Przedstawione w obu poprzednich częściach artykułu informacje zawierały teoretyczne podstawy związane z techniką regulacyjną układów przygotowania powietrza. W niniejszym artykule przedstawiono na sposób teoretyczny analizy systemu automatycznej regulacji w wybranym układzie przygotowania powietrza CAV.

Systemy regulacyjne w systemach przygotowania powietrza są jednym z bardziej skomplikowanych. Praktycznie w jednym systemie automatycznej regulacji procesu uzdatniania powietrza należy powiązać kilka układów systemów regulacji, takich jak: ogrzewania (nagrzewnica wstępna, pierwotna, wtórna), chłodzenia (chłodnice bezpośredniego odparowania, wodne), osuszania, nawilżania powietrza, itp. Co trudniejsze poszcze gólne obwody regulacyjne wpływają na siebie (np. regulacja temperatury i wilgotności w pomieszczeniu).

Przykład doboru sterownika swobodnie programowalnego oraz wartości jego nastaw dla przykładowego układu technologicznego CAV z regulacją temperatury powietrza na wywiewie i ograniczeniem temperatury na nawiewie

Dla przykładu doboru sterownika swobodnie programowalnego oraz doboru wartości jego nastaw posłużono się przykładem projektowym wykorzystującym rozwiązania klimatyzacji typu CAV. Uzyskanie wymaganych parametrów zostaje dokonane w centrali klimatyzacyjnej, w skład której wchodzą następujące urządzenia niezbędne do obróbki powietrza:

• 2 filtry powietrza klasy F5,
• jednostopniowa nagrzewnica wstępna elektryczna Q_nwst = 6 kW,
• płytowy wymiennik odzysku ciepła,
• komora mieszania,
• chłodnica wodna o mocy Q_chł = 21 kW,
• nagrzewnica wodna o mocy Q_nag = 15 kW,
• nawilżacz parowy umieszczony poza centralą klimatyzacyjną o wydajności nawilżania m_P = 3,86 g_pary/s,
• wentylatory powietrza nawiewanego i wywiewanego (współpracujące z jednobiegowymi silnikami napędowymi).

Utrzymanie wymaganych parametrów powietrza w pomieszczeniu należeć będzie do dobranego układu automatyki. Zabiegi regulacyjne dla tego systemu będą dotyczyły obydwu płynów tj.: powietrza oraz wody chłodzącej (roztwór 30%MEG) i grzewczej. Płyny te podczas procesów regulacyjnych nie zmieniają swoich stanów skupienia. Po stronie powietrza regulacja w tym układzie polega głównie na sterowaniu przepustnicami powietrza przy płytowym wymienniku ciepła (by-pass) oraz przepustnicami przy komorze mieszania (free-cooling). Sygnał grzania lub chłodzenia w pierwszej kolejności kierowany jest na przepustnice rekuperatora, a dopiero w drugiej kolejności na pompy i zawory wody grzewczej i chłodzącej. Przepustnice powietrza świeżego przy komorze mieszania powinny być praktycznie przez cały czas otwarte na minimum powietrza świeżego. Jedynie w momencie, gdy zostanie zamknięty zawór nagrzewnicy, a nie pracuje jeszcze zawór chłodnicy (dotyczy to „strefy martwej” urządzenia regulacyjnego) i temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od temperatury panującej w pomieszczeniu, następuje stopniowe zwiększanie udziału powietrza zewnętrznego od wartości minimalnej np. przy temperaturze 21°C w pomieszczeniu do wartości maksymalnej przy np. 22,5°C w pomieszczeniu. W zakresie temperatury 22,5÷23°C układ pracuje na 100% powietrzu zewnętrznym przy zamkniętym zaworze nagrzewnicy i chłodnicy. Po przekroczeniu wartości temperatury 23°C następuje przestawienie przepustnic na minimalny udział powietrza zewnętrznego a następnie stopniowe otwieranie zaworu chłodnicy aż do jego całkowitego otwarcia.

Na rysunku 1. przedstawiono schemat układu technologicznego wraz z przyporządkowanymi sygnałami układu automatyki dla rozpatrywanego systemu. Poniżej zostały sformułowane techniczne zadania układu regulacji.

Rys. 1. Regulacja temperatury i wilgotności w kanale wywiewnym z recyrkulacją i odzyskiem ciepła. W skład urządzeń centrali klimatyzacyjnej wchodzą: wentylator nawiewny i wywiewny, filtry powietrza, wstępna elektryczna nagrzewnica powietrza, krzyżowy płytowy wymiennik odzysku ciepła, komora mieszania, chłodnica powierzchniowa, nagrzewnica wodna oraz nawilżacz parowy

Stosunek zmieszania – powietrze recyrkulacyjne / powietrze zewnętrzne – powinien być utrzymywany na stałym poziomie wynoszącym: 30% powietrza świeżego, 70% powietrza recyrkulacyjnego. Zabiegi regulacyjne mogą być tutaj stosowane, ale stosunek zmieszania w pewnych warunkach nie powinien ulegać zmianie (niezbędne jest dodatkowe wyjście analogowe na przepustnicę komory mieszania). W celu określenia wymaganych parametrów dotyczących stanu powietrza, możemy posłużyć się wykresem h-x, na którym naniesione mogą zostać poszczególne etapy obróbki powietrza zewnętrznego (rys. 2. a i b).

Rys. 2. Przykładowe etapy obróbki powietrza i jego parametry dla: a) zimy i b) lata

W rozpatrywanym przykładzie przewidziano utrzymanie temperatury w pomieszczeniu na stałym poziomie t_p = 20°C w okresie zimowym. W okresie letnim należy zapewnić jej zmianę w sposób nadążny w granicach od 20 do 24°C przy zmianie temperatury powietrza zewnętrznego t_z = 20÷32°C. Uzależnienie temperatury panującej w pomieszczeniu od temperatury zewnętrznej podyktowane jest warunkami komfortu cieplnego. Gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest dużo wyższa niż temperatura panująca w pomieszczeniu, człowiek odczuwa dyskomfort, wchodząc do nadmiernie wychłodzonego pomieszczenia.

Wilgotność względna wymagana w pomieszczeniu wynosi 50%. Co do tolerancji założono, że ze względu na rodzaj pomieszczenia obiektu klimatyzowanego zostaną przyjęte przybliżone wielkości, a mianowicie: ±1°C dla temperatury w pomieszczeniu, zaś ±5% dla wilgotności względnej w pomieszczeniu.

Temperatura nawiewanego powietrza powinna wahać się w przedziale od 16 do 26˚C. Zejście z temperaturą powietrza nawiewanego poniżej dolnej granicy może powodować, że w strefie przebywania ludzi mogą wytworzyć się obszary o obniżonej temperaturze, co ze względów komfortu cieplnego nie powinno mieć miejsca. Górna zaś wartość podanego ograniczenia nawiewu zapewni szybkie nagrzanie powietrza w pomieszczeniu do żądanej temperatury.

Zainteresowanie specjalisty techniki regulacyjnej może dotyczyć ponadto następujących zagadnień:

• jakie jest pole powierzchni okien (42 m2 w omawianym przykładzie) klimatyzowanego pomieszczenia oraz jaka jest łączna powierzchnia mas akumulujących ciepło,
• rodzaj zastosowanych elementów instalacji nawiewnej oraz ich umiejscowienie przestrzenne; dotyczy to również elementów instalacji wywiewnej (w celu umożliwienia oceny obrazu strumieni powietrza w pomieszczeniu dla określenia położeń miejsc pomiarowych),
• jakie są zastosowane układy hydrauliczne przyłączenia chłodnic i nagrzewnic, strumień przepływu przez wymiennik oraz strata ciśnienia, jako dane posłużą do doboru odpowiedniego zaworu regulacyjnego.

Rys. 3. Schemat blokowy układu regulacji dla rozpatrywanego przypadku

Faza rozwiązywania problemu

Dopiero teraz można przystąpić do zaprojektowania urządzeń regulacyjnych. Problem umiejscowienia czujników pomiarowych w naszym przypadku jest rozwiązany, gdyż można uznać, że czujniki zostaną umieszczone w kanałach nawiewnych i wywiewnych instalacji. Pozostaje dobór właściwych urządzeń oraz optymalne rozwiązanie problemów pomiarowych i nastawczych dla podanych założeń.

Przed wyborem właściwych urządzeń układu automatyki objaśnijmy jednak znaczenie obecności niektórych elementów na przyjętym schemacie układu automatyki:

• Przy temperaturze zewnętrznej poniżej 0°C występuje często niebezpieczeństwo zamarznięcia nagrzewnicy powietrza, co łączy się z przykrymi następstwami: pękanie rur, nieszczelności, zniszczenie nagrzewnicy. Dzieje się tak na skutek niewłaściwego zwymiarowania nagrzewnicy powietrza, złego dobrania zaworu, wyłączenia się pompy z obiegu grzania lub innych powodów. Woda w rurach może zmniejszyć swą temperaturę poniżej 0°C i zamarznąć. Niebezpieczeństwo jest szczególnie duże przy dużej rozpiętości temperatury, np. 90/70°C i przy nagrzaniu powietrza do temperatury 10˚C lub mniejszej. Z tych względów w celu ochrony przed zamarzaniem zastosowano termostat przeciwzamrożeniowy wbudowany za nagrzewnicą powietrza w najbardziej zimnym miejscu. Przy spadku temperatury poniżej 5°C powinno nastąpić przerwanie pracy wentylatora, zamknięcie przepustnicy powietrza zewnętrznego oraz otwarcie zaworu grzania. Najkorzystniejszy jest czujnik temperatury z długą rurką kapilarną, który zamyka swój styk zaraz po spadku temperatury poniżej 5°C w dowolnym miejscu. Ponadto przewidziano przewód obejściowy na zaworze regulacyjnym nagrzewnicy powietrza z zaworem dla około 5% ilości wody, aby nie mógł zostać przerwany obieg środka grzejnego. W zimie przewód ten powinien być zawsze otwarty, ewentualnie posiadać zawór o sterowaniu termostatycznym. Należy pamiętać, że jeżeli w przypadku postoju pracy centrali zawór nagrzewnicy powietrza jest zamknięty, to przy rozruchu należy otworzyć z opóźnieniem przepustnicę powietrza zewnętrznego w stosunku do zaworu;
• Jeżeli usuwane powietrze zawiera więcej pary wodnej niż powietrze zewnętrzne, to na dostatecznie zimnych powierzchniach rekuperatora następuje kondensacja wilgoci z odprowadzonego powietrza. Zwiększa się wtedy efektywność odzysku ciepła, jednak przy bardzo niskiej temperaturze zewnętrz nej kondensat może zamarzać, co znacznie zwiększa opór powietrza i może powodować uszkodzenia. Zaradzić temu można przez podgrzanie wstępne powietrza zewnętrznego lub zastosować presostaty, które w momencie oblodzenia rekuperatora kierują strumień powietrza zewnętrznego na obejście wymiennika tzw. by-pass. Przy sprawności wymiennika równej około 50% tworzenie się szronu może nastąpić przy temperaturze zewnętrznej około -16°C. Innym skutecznym sposobem zabezpieczenia ciągłości pracy płytowego wymiennika ciepła jest czujnik temperatury umieszczony w kanale powietrza usuwanego z pomieszczenia tuż za wymiennikiem. Gdy temperatura powietrza za wymiennikiem spadnie poniżej 2°C w sposób ciągły następuje sterowanie przepustnicami by-passu;
• Przy wszystkich elektrycznych nagrzewnicach powietrza należy poświęcić szczególną uwagę sprawie bezpieczeństwa pożarowego. Temperatury powierzchni grzejnych osiągają 400÷600°C. Przy braku przepływu powietrza druty grzejne nagrzewają się do bardzo wysokiej temperatury i przy niekorzystnych warunkach mogą spowodować pożar. Jako środek bezpieczeństwa stosuje się termostaty przeciążeniowe, które wyłączają nagrzewnicę po osiągnięciu określonej dopuszczalnej temperatury oraz instalowanie przekaźnika wielometrycznego, który wyłącza stycznik nagrzewnicy przy zaniku przepływu powietrza (uszkodzenie wentylatora). Ważne jest także, aby po wyłączeniu pracy centrali wentylator nawiewny pracował przez pewien okres czasu, w celu odprowadzenia ciepła z nagrzewnicy;
• Poprawna praca wentylatorów oraz kontrola stopnia zabrudzenia filtrów jest możliwa dzięki obecności czujników różnicy ciśnień (presostatów). W przypadku zadziałania któregokolwiek z czujników, otrzymujemy sygnał oznaczający zakłócenie pracy filtra (zabrudzenie) lub awarii wentylatora (zerwanie paska klinowego). W przypadku reakcji presostatów wentylatorów następuje ponadto wyłączenie pracy centrali klimatyzacyjnej oraz zamknięcie przepustnic.

(...)

Dobór sterownika

(...)

Dobór pozostałych elementów regulacyjnych – układy o dwuetapowym uzdatnieniu powietrza

Przedstawiony powyżej tok postępowania dotyczący doboru centrali klimatyzacyjnej stanowi jedynie część realizacji zadania urządzenia automatycznej regulacji. Dobrany sterownik będzie dokonywał kontroli parametrów powietrza w pomieszczeniu. Dla innych układów przygotowania powietrza np. dla systemów o dwuetapowym uzdatnianiu powietrza, centrala wentylacyjnoklimatyzacyjna będzie dokonywała obróbki jedynie powietrza pierwotnego na wylocie z centrali. Konieczna natomiast w takim wypadku staje się potrzeba mikroklimatu w pomieszczeniu. Z reguły, z uwagi na koszty inwestycyjne, najczęściej wykorzystywane są elektryczne regulatory analogowe (termostaty pomieszczeniowe). Termostaty te dokonują kontroli parametrów powietrza w pomieszczeniu i sterują pracą indywidualnego urządzenia klimatyzacyjnego. Innym bardziej zaawansowanym typem urządzenia regulacyjnego sterującego pracą klimakonwektora jest uniwersalny programowalny sterownik strefowy. Sterowniki tego typu oferują bardzo duże możliwości kontroli i monitorowania pracy klimakonwektorów, wadą ich natomiast jest stosunkowo wysoka cena. Indywidualne urządzenie klimatyzacyjne może stanowić klimakonwektor wentylatorowy, aktywna belka chłodnicza, pompa ciepła systemu WLHP itp. Należy zwrócić uwagę, by niezależnie od przyjętego typu regulatora, urządzenia sterujące pracą centrali nie kolidowały z pracą indywidualnych regulatorów pomieszczeniowych. Często się bowiem zdarza, że z uwagi na niedopatrzenia w pomieszczeniach występuje naprzemienne grzanie i chłodzenie pomieszczeń. Dla przykładu, jeśli temperatura powietrza nawiewanego wynosi 16°C i powietrze to napływa na indywidualny regulator pomieszczeniowy na którym jest nastawiona wartość zadana równa 24°C, to wówczas urządzenie może przełączyć się na tryb grzania. Należy tego typu sytuacje przewidzieć i wyeliminować. Zadaniem projektanta jest zwrócenie uwagi projektantowi AKPiA o wszystkich możliwych sytuacjach na obiekcie.

LITERATURA:

[1] RECKNAGEL, SPRENGER, HONMANN, SCHRAMEK: Poradnik Ogrzewanie+Klimatyzacja. Gdańsk, 1994.
[2] JUNKER B.: Regulacja urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Warszawa, 1980.
[3] WURSTLIN D.: Regulacja urządzeń ogrzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Warszawa, 1978.
[4] ZAWADA B., KIDAWA Z.: Automatyczna regulacja systemów wentylacji i klimatyzacji. Materiały szkoleniowe firmy Honeywell.

Bartłomiej ADAMSKI
PZITS oddział Kraków

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 12/2013