Mniejsza część dotyczyć będzie regulacji pracy systemów powietrzno-wodnych (klimakonwektorów, wentylokonwektorów i belek grzewczo-chłodzących) w okresie zimowym.  Artykuł jest kontynuacją tematyki poruszonej w poprzednim wydaniu. Przedstawiono wówczas standardowe i alternatywne algorytmy sterowania systemami klimatyzacyjnymi z dwustopniowym uzdatnianiem powietrza, opartymi na układach powietrzno-wodnych (p-w). Zaprezentowano także możliwość modyfikacji algorytmu sterowania, pozwalającą na obniżenie zużycia energii.

Systemy dwu- i czterorurowe

Urządzenia p-w można podzielić ze względu na sposób do-prowadzenia czynnika grzewczego i chłodniczego na: jednostki w systemie dwururowym i czterorurowym (rys. 1., 2.).

W przypadku systemu dwururowego jednostka wewnętrzna wyposażona jest w jeden wymiennik ciepła przez który, w zależności od zapotrzebowania, płynie ciepła lub zimna woda. Takie rozwiązanie pozwala ograniczyć koszty inwestycyjne związane z zastosowaniem dodatkowego wymiennika ciepła w urządzeniu wewnętrznym. Niestety system dwururowy cechuje się niższą efektywnością w okresie przejściowym, kiedy występuje duża zmienność zapotrzebowania na energię cieplną i chłodniczą. Często problematyczne jest również określenie temperatury przełączenia jednostki z trybu grzewczego na chłodzący i odwrotnie. Jedną z możliwości jest analiza wykresu t-t_z (rys. 3.), jednakże dane z niego odczytane obarczone są licznymi błędami wynikającymi z uproszczeń przyjętych w trakcie kreślenia wykresu (min. założenie liniowych zależności pomiędzy zyska-mi ciepła i temperaturą oraz uzależnienia zmiennych od liniowo przebiegającej krzywej klimatycznej).

Alternatywnym rozwiązaniem, umożliwiającym dobrą adaptację systemu do zmiennego zapotrzebowania cieplnego jest system czterorurowy (rys. 2.). W tym przypadku jednostka indywidualna wyposażona jest w dwa wymienniki ciepła: nagrzew-nicę oraz chłodnicę. W systemie czterorurowym przez cały rok każde urządzenie indywidualne, zainstalowane w poszczególnych pomieszczeniach zasilane jest zarówno czynnikiem grzewczym jak i chłodniczym. Pozwala to na jednoczesne podgrzewanie powietrza w pomieszczeniach o ujemnych wartościach bilansu cieplnego i ochładzanie powietrza w pomieszczeniach z dodatnimi wartościami bilansów cieplnych. Zatem system czterorurowy pozwala na całoroczne indywidualne kształtowanie temperatury powietrza w poszczególnych pomieszczeniach, stosownie do odczuć cieplnych poszczególnych użytkowników. Ponadto w systemie tym możliwe jest pełne wykorzystanie zdolności asymilacyjnych powietrza pierwotnego. System czterorurowy pozwala na dynamiczne przejście z trybu grzewczego w chłodniczy i odwrotnie, jednakże jego zastosowanie wiąże się ze zwiększonymi nakładami inwestycyjnymi.

Rys. 1. Wentylokonwektor w systemie dwururowym: 1 − zawór odcinający; 2 − zawór nastawny lub nastawnopomiarowy; 3 − fi ltr siatkowy; 4 − zawór regulacyjny jednodrogowy; 5 − zawór przełączający trójdrogowy

Rys. 2. Wentylokonwektor w systemie czterorurowym: 1 − zawór odcinający; 2 − zawór nastawny lub nastawnopomiarowy; 3 − fi ltr siatkowy; 4 − zawór regulacyjny trójdrogowy

Praca układów p-w w okresie zimowym

W okresie zimowym zadaniem systemów powietrzno-wodnych jest pokrycie strat ciepła przez przegrody zewnętrzne oraz podgrzewanie powietrza pierwotnego do poziomu zadanej temperatury w pomieszczeniu (przemiany P−OK oraz ZN−N−OK na rys. 4.). W czasie użytkowania pomieszczenia część strat statychnych pokrywana jest przez zyski ciepła od źródeł wewnętrznych (ludzie, oświetlenie, sprzęt komputerowy) lub od promieniowania słonecznego przez przegrody przezroczyste. Wówczas ograniczana jest moc grzewcza urządzeń indywidualnych do wartości chwilowo wymaganej (przemiana ZN−N’−P rys. 4).

Rys. 3. Przykładowy wykres t-tz obrazujący całoroczną pracę systemu klimatyzacyjnego z wentylokonwektorami

Jeżeli w okresie zimowym zyski ciepła przekraczają straty sta-tyczne zadaniem powietrza obiegowego powinna być kompensacja bilansu cieplnego. Zatem w okresie zimowym może wystąpić hipotetyczna sytuacja, w której systemy powietrzno-wodne muszą pracować w funkcji ochładzania powietrza obiegowego (przemiana P na rysunku 4). Procesy uzdatniania powietrza pierwotnego i obiegowego oraz ich przemiany w pomieszczeniach klimatyzowanych przedstawione zostały na wykresach i-x (rys. 4, 5).

W okresie zimowym powietrze zewnętrzne podgrzewane i nawilżane jest w urządzeniu centralnym od stanu Z do ZN (z uwzględnieniem nagrzewania powietrza w wentylatorze i przewodach). Powietrze obiegowe, przy maksymalnych stratach ciepła, podgrzewane jest w wymienniku ciepła w jednostce indywidualnej od stanu O_P do O_K. Po zmieszaniu uzdatnionych strumieni powietrza pierwotnego i obiegowego uzyskiwany jest stan powietrza nawiewanego N. W przypadku wzrostu temperatury powietrza w pomieszczeniu powyżej wartości zadanej wyłączana jest nagrzewnica powietrza obiegowego, a nawiewany jest strumień o stanie N'. Przy hipotetycznym dalszym wzroście temperatury powietrza w pomieszczeniu następuje ochładzanie powietrza obiegowego (w urządzeniach systemu czterorurowego) do stanu O_K". Po zmieszaniu ochłodzonego powietrza obiegowego z powietrzem pierwotnym nawiewany jest strumień o parametrach N". Zatem parametry powietrza w okresie zimowym mogą zmieniać się od stanu N do N".

Rys. 4. Procesy uzdatniania powietrza zewnętrznego i obiegowego oraz jego przemiany w pomieszczeniu w okresie zimowym przy klimatyzacji indukcyjnej (nawilżanie w komorze zraszania)

Rys. 5. Procesy uzdatniania powietrza zewnętrznego i obiegowego oraz jego przemiany w pomieszczeniu w okresie zimowym przy klimatyzacji indukcyjnej (nawilżanie w nawilżaczu parowym)

Zawartość wilgoci powietrza pierwotnego po uzdatnianiu w urządzeniu centralnym powinna być określona dla pomieszczenia, w którym występują najmniejsze zyski wilgoci. Konieczne zatem jest sprawdzenie czy w pomieszczeniach, w których zyski wilgoci są największe nie nastąpi przekroczenie dopuszczalnego poziomu wilgotności względnej. Jeżeli określona zawartość wilgoci powietrza wewnętrznego jest większa niż maksymalna dopuszczalna x_Pmax, należy zmniejszyć zawartość wilgoci powietrza nawiewanego x_ZN.

Z powodu występowania zysków ciepła w klimatyzowanych pomieszczeniach często zalecane jest doprowadzanie do urządzeń indywidualnych powietrza o niższych wartościach entalpii i temperatury (w stosunku do parametrów powietrza wewnętrznego). To pozwala na asymilację zysków ciepła, które mogą powstać przy zmianie obciążenia cieplnego w pomieszczeniach, bez doprowadzania zimnej wody do wymiennika ciepła. Dla zapewnienia warunków komfortowych (w odniesieniu do rozdziału powietrza w pomieszczeniu) różnica temperatury powietrza wewnętrznego i nawiewanego (mieszaniny powietrza pierwotnego i nie podgrzanego wtórnego) nie powinna przekraczać wartości 3,0-4,0°C, gdzie t_N=t_P − (3-4°C)

Sterowanie pracą systemów w okresie zimowym (…)

OZNACZENIA:

F − filtr, W_O − wymiennik obrotowy; W_G − wymiennik glikolowy; C_H − chłodnica; N − nagrzewnica; W_N − wentylator nawiewny; N_P − nawilżacz parowy; T_A − tłumik akustyczny; W_W − wentylator wywiewny; P₁,P₂ − przepustnice; C_tz − czujnik temperatury zewnętrznej; S − siłowniki; C_tg − czujnik temperatury powrotu wody grzewczej; C_tn − czujnik temperatury nawiewu; C_tp − czujnik temperatury w pomieszczeniu; C_φp − czujnik wilgotności w pomieszczeniu; R_t − regulator temperatury powietrza pierwotnego; R − regulator pomocniczy; R_φp − regulator wilgotności pomieszczenia; R_tp − regulator temperatury w pomieszczeniu; D − przekaźnik; Z − parametry powietrza zewnętrznego; Z’ − parametry powietrza pierwotnego po przejściu przez W_O lub W_G; O_z − parametry powietrza pierwotnego po przejściu przez N; Z_N − parametry powietrza pierwotnego przed mieszaniem w skrzynce tłocznej; O − parametry powietrza obiegowego; O − parametry powietrza obiegowego po przejściu przez wymiennik ciepła w fan coilu; N − parametry powietrza nawiewanego; W − para-metry powietrza wywiewanego; G_ZN − strumień powietrza pierwotnego; G_N − strumień powietrza nawiewanego; P − parametry powietrza w pomieszczeniu; U − parametry powietrza wywiewanego po przejściu przez wymiennik do odzysku ciepła

Podsumowanie

Sterowanie pracą układów powietrzno-wodnych powinno uwzględniać:

• · możliwość adaptacji pracy systemu do zmiennych obciążeń cieplnych klimatyzowanych pomieszczeń:–  lepsze dopasowanie umożliwiają jednostki indywidualne w systemie czterorurowym z regulacją bezpośrednią, jednak są droższe inwestycyjnie;

• · zabezpieczenie przed zamarzaniem urządzeń w centralach wentylacyjnych doprowadzających powietrze pierwotne do klimatyzowanych pomieszczeń:–  ochrona dotyczyć powinna zarówno nagrzewnic jak i wymienników do odzysku ciepła;

• · konieczność przełączania trybu pracy urządzeń z letniego na zimowy (w przypadku systemów dwururowych oraz systemów z nawiewnikami o zmiennym schemacie wypływu powietrza);

• · poprawny odczyt parametrów termodynamicznych w strefie przebywania ludzi: –  niezbędna jest poprawna lokalizacja czujników tempera-tury i wilgotności względnej w zależności od charakteru pomieszczenia.