na skuteczność grzania, chłodzenia, wentylacji oraz jakość powietrza w pozostałych. Można też oszczędzić energię, wyłączając wybrane instalacje.

Komponenty instalacji HVACR

Mniejsze koszty są zauważalne szczególnie w przypadku długo nieużytkowanych pomieszczeń oraz czasowo zamykanych budynków (m.in. szkoły, akademiki). Problemem jest natomiast konieczność dokonywania napraw w obecności użytkowników. Lokalnymi urządzeniami nie da się też sterować centralnie w bardziej zaawansowany sposób, niż tylko przez ich włączenie / wyłączenie.

W obrębie instalacji HVACR wyróżnić można trzy rodzaje komponentów. Są to: źródła mediów grzewczych (gorącego powietrza, wody, pary wodnej) oraz chłodzących (zimnej wody, zimnego powietrza), systemy ich rozprowadzania po budynku i elementy przejściowe pomiędzy nimi a pomieszczeniem. W instalacjach lokalnych zadania te realizuje często jedno urządzenie, w tych scentralizowanych są one natomiast rozdzielone pomiędzy różne sprzęty i komponenty.

Przykładem urządzeń pierwszego typu są piece, kotły, kolektory słoneczne oraz pompy ciepła. Te ostatnie uznawane są za jedne z bardziej ekologicznych.

Efektywność energetyczna instalacji HVACR

Jak szacuje Navigant Research instalacje, HVACR pobierają średnio około 40% całkowitej energii, która zasila typowy budynek. Biorąc pod uwagę to oraz fakt, że budynki zużywają od 35% do 40% całkowitej energii na świecie, opłaca się pod względem finansowym i dla ochrony środowiska zrobić co tylko możliwe, by ten udział systemów grzania, chłodzenia, wentylacji i klimatyzacji zmniejszyć.

Przykładowe działania to: ograniczanie strat energii czynników grzewczych dzięki uszczelnianiu i izolacji rurociągów i kanałów oraz zastosowanie napędów o regulowanej prędkości obrotowej do zasilania m.in. wentylatorów, pomp i sprężarek. Instaluje się również systemy rekuperacji ciepła, które pozwalają na odzyskanie i ponowne wykorzystanie energii cieplnej powietrza wylotowego latem do chłodzenia i osuszenia, a zimą do ogrzania i nawilżenia tego pobieranego z zewnątrz. Instalację HVACR modernizuje się także kompleksowo, nie tylko wymieniając urządzenia, ale i przez jej reorganizację albo systemu sterowania. Przykłady takich działań prezentujemy w kolejnych ramkach.

Nie wolno także zapominać o regularnej konserwacji oraz czyszczeniu elementów instalacji grzania, chłodzenia, wentylacji i klimatyzacji, na przykład wymienników ciepła. Brud na nich zalegający blokuje bowiem ruch powietrza oraz zmniejsza przepływ ciepła między nim, a rurami wymiennika.

Jak działa pompa ciepła?

Rys. 1. Główne komponenty pompy ciepła

Szacuje się bowiem, że urządzenia te są w stanie wytworzyć nawet od dwóch do trzech razy więcej energii cieplnej, niż same, w postaci energii elektrycznej, pobierają, by działać. Wynika to stąd, że wykorzystują one energię słoneczną zmagazynowaną w gruncie, wodzie i powietrzu. To z kolei jest możliwe dzięki zdolności chłodziwa, którym wypełniony jest wymiennik, umieszczony na przykład w ziemi, do odparowania w stosunkowo niskiej temperaturze.

Na rysunku 1 przedstawiono główne komponenty pompy ciepła. Składa się ona z dwóch zamkniętych obiegów chłodziwa: dolnego, w wymienniku i górnego, wewnątrz urządzenia. Płyn w tym drugim po podgrzaniu przez chłodziwo ogrzane ciepłem z zewnątrz odparowuje w parowniku. Gaz ten jest następnie sprężany w sprężarce. Dalej w skraplaczu woda zasilająca system ogrzewania w budynku chłodzi gorący gaz. To powoduje jego kondensację oraz podgrzanie wody. Płynne chłodziwo, które wciąż jest pod dużym ciśnieniem, wraca dalej przez zawór rozprężny do parownika. Wówczas cały proces się powtarza.

Oszczędności dzięki zmianie sposobu chłodzenia

W pewnej fabryce mebli przy okazji gruntownego remontu zdecydowano się na modernizację przestarzałej, nieefektywnej instalacji HVAC. Na celowniku znalazła się przede wszystkim chłodziarka starszego typu, która, jak wykazały pomiary, zużywała najwięcej energii.

Kiedy trzeba było zmniejszyć temperaturę w pomieszczeniach, schładzała ona wodę do kilku stopni Celsjusza. Płynąc przez wymiennik znajdujący się w kanale wentylacyjnym, następnie odbierała ciepło z powietrza. Dalej woda wracała do chłodziarki podgrzana średnio o kilka stopni Celsjusza. Tam była ponownie schładzana. W ten sposób optymalną temperaturę powietrza w halach produkcyjnych, w których pracowały maszyny wydzielające duże ilości ciepła, utrzymywano latem oraz zimą.

Aby to zmienić, zdecydowano się wykorzystać to, że w rejonie, gdzie znajdowała się fabryka, klimat był chłodny. Obieg wody w związku z tym przeorganizowano tak, że gdy temperatura na zewnątrz mieściła się w przedziale uniemożliwiającym jej zamarzanie, medium po ogrzaniu pompowano na dach, gdzie się naturalnie schładzało. Oszczędność energii uzyskana dzięki czasowemu wyłączaniu chłodziarki, nawet po uwzględnieniu kosztów zakupu oraz eksploatacji nowej pompy, przyczyniła się do znacznego zmniejszenia kosztów działania instalacji HVAC.

Transport mediów

System dystrybucji wody składa się z co najmniej dwóch rurociągów, którymi transportuje się ją w obiegu zamkniętym, ekonomiczniejszym od otwartego. Kiedy wymagane jest równoczesne grzanie oraz chłodzenie, korzysta się z większej liczby przewodów.

Przykładowa konfiguracja to dwie rury, którymi płynie woda gorąca i zimna oraz wspólny przewód powrotny. Oddzielny transport mediów, które różnią się temperaturą, jest jednak lepszym rozwiązaniem. Częścią systemu dystrybucji wody są również zawory i pompy, odpowiednio, regulujące i wymuszające jej przepływ.

Powietrze przesyłane jest kanałami. Tak jak wypadku wody ważne jest, by powtórnie wykorzystać jak najwięcej tego medium. Jego podgrzanie lub schłodzenie jest bowiem szybsze i pochłania mniej energii niż gazu z zewnątrz.

Ten ostatni jest jednak i tak potrzebny do utrzymania jakości powietrza w budynku. Dlatego strumień, którego część wcześniej odprowadza się do otoczenia, uzupełnia się z zewnątrz, o czym piszemy dalej. Częścią systemu dystrybucji powietrza są też wentylatory.

Logika rozmyta w sterowaniu klimatyzacją

Funkcje przynależności zmiennych wejściowych systemu sterowania klimatyzacją: a) temperatury zadanej, b) różnicy między temperaturą aktualną a zadaną, c) temperatury punktu rosy i d) zmiennych wyjściowych: prędkości obrotowej wentylatora i sprężarki

Dla uproszczenia, w systemie sterowania klimatyzacją wyróżnić można trzy zmienne wejściowe: temperaturę ustawianą przez użytkownika na pokrętle w pomieszczeniu (od +20°C do +30°C), różnicę pomiędzy temperaturą aktualnie panującą w pokoju a tą zadaną (od -1°C do +27°C) i temperaturę punktu rosy, tj. tej, przy której para wodna z powietrza ulega skropleniu (od +10°C do +18°C). Na rysunku pokazano funkcje przynależności każdej z nich wraz z analogiczną zależnością dla zmiennych wyjściowych. Te ostatnie to prędkości obrotowe: wentylatora i sprężarki urządzenia grzewczo-chłodzącego.

Tabele zawierają zestaw reguł wnioskowania. Wynika z nich m.in. to, że urządzenia te powinny pracować na największych obrotach, jeżeli, przy optymalnej temperaturze punktu rosy, uchyb jest duży, bez względu na to, czy użytkownik chce, by w pokoju było nieco chłodniej, czy trochę cieplej.

Jeżeli z kolei w pokoju jest wilgotno, a celem jest obniżenie temperatury, wentylator oraz sprężarka, bez względu na różnicę temperatury aktualnej i tej wymaganej, muszą przyspieszyć. Jeśli różnica ta jest ujemna, a wilgotność optymalna, oba urządzenia trzeba wyłączyć. W takim wypadku, ale przy dużym nasyceniu powietrza parą wodną, należy zwiększyć ich obroty, tylko jeżeli temperatura w pomieszczeniu jest zbyt wysoka.

W dalszej kolejności w procesie defuzyfikacji, na przykład metodą średniej ważonej, prędkość obrotową wentylatora i sprężarki wyznacza się, uwzględniając wyniki etapu wnioskowania dla pozostałych zmiennych wejściowych, na przykład tych odczytanych z analogicznych tabel dla różnej liczby osób w pomieszczeniu.

Wentylatory i dyfuzory w instalacjach HVACR

Wyróżnić można zasadniczo dwa rodzaje wentylatorów: promieniowe (centrifugal) i osiowe (axial). W pierwszych przepływ powietrza jest prostopadły, natomiast w drugich równoległy do osi wirnika. Wentylatory promieniowe dzieli się na dwie grupy: z łopatkami wygiętymi w przód (FC, forward-curved) oraz łopatkami wygiętymi wstecz (BI, backward-inclined). Łopatki w wentylatorach FC są zgięte w kierunku ruchu wirnika, a w tych typu BI - w przeciwnym. Urządzenia pierwszego typu, pracując z dużo mniejszą prędkością niż te z łopatkami wygiętymi wstecz, przetłaczają znacznie większą ilość powietrza. Ten typ wentylatorów jest jednym z częściej używanych w instalacjach HVACR.

Przykładem elementów przejściowych pomiędzy systemem dystrybucji medium grzewczego albo chłodzącego a pomieszczeniem są dyfuzory. Są one wykorzystywane do wprowadzania powietrza do wnętrza, z reguły przez sufit. Ich zadaniem jest zapewnienie efektywnego wymieszania się gazu z systemu wentylacji z tym już znajdującym się w pomieszczeniu i minimalizowanie przeciągów.