Automatyka i czujniki w HVAC

Sterowanie pracą systemu HVAC nie jest proste – optymalne nastawy jego komponentów zależą od wielu czynników. Są to, oprócz warunków w pomieszczeniach: temperatury, wilgotności i stężenia zanieczyszczeń, również parametry otoczenia, samej instalacji i procesów w niej zachodzących, na przykład spalania paliwa w kotle grzewczym. Nie wystarczy też, aby efekt grzania, chłodzenia czy wentylacji satysfakcjonował użytkowników. Powinien on być jednocześnie osiągnięty w sposób jak najefektywniejszy ekonomicznie oraz jak najmniej dokuczliwy dla środowiska. Dlatego automatyka systemów HVAC jest włączana do systemów zarządzania budynkiem BMS (Building Management System) i/albo zarządzania energią EMS (Energy Management System). Te w oparciu o odczyty z czujników, które mierzą temperaturę, wilgotność, ciśnienie, przepływ i jakość powietrza i dane o strukturze budynku dynamicznie dostosowują parametry urządzeń grzewczych, chłodzących oraz wentylatorów do aktualnych potrzeb. Przykładem są sensory różnicy ciśnień, które są kluczowe w sterowaniu segmentem VAV (Variable Air Volume) instalacji HVAC. Stanowi on zespół urządzeń, które przekierowują i rozdzielają strumienie powietrza o kontrolowanych parametrach do różnych części budynku. Głównym komponentem jest przepustnica i element nią sterujący. Jest to siłownik połączony ze sterownikiem. Reguluje on położenie przepustnicy, a dzięki temu ilość powietrza, które jest doprowadzane z centrali wentylacyjnej do danej strefy w oparciu o zaprogramowany tryb i zmienne: przepływ powietrza i temperaturę. Przykładowo w trybie chłodzenia przepustnica jest szerzej otwarta, bo wymagany jest większy przepływ powietrza, inaczej niż w trybie grzania, gdy przymyka się ją, aby jego przepływ ograniczyć. Stopień uchylenia jest regulowany na podstawie odczytów wbudowanych w segment VAV czujników temperatury i przepływu. Dodatkowy sensor w głównym kanale zasilającym mierzy ciśnienie powietrza. Jego wskazania są porównywane z nastawą tej wielkości. Na tej podstawie elementy sterujące w centrali klimatyzacyjnej zwiększają i zmniejszają obroty dmuchawy. W tym zastosowaniu wykorzystuje się czujniki piezorezystancyjne w postaci mostka pomiarowego Wheatstone’a składającego się z rezystorów wbudowanych w membrany. Na skutek ich odkształcenia, proporcjonalnie do różnicy oddziałujących na nie ciśnień, zmienia się rezystancja oporników, a w rezultacie również mierzone napięcie.

Komponenty systemu HVAC: agregaty chłodnicze Wyróżnia się dwa typy agregatów chłodniczych: chłodzone wodą i powietrzem. Na rysunku przedstawiono uproszczony schemat blokowy urządzenia pierwszego typu. Jego główne komponenty to parownik, w którym czynnik chłodniczy jest ogrzewany i wrze, sprężarka i skraplacz, w którym odparowany, sprężony czynnik chłodniczy ulega skropleniu, oddając ciepło. Jest ono następnie odprowadzane przez wodę pompowaną do wieży chłodniczej, natomiast schłodzony czynnik, po przejściu przez zawór rozprężny, wraca do parownika i cykl rozpoczyna się od nowa.   Agregat chłodniczy chłodzony wodą

HVAC do zadań specjalnych: cleanroomy

Niektóre stanowiska wymagają nietypowych systemów wentylacji i klimatyzacji. Przykładem są cleanroomy. Są to izolowane pomieszczenia, w których dzięki specjalnej konstrukcji, materiałom, organizacji przestrzeni i procedurom użytkowania kontroluje się warunki środowiskowe, ogranicza wnikanie zanieczyszczeń z zewnątrz, eliminuje ich źródła wewnątrz i zapobiega ich gromadzeniu. Zapewnia to wysoką czystość, bez widocznego brudu, drobnoustrojów chorobotwórczych i cząstek o rozmiarach rzędu mikro i nanometrów, wymaganą w produkcji półprzewodników, elementów optycznych, biotechnologii, nanotechnologii, branży medycznej i farmaceutycznej, na przykład w produkcji szczepionek.

Nakłada to specjalne wymogi na projekt systemu wentylacji i klimatyzacji w pomieszczeniach tego rodzaju. Warunki te to: dostarczanie powietrza o wystarczającej objętości i czystości, aby utrzymać wymaganą klasę czystości cleanroomu, wprowadzanie go w taki sposób, żeby zapobiec zastojom w obszarach, gdzie mogą się gromadzić cząstki, przygotowanie powietrza w celu spełnienia wymagań dotyczących temperatury i wilgotności oraz zapewnienie go w wystarczającej ilości do utrzymania określonego dodatniego ciśnienia. Przy ich spełnianiu trzeba pamiętać, że cleanroomy pod wieloma względami różnią się od zwykłego wentylowanego/klimatyzowanego pomieszczenia.

Komponenty systemu HVAC: filtry Ważnym komponentem systemów wentylacji są filtry oczyszczające powietrze. Ich typ zależy od: rodzaju i rozmiaru cząstek zanieczyszczeń, które trzeba usunąć, ich stężenia, stopnia, w jakim trzeba je usunąć, aby na przykład spełnić określone normy, temperatury i wilgotności powietrza, wymagań w zakresie bezpieczeństwa przeciwpożarowego oraz przeciwwybuchowego. Przykładem są filtry tkaninowe i elektrostatyczne. W tych drugich cząstki zanieczyszczeń najpierw zostają zjonizowane, a następnie są wychwytywane przez przeciwnie naładowaną płytkę. Filtry elektrostatyczne są bardzo wydajne w zbieraniu drobnych cząstek, ale nie mogą być używane przy silnym zapyleniu, ponieważ łatwo się zatykają. Nie powodują dużej straty ciśnienia.

Przede wszystkim wyróżniają się większymi potrzebami w zakresie cyrkulacji powietrza – typowe systemy HVAC projektuje się tak, żeby zapewniały od dwóch do czterech jego wymian w ciągu godziny, podczas gdy w cleanroomach jest to zwykle minimum dziesięć do nawet kilkuset wymian na godzinę. Jest to konieczne, by utrzymać założoną liczbę cząstek w jednostce objętości powietrza – w najbardziej sterylnych pomieszczeniach akceptowalne są jedynie 2 i 10 cząsteczek o średnicach odpowiednio 0,2 μm i 0,1 μm na metr sześcienny powietrza. Dla porównania typowy pokój w domu zawiera ponad 10 mln cząsteczek o średnicy 0,5 μm i większych. Tak częsta wymiana powietrza jest też konieczna, aby zapobiec osiadaniu tych cząstek na powierzchniach w cleanroomie. Zależnie od rozmiaru w wentylowanym pomieszczeniu zachowują się one w różny sposób. Na przykład w takim o wysokości ponad 2 metrów osiadanie cząstki o wielkości 1 μm może zająć kilkanaście godzin, podczas gdy cząstka o wielkości 50 μm opada typowo minutę. Te większe niż 5 μm mają tendencję do jeszcze szybszego osiadania, o ile nie są przedmuchiwane powietrzem.

Ponadto powietrze w cleanroomach musi być oczyszczane. Skuteczną filtrację w strefach czystych zapewniają filtry HEPA (High Efficiency Particulate Air). Umieszcza się je na wlocie powietrza do pomieszczenia. Skuteczność filtracji filtrów HEPA sięga 99%.

Między sąsiadującymi ze sobą pomieszczeniami zwykłymi a strefami czystymi należy utrzymywać różnicę ciśnień – w cleanroomie ciśnienie powinno być zawsze wyższe, żeby zapobiec przenikaniu zanieczyszczeń przez nieszczelności i podczas otwierania i zamykania drzwi. Zalecana minimalna różnica między czystym obszarem a sąsiednią nieczystą strefą powinna wynosić kilkanaście Pa. Jeżeli kilka pomieszczeń czystych o różnych poziomach czystości jest połączonych, również należy zachować hierarchię stopni czystości. Zalecana wtedy minimalna różnica ciśnień między czystymi strefami wynosi kilka Pa.

Wyróżnikiem cleanroomów jest też przepływ powietrza. Generalnie odbywa się to na jeden z trzech sposobów: jednokierunkowo (przepływ laminarny), niejednokierunkowo (przepływ turbulentny), w sposób mieszany. Przepływ jednokierunkowy zapewnia skuteczniejsze wymiatanie niepożądanych cząstek dzięki efektowi tłoka zapewnianemu przez niezmienną prędkość powietrza.

Projektowanie systemu wentylacji i klimatyzacji w cleanroomie nie jest zatem zadaniem błahym. W obliczeniach, poza powyższymi kwestiami, należy uwzględnić także: rozmiar pomieszczenia, liczbę osób pracujących w nim w tym samym czasie, które są nie tylko źródłem zanieczyszczeń i ciepła, a jednocześnie w związku ze strojem ochronnym, jaki są zobowiązane nosić, wymagają określonych warunków środowiskowych, specyfikę wyposażenia cleanroomu, które tak jak personel jest źródłem kurzu i ciepła oraz oświetlenie, które generuje ciepło.

Monika Jaworowska