Systemy wentylacji VAV
Ocena użytkowników: / 18
SłabyŚwietny 
Data dodania: 24.03.2015

Większość istniejących systemów wentylacyjnych funkcjonujących w obiektach biurowych i użyteczności publicznej można ocenić jako wystarczające pod względem skuteczności działania – jednakże ich efektywność energetyczna wciąż wymaga poprawy. Jedną z możliwości jest skuteczna praca systemu przy częściowym obciążeniu.

Koszty ponoszone na ciągłą pracę systemu z maksymalną wydajnością są zbędnym obciążeniem fi nansowym, sięgającym często do 30% energii zużywanej całościowo przez budynek [1]. Ma to oczywiście bezpośredni wpływ na wyższe koszty eksploatacyjne i niższy zysk z wynajętych powierzchni w budynku. Praca ze zmiennym strumieniem powietrza wentylującego zmienia charakterystykę pracy zastosowanych urządzeń, co pozwala na uzyskanie korzystniejszych parametrów technicznych wpływających na obniżenie zużycia energii elektrycznej i cieplnej. Przykładowo wymienniki do odzysku ciepła pracują bardziej efektywnie przy niższych strumieniach powietrza, mniej energii zużywają też wentylatory. Najważniejszym jednak zyskiem jest redukcja energii potrzebnej do podgrzania bądź ochłodzenia strumienia nawiewanego. Agregaty chłodnicze pracujące na potrzeby central z systemami wentylacji w funkcji realnego zapotrzebowania, mogą zwiększać swoją efektywność pracy poprzez podwyższenie temperatury wody lodowej przy częściowych zapotrzebowaniach. Dla budynków niemieszkalnych, blisko połowa energii konsumowana przez budynek to energia potrzebna do napędu systemu wentylacyjnego i klimatyzacyjnego. W tym kontekście inwestycja w energooszczędne systemy nabiera szczególnego znaczenia. W rachunku ekonomicznym, zwiększone koszty inwestycji mogą zostać zaakceptowane tylko wówczas, kiedy budowę potraktujemy jako proces, który nie kończy się w momencie oddawania budynku do użytkowania, ale przynajmniej po upływie zakładanego czasu eksploatacji. Szacuje się, że w całym cyklu życia budynku, sama inwestycja pochłania jedynie około 20% kosztów związanych z budową i eksploatacją budynku [1]. W związku z tym, systemy klimatyzacji pomieszczeń ze zmienną ilością powietrza nawiewanego i wywiewanego (VAV) znajdują coraz większe zastosowanie.

 

Duża liczba budynków użyteczności publicznej charakteryzuje się występowaniem maksymalnej dziennej frekwencji na poziomie poniżej 80%, a całkowite dzienne zapotrzebowanie na świeże powietrze to najwyżej 60% ilości powietrza zakładanej przy doborze urządzeń [1]. Stałe okresy obniżenia intensywności wentylacji (np. po godzinach pracy, weekendy, święta), stanowią często jedyną formę dostosowywania systemu do zmiennych warunków. Ręczna kontrola wydajności wentylacji, kończy się zazwyczaj przeregulowaniem lub niedoregulowaniem systemu, co ma negatywny wpływ na zwiększenie kosztów eksploatacyjnych lub na brak komfortu w pomieszczeniach. W skrajnych przypadkach, przy zbyt dużym ograniczeniu wentylacji w wyniku złego sterowania, może zaistnieć poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi, znane pod pojęciem syndromu chorego budynku.

 

 

Systemy VAV

 

 

Swoją popularność systemy VAV zawdzięczają m. in. rozwojowi i rozpowszechnieniu inwerterowej techniki regulacji obrotów silników elektrycznych, co pozwala utrzymać wysoką sprawność energetyczną wentylatorów przy znacznych zmianach punktu ich pracy [1-4]. W systemach wentylacji i klimatyzacji o stałym strumieniu powietrza wentylacyjnego, zwanych CAV (Constant Air Volume), wielkość strumienia powietrza określona jest w oparciu o maksymalne zyski ciepła występujące w klimatyzowanym pomieszczeniu. Przy zmiennym w czasie obciążeniu cieplnym utrzymanie stałego strumienia powietrza wymusza zmianę temperatury powietrza nawiewanego, co realizowane jest poprzez zmianę wydajności chłodnicy i nagrzewnicy w centrali klimatyzacyjnej oraz za pomocą urządzeń strefowych, uzdatniających dodatkowo powietrze (np. klimakonwektory lub wentylokownektory). Wentylatory w systemach CAV pracują ze stałą prędkością obrotową. Podczas pracy systemów VAV (Variable Air Volume) do pomieszczenia dopływa zmienny, zależy od aktualnych potrzeb, strumień objętości powietrza o stałej temperaturze w ciągu okresu chłodniczego. Głównym uzasadnieniem do stosowania systemów VAV jest zmienność w czasie obciążenia pomieszczenia (zyski ciepła lub stężenie dwutlenku węgla) oraz zróżnicowanie tych wielkości pomiędzy pomieszczeniami. Zmiana wielkości strumienia powietrza uzyskana jest poprzez zmianę kąta przestawienia przepustnicy, w oparciu o sygnał otrzymany z pomieszczenia (np. wartość temperatury powietrza). Z powodu zmiennej charakterystyki pracy instalacji (zmiana strumienia i zmiana oporów przepływu powietrza przez instalację), stosowane są wentylatory o zmiennym wydatku (regulacja przez falownik), sterowane w funkcji ciśnienia w sieci (ważne jest utrzymanie właściwego, podawanego przez danego producenta, minimalnego ciśnienia dla każdego VAV). Taka praca instalacji ma oczywiście wpływ na działanie pozostałych elementów systemu klimatyzacji (np. na agregaty chłodnicze) [1]. Tradycyjna regulacja dławieniowa skutkuje w odejściu od obliczeniowego punktu pracy, czego efektem jest spadek sprawności wentylatora i, w konsekwencji, zwiększony pobór mocy. Nie oznacza to jednak, że instalacje VAV z dławieniową regulacją przepływu w każdym wypadku są nieopłacalne. Wprawdzie pobór mocy nie zmniejsza się, a nawet może wzrastać, ale dzięki redukcji strumienia powietrza nawiewanego spada zapotrzebowanie na moc potrzebną do ogrzania lub chłodzenia powietrza nawiewanego.

 

Istnieją dwa podstawowe systemy VAV (rys. 1.). System pracujący w funkcji temperatury w pomieszczeniu oraz system pracujący w funkcji ilości osób w pomieszczeniu (stężenia CO2). Pierwszy z nich (rys. 1a) dostarcza powietrze o stałej temperaturze (w okresie ciepłym zazwyczaj 14÷16°C, w okresie zimowym 26÷28°C [2-4]). W poszczególnych odgałęzieniach zainstalowane są regulatory, utrzymujące przepływ na wymaganym poziomie. Podobne urządzenia regulacyjne zainstalowane są w części wywiewnej, aczkolwiek w bardzo małych układach dopuszcza się ich pominięcie. O wartości strumienia objętości powietrza, decyduje sygnał z regulatora temperatury znajdującego się w pomieszczeniu. Latem, gdy wymagany jest zazwyczaj większy strumień powietrza (większe zyski ciepła), regulator VAV ustawia większy stopień otwarcia przepustnicy. W momencie wyrównania temperatury pomieszczeniowej z nastawą, regulator VAV zmniejsza strumień powietrza, dążąc do uzyskania jego minimalnej ilości. Zimą – w okresie grzewczym, zmieniona zostaje charakterystyka regulatora VAV, tj. spadek temperatury w pomieszczeniu powoduje zwiększenie strumienia powietrza przepływającego przez VAV. Wzrost temperatury w pomieszczeniu i moment zrównania się jej z nastawą temperatury powoduje, że przepustnica w VAV jest przymykana. Maksymalny sumaryczny strumień objętości powietrza nawiewanego i wywiewanego w systemie VAV będzie zawsze mniejszy od sumy maksymalnych strumieni powietrza w poszczególnych pomieszczeniach lub strefach, wynikających z maksymalnych obciążeń cieplnych. Istotnym ograniczeniem jest dopuszczalna ilość powietrza ze względów higienicznych – strumień nie może spaść poniżej pewnej minimalnej wartości.

 

Zasadniczą wadą zaprezentowanego wyżej systemu są rozmiary kanałów, które muszą uwzględniać przepływ powietrza kompensujący maksymalne zyski ciepła w pomieszczeniach występujące w sytuacji maksymalnego obciążenia cieplnego. Kanały zajmują dużą przestrzeń, która jest niezwykle droga w nowoczesnym budownictwie i zazwyczaj nie ma jej zbyt dużo. Dlatego w pomieszczeniach o dużym zróżnicowaniu zysków ciepła największą popularnością cieszą się urządzenia strefowe, które przejmują powstałe zyski ciepła, podczas gdy powietrze uzdatnione w centralach dostarcza jedynie minimalny strumień niezbędny ze względów higienicznych [2-4]. Czy to oznacza, że w takich rozwiązanych systemy VAV nie znajdują zastosowania? Wręcz przeciwnie. Obiekty biurowe, handlowe i szkolne bardzo często charakteryzują się dużą zmiennością ilości osób w poszczególnych pomieszczeniach. Przykładowo, w sezonie urlopowym w biurach jest znacznie mniej osób, niż podczas narad czy wizytacji. Jeszcze większa rozbieżność występuje w galeriach handlowych w zwykłym tygodniu roboczym i np. okresie przedświątecznym. W takich przypadkach bardzo skutecznym systemem jest układ sterowany w funkcji stężenia CO2 (rys. 1b). Takie rozwiązanie pozwala na dopasowanie ilości powietrza w zależności od ilości przebywających w pomieszczeniu osób, ogranicza zużycie energii związanej z obróbką powietrza pierwotnego i nie koliduje z systemami strefowymi kompensującymi zyski ciepła.

 

 

2015 03 58 1

Rys. 1. Systemy VAV: a) sterowane w funkcji temperatury w pomieszczeniach; b) sterowane w funkcji stężenia CO2

 

 

Regulatory zmiennego przepływu

 

 

Podstawowym elementem systemów VAV są regulatory zmiennego przepływu (rys. 2). Konstrukcja takiego urządzenia zawiera w sobie element do pomiaru przepływu, moduł elektroniczny, często zintegrowany z przetwornikiem różnicy ciśnienia i siłownikiem przepustnicy oraz samą przepustnicę. Wartość zadana przepływu dociera do regulatora z układów monitorujących temperaturę (lub stężenie CO2) w pomieszczeniu. Charakterystyczne nastawy regulatora, to wartości strumienia maksymalnego i minimalnego, które powinny zostać określone na etapie projektu. W samym regulatorze przepływu, można te wielkości ustawić. W zależności od konstrukcji, zmiany nastaw dokonuje się ręcznie, pokrętłami na module regulatora lub za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Nie jest wymagane stosowanie identycznych urządzeń w sieci nawiewnej i wywiewnej, podobnie jak liczba regulatorów nie musi być taka sama [2-4]. Wszystko zależy od konfi guracji sieci, koncepcji rozdziału powietrza, ilości miejsca itp. Ciekawym przykładem jest zastosowanie wspólnego regulatora na wywiewie, obsługującego kilka pomieszczeń. W takim rozwiązaniu pomiar przepływu będącego nastawą dla regulatora, odbywa się na zbiorczym przewodzie powietrza nawiewnego.

 

 

2015 03 59 1

2015 03 59 2

Rys. 2. Regulatory VAV: a) okrągły; b) prostokątny

 

 

(...)

 

Kanały w sieci VAV [2]

 

 

Istotny wpływ na pracę systemu ma położenie przewodów. Zmieniające się prędkości przepływu w zależności od prowadzenia kanałów powodują powstawanie różnych spadków ciśnienia. Aby zapewnić poprawną pracę instalacji należy odpowiednio zrównoważyć ciśnienie statyczne. Najlepszą konfigurację zapewnia układ pierścieniowy, gdzie od głównego przewodu odchodzą pojedyncze odgałęzienia z regulatorem przepływu (rys. 6a). Często z uwagi na różny kształt budynku nie jest możliwe zastosowanie klasycznego układu pierścieniowego, dlatego proponuje się układ mieszany, gdzie tylko przewód magistralny tworzy pierścień, a pozostałe przewody prowadzone są w formie sieci rozgałęźnej (rys. 6b). Dodatkową zaletą poprawnego prowadzenia przewodów jest zapewnienie dobrych parametrów akustycznych instalacji. Dobrym rozwiązaniem, poprawiającym skuteczność stabilizacji ciśnienia jest dwustronne zasilenie pierścienia magistralnego (rys. 6c). Można także zastosować dodatkowy przewód zasilający, który poprawia dystrybucję ciśnienia oraz umożliwia zmniejszenie przekroju kanałów (rys. 6d). W przypadku gdy nie ma możliwości wykonania pełnego pierścienia magistralnego możliwe jest zastosowanie cienkiej spinki, w celu maksymalnego wyrównania ciśnienia statycznego. Na dokładność regulacji przepływu decyduje odpowiednia lokalizacja regulatorów w sieci. Najlepiej kiedy regulator pracuje przy jak najmniej zakłóconym przepływie, jak najdalej kolan, trójników i innych elementów zaburzających prędkość. Zmniejsza to ryzyko mało dokładnego pomiaru. Zalecane jest, aby długość odcinka prostego przed regulatorem wynosiła min. 3÷5 D przy trójnikach i min. 2D przy łukach przewodów.

 

 

2015 03 61 1

Rys. 6. Kanały w systemach VAV [2]: a) klasyczny pierścień magistralny; b) pierścień magistralny z odgałęzieniami na strefy; c) dwustronne zasilenia magistrali; d) zastosowanie dodatkowego kanału zasilającego; e) zastosowanie spinki do wyrównania ciśnienia w magistrali

 

 

(...)

 

 

Przykład nowoczesnych rozwiązań systemów VAV [1]

 

 

(...)

 

 

Podsumowanie

 

 

Systemy VAV są ciekawym i użytecznym rozwiązaniem mającym duży potencjał stosowania w systemach klimatyzacji i wentylacji. Co prawda jest mało prawdopodobne, że systemy VAV staną się popularne do realizowania pełnej klimatyzacji (przejmowanie 100% zysków ciepła w pomieszczeniu), ze względu na dużą przestrzeń zajmowaną przez kanały, a także z powodu większej podatności na błędy projektowe i wykonawcze. W tej sytuacji system jest mniej konkurencyjny wobec bardziej elastycznych i często tańszych rozwiązań strefowych. Jednakże system VAV w instalacji powierza higienicznego może przyczynić się do znaczącego obniżenia kosztów eksploatacyjnych w okresie całorocznym. Coraz większe wymogi ustawodawcze dotyczące obniżenia zapotrzebowania na energię systemów grzewczych i chłodniczych z pewnością przyczynią się do popularyzacji tego typu rozwiązań. 

 

Osobnym tematem jest zastosowanie układów VAV w wentylacji przemysłowej i precyzyjnej. W takich systemach regulatory przyczyniają się do bardzo istotnej poprawy jakości pracy systemów. Temat ten będzie podejmowany w innych artykułach.

 

 

prof. dr hab. inż. Sergey ANISIMOV
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Wydział Inżynierii Środowiska,
Politechnika Wrocławska

 

 

mgr inż. Demis PANDELIDIS
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Wydział Inżynierii Środowiska,
Politechnika Wrocławska

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.