W artykule przedstawiono tradycyjne oraz alternatywne metody regulowania systemów powietrzno-wodnych opartych na wentylokonwektorach, klimakonwektorach oraz belkach chłodzących. Zaprezentowano wady i zalety omawianych rozwiązań.

Systemy klimatyzacji można podzielić na układy wyłącznie powietrzne oraz na systemy powietrzno-wodne. W instalacjach powietrznych realizuje się doprowadzenie, względnie odprowadzenie, energii do pomieszczeń za pomocą strumienia powietrza, który jest przygotowywany w centrali klimatyzacyjnej. Ponieważ powietrze nie wymaga dalszej obróbki, w instalacjach tych nie przewiduje się dla pojedynczych pomieszczeń żadnych dodatkowych wodnych instalacji grzewczych lub chłodniczych. W okresie zimy zapotrzebowanie na ciepło częściowo lub całkowicie pokrywa tradycyjny system ogrzewania [1].W przeciwieństwie do systemów powietrznych, w systemie powietrzno-wodnym jako nośniki energii wykorzystywane są zarówno powietrze jak i woda. W centrali klimatyzacyjnej przygotowany jest tylko pierwotny udział powietrza, który odpowiada najczęściej wymogom higienicznym dotyczącym niezbędnej ilości powietrza świeżego. W związku z powyższym, wymiary kanału dolotowego i centrali klimatyzacyjnej mogą być bardzo małe. Niewielkie obciążenie grzewcze, względnie chłodnicze, jest odprowadzane przez wymiennik ciepła, zasilany ciepłą lub zimną wodą, zainstalowany w urządzeniach indywidualnych w pomieszczeniach. Zaletą i głównym uzasadnieniem stosowania systemów powietrzno-wodnych jest wysoka skuteczność regulacji parametrów termodynamicznych klimatyzowanych pomieszczeń.

Rys. 2. Schemat klimakonwektora indukcyjnego: 1 – wymiennik ciepła; 2 – dysze; 3 – komora mieszania; 4 – komora powietrza pierwotnego; 5 – kanał powietrza pierwotnego (świeżego); 6 – powietrze wtórne (obiegowe z pomieszczenia); 7 – wylot powietrza nawiewanego; 8 – zawór regulacyjny trójdrogowy z siłownikiem; 9 – fi ltr siatkowy; 10 – zawór nastawny lub nastawno-pomiarowy; 11 – zawór odcinający

Do kształtowania parametrów powietrza w obiektach o dużej liczbie pomieszczeń (biurowce, hotele, budynki administracyjne) stosuje się systemy klimatyzacyjne o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza (rys. 1.) wyposażone w klimakonwektory indukcyjne (rys. 2.), bądź wentylatorowe (wentylokonwektory, fancoile – rys. 3.) lub też belki chłodzące aktywne i pasywne (rys. 4.). W takich systemach klimatyzacyjnych, można wyróżnić urządzenia centralne przygotowujące powietrze dla całego budynku lub wydzielonej jego strefy oraz urządzeń indywidualnych, obsługujących poszczególne pomieszczenia. W urządzeniach centralnych przygotowywane jest powietrze zewnętrzne zwane pierwotnym, którego zadaniami podstawowymi są [1]:

• zapewnienie wymaganych warunków higienicznych (utrzymanie świeżości powietrza w pomieszczeniach);

• zapewnienie wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniach w zakresie komfortu cieplnego i asymilacja zysków wilgoci;

• wywołanie przepływu powietrza obiegowego przez wymienniki w klimakonwektorach indukcyjnych i belkach chłodzących.

Rys. 1. System klimatyzacyjny z dwustopniowym uzdatnianiem powietrza

Układy klimatyzacyjne z urządzeniami indywidualnymi obsługują od kilkunastu do kilkuset pomieszczeń, których charakterystyki cieplne oraz dynamika zmian obciążeń cieplnych jest różna i zmienna w czasie. Utrzymanie wymaganej, często różnej temperatury powietrza w poszczególnych pomieszczeniach, wymaga indywidualnej dostawy energii grzewczej bądź chłodniczej. Za utrzymywanie temperatury na zadanym poziomie odpowiada uzdatniane powietrze obiegowe.

W okresie zimowym i przejściowym często niezbędne jest podgrzewanie powietrza obiegowego w części pomieszczeń i ochładzanie w innych. Ponadto, powszechna jest konieczność zmiany sposobu jego uzdatniania w ciągu jednego dnia z trybu grzewczego na chłodzący, bądź odwrotnie. (…)

Rys. 3. Schemat wentylokonwektora: 1 – wymiennik ciepła; 2 – wentylator; 4 – taca ściekowa; 5 – fi ltr; 6 – powietrze wtórne (obiegowe z pomieszczenia); 7 – wylot powietrza
nawiewanego; 8 – zawór regulacyjny jednodrogowy z siłownikiem; 9 – fi ltr siatkowy; 10 – zawór nastawny lub nastawno-pomiarowy; 11 – zawór odcinający

Standardowe algorytmy sterowania (…)

Alternatywny algorytm sterowania

Rys. 5. Regulacja systemu powietrzno-wodnego (strumień pierwotny asymiluje zyski wilgoci,
strumień główny zyski ciepła jawnego): a) schemat układu automatycznej regulacji, b)
ilustracja procesów uzdatniania powietrza na wykresie i-x, c) ilustracja procesów uzdatniania
powietrza dla temperatury powietrza zewnętrznego tz= 21,6°C

Alternatywne rozwiązanie algorytmu sterowania opiera się na utrzymaniu parametrów komfortu przy założeniu niewielkiego przyrostu temperatury (rys. 6a.) w pomieszczeniu. W tym przypadku, dla analogicznego pomieszczenia jak zaprezentowane w punkcie 2 (rys. 5c.), wilgotność względna utrzymywana jest na poziomie 55%, ale temperatura (tP) została podniesiona o 1,5°C (wynosi 22,8°C), co powoduje przyrost zawartości wilgoci w pomieszczeniu o ok. 0,9 g/kg p.s. W ten sposób uzyskana zawartość wilgoci w powietrzu w klimatyzowanym lokalu jest bliska zawartości wilgoci powietrza zewnętrznego. Wraz ze wzrostem temperatury wzrosły zyski ciepła utajonego, jednakże wymagane osuszenie (dla tp=22,8°C) wynosi ok. 0,95 g/kg p.s., więc jest zaledwie o 0,15 g/kg większe niż przy temperaturze 21,3°C. Pozwala to na ograniczenie temperatury powietrza pierwotnego do ok. 15°C oraz na zmniejszenie mocy chłodnicy w urządzeniu indywidualnym, zatem stanowi realną oszczędność w kosztach eksploatacyjnych.

Rozwiązanie takie jest możliwe, ze względu na charakter wzajemnego położenia parametrów strefy komfortu i krzywej klimatycznej (rys. 6b). Dla tych samych parametrów powietrza zewnętrznego, wyższa temperatura w pomieszczeniu, przy stałej, maksymalnej dopuszczonej wilgotności względnej, „zbliża” parametry (zawartość wilgoci) w klimatyzowanym lokalu do krzywej klimatycznej. Dzięki temu, zmniejsza się różnica zawartości wilgoci, o którą musi być osuszony strumień pierwotny (Δx_Z),a zatem także moc chłodnicy w centrali (rys. 6c.). Jak widać na rysunku 6c., przyrost temperatury o 1°C umożliwia podwyższenie temperatury powietrza pierwotnego o ok. 3°C. Przedstawiona powyżej relacja pozwala stwierdzić, że moc chłodnicza central obliczana na podstawie bilansu wilgoci powinna być określana z uwzględnieniem odległości od krzywej klimatycznej. Największe zapotrzebowanie na energię chłodniczą może nie pokrywać się z sytuacją występowania maksymalnych zysków ciepła utajonego w klimatyzowanym pomieszczeniu. Realizacja powyższego algorytmu możliwa jest przy współpracy regulatora wilgotności względnej (Rφ_P), temperatury w poszczególnych pomieszczeniach (Rt_P) oraz temperatury powietrza pierwotnego (Rt– rys. 6c). Gdy regulator Rt wykryje czujnikiem Ct N, że temperatura powietrza pierwotnego za centralą zaczyna spadać poniżej dopuszczalnej wartości, przekazuje sygnał do regulatorów Rt_P, które pozwalają na niewielki przyrost temperatury w pomieszczeniach. Istotne jest, by przyrost temperatury w klimatyzowanym lokalu nie był zbyt duży, gdyż może to spowodować odczucie dyskomfortu przez osoby w nim przebywające.

Autor:  Sergey ANISIMOV, Demis PANDELIDIS