Stosowanie systemów wentylacji ze zmiennym strumieniem powietrza wentylacyjnego (VAV) wynika z konieczności i potrzeby ograniczenia zużycia energii przy zachowaniu optymalnych oraz komfortowych parametrów powietrza wewnętrznego, określanych indywidualnie dla konkretnego pomieszczenia.

W porównaniu z systemem o stałym strumieniu powietrza (CAV), zamiast regulacji jakościowej (zmiana temperatury nawiewu), stosowany jest proces regulacji ilościowej. Aby zrealizować system VAV konieczne jest zastosowanie przeznaczonych w tym celu urządzeń, takich jak regulatory przepływu VAV i odpowiednie wentylatory, a także właściwe zaprojektowanie instalacji wentylacyjnej oraz dobranie nawiewników i wywiewników.

Porównanie systemów CAV i VAV

W systemach wentylacji i klimatyzacji o stałym strumieniu powietrza wentylacyjnego, zwanych CAV (Constant Air Volume), wielkość tego strumienia określona jest w oparciu o maksymalne zyski ciepła wydzielane w danym pomieszczeniu i dostające się do niego z zewnątrz. Przy zmieniających się zyskach ciepła, utrzymanie stałego strumienia powietrza jest możliwe dzięki zmianie temperatury powietrza nawiewanego, uzyskanej w wyniku sterowania wydajnością chłodnicy i nagrzewnicy w centrali klimatyzacyjnej oraz urządzeniami strefowymi, uzdatniającymi powietrze (strefowe: nagrzewnice i chłodnice lub centrale [10]). Strefowanie instalacji stosuje się właśnie w przypadku nierównomiernego w czasie występowania zysków ciepła w pomieszczeniach lub gdy występują różne wymagania dotyczące wartości temperatury powietrza nawiewanego w pomieszczeniach lub strefach. Możliwe jest także wyposażenie systemów w niezależne, strefowe nawilżacze parowe [16]. W celu zaoszczędzenia energii stosowany jest odzysk ciepła lub recyrkulacja powietrza, zgodnie z wymaganiami prawnymi zamieszczonymi w odpowiedniej nowelizacji Rozporządzenia o warunkach technicznych, jakich powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [20]. 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 (14÷16°C) i stałej temperaturze w ciągu okresu grzewczego (26÷28°C). 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). Latem – w okresie chłodniczym, gdy niezbędny jest zazwyczaj większy strumień powietrza (większe zyski ciepła), regulator VAV ustawia większy stopień otwarcia przepustnicy. W momencie wyrównania temperatury pomieszczeniowej z nastawą, regulator VAV zmiejsza 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 przepływajacego przez VAV, wzrost temperatury w pomieszczeniu i moment zrównania się jej z nastawą temperatury powoduje, że przepustnica w VAV jest przymykana. 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 własciwego, 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].

Koszty związane ze zużyciem energii na przygotowanie powietrza wentylacyjnego zgodnie z potrzebami w danym pomieszczeniu lub strefie oraz transport poprzez instalację nawiewną i wywiewną, stanowią główną część kosztów użytkowania instalacji. W przypadku wentylatorów zapotrzebowanie na energię do ich napędu jest wprost proporcjonalne do ich wydajności i wytwarzanej różnicy ciśnienia, a odwrotnie – do sprawności.

System VAV, ze względu na swoją specyfikę (zmienna ilość powietrza), umożliwia znaczne oszczędności w poborze mocy przez wentylator oraz w wydajności chłodniczej i grzewczej – szczególnie podczas pracy systemu przy niepełnym obciążeniu. Dodatkowym walorem jest możliwość indywidualnej regulacji temperatury w wielu strefach o różnych wymaganiach, przy zastosowaniu jednej centrali klimatyzacyjnej. Realizowane jest to przez montaż, w każdej z kontrolowanych stref, regulatorów VAV (zwanych także często terminalami) oraz regulatora temperatury.

Regulatory przepływu powietrza służą do automatycznej regulacji strumienia przepływającego przez przewody wentylacyjne zarówno w części nawiewnej jak i wywiewnej instalacji. W konsekwencji do poszczególnych pomieszczeń (lub grup pomieszczeń) dopływa taki strumień powietrza, jaki jest w danym momencie potrzebny. Stosując jednak zasadę nadążania ilości powietrza za zmiennymi w czasie obciążeniami cieplnymi pomieszczenia, można wyobrazić sobie sytuację, że przy chwilowym lub nawet długotrwałym braku zysków ciepła, zostałby zamknięty całkowicie dopływ powietrza wentylacyjnego. W rzeczywistości taka sytuacja nie powinna się zdarzyć, ponieważ graniczna minimalizacja strumienia powietrza jest ograniczona wymaganiami prawnymi. W trakcie regulacji należy bowiem zapewnić wymaganą minimalną (higieniczną) wielkość strumienia powietrza zewnętrznego doprowadzanego do pomieszczeń przeznaczonych do przebywania ludzi. Minimalny strumień jest konieczny do usunięcia lub rozrzedzenia zanieczyszczeń, takich jak:

• wydychany przez użytkowników dwutlenek węgla [11],
• zanieczyszczenia emitowane przez budynek i jego wyposażenie [13]
• przy dozwolonym paleniu wyrobów tytoniowych, dym papierosowy.

Z drugiej strony zapewnienie minimalnego strumienia powietrza wentylacyjnego jest związane z charakterystyką pracy nawiewników. Przy niewielkim strumieniu powietrza nawiewanego nie powinna pojawić się zbyt wysoka wartość różnicy temperatury pomiędzy temperaturą w pomieszczeniu, a temperaturą powietrza nawiewanego i w rezultacie szybkie opadanie strumienia powietrza do strefy przebywania ludzi.

Za pomocą systemów VAV można (z wystarczającą dokładnością) zapewnić w pomieszczeniu utrzymanie wymaganej temperatury powietrza. Jednak, ze względu na sterowanie ilością powietrza wentylacyjnego w funkcji temperatury wewnętrznej w danym pomieszczeniu, problemem staje się utrzymanie wilgotności powietrza na stałym poziomie. Zatem systemy VAV powinny być stosowane w pomieszczeniach, w których nie jest znaczącym problemem niedotrzymanie wartości wilgotności względnej (np. biura, sale obsługi klientów w dużych bankach i dużych urzędach) [7].

W tabeli 1. porównano cechy systemu VAV i CAV ze strefowaniem. Wybór wynika z ich istotnego podobieństwa – zapewnienie indywidualnie w poszczególnych pomieszczeniach (lub w grupie pomieszczeń) warunków komfortu cieplno-wilgotnościowego wynikającego z potrzeb użytkowników lub innych wymagań.

Stosowanie systemów VAV jest najbardziej celowe w budynkach, w których występują: zmienne profile zysków ciepła

• w poszczególnych strefach,
• konieczność stosowania indywidualnej regulacji temperatury w wielu niezależnych strefach.

Zakres zastosowań urządzeń VAV jest bardzo szeroki: od mniejszych budynków do rozległych i skomplikowanych. Obecnie są one stosowane m.in. w pomieszczeniach biurowych, budynkach użyteczności publicznej (szkołach, kinach, teatrach, placówkach służby zdrowia) [16].

Do podstawowych elementów instalacji wentylacyjnej ze zmienną ilością powietrza należą [7]:

• centrala klimatyzacyjna z wentylatorami przystosowanymi do pracy w warunkach zmiennej ilości powietrza,
• przewody wentylacyjne nawiewne i wywiewne,
• regulatory (terminale) VAV ze sterownikami i termostatami, dla każdej niezależnie kontrolowanej strefy,
• nawiewniki przeznaczone do systemów VAV,
• wywiewniki.

Właściwości układów VAV

(...)

Podział systemów ze zmienną ilością powietrza

(...)

System jednoprzewodowy VAV

(...)

System dwuprzewodowy VAV

(...)

Regulacja zmiennego przepływu powietrza

(...)

Obiegi regulacyjne w pomieszczeniu lub w strefie

(...)

Regulatory zmiennego przepływu

(...)

Budowa regulatora VAV

(...)

Zasady projektowania przy doborze regulatora VAV

(...)

Nawiewniki powietrza w instalacjach VAV

(...)

Wentylacja zależna od potrzeb

Innym typem instalacji o zmiennym, regulowanym przepływie powietrza są systemy znane jako „wentylacja zależna od potrzeb” (inaczej: system kontrolowanej wentylacji DCV – z ang. Demand Controlled Ventilation) sterowane stężeniem dwutlenku węgla w powietrzu wewnętrznym z wykorzystaniem czujników CO₂.

Zgodnie z definicją zamieszczoną w PN- EN 13779:2008P [12], wentylacja sterowana według potrzeb to instalacja wentylacji, w której strumień objętości powietrza w pomieszczeniu reguluje się na podstawie jakości powietrza, wilgotności, sposobu użytkowania lub innego wskaźnika, określającego potrzebę wentylacji. Można zastosować następujące czujniki [12]:

• ruchu,
• zliczające,
• stężenia dwutlenku węgla,
• mieszaniny gazów (stosowane także w pomieszczeniach z dozwolonym paleniem tytoniu),
• na podczerwień,
• stężenia tlenku węgla (jako najważniejszego zanieczyszczenia powietrza w garażach).

Jakość powietrza wewnętrznego można sklasyfikować w oparciu o stężenie dwutlenku węgla, będącego dobrym wskaźnikiem emisji produktów wydzielania biologicznego człowieka. Ten sposób klasyfikacji jest powszechnie uznawany i stosowany w odniesieniu do pomieszczeń przeznaczonych do przebywania ludzi, w których jest zakaz palenia wyrobów tytoniowych, a zanieczyszczenie powietrza jest skutkiem przemian metabolicznych ludzi [12].

Drugim dokumentem, poza PN-EN 13779 [12], w którym znajdują się odniesienia do tego typu systemu wentylacji, jest projekt zmian w Rozporządzeniu o warunkach technicznych [14]. Dodany bowiem został ustęp, precyzujący wymagania dotyczące efektywności energetycznej dla instalacji wentylacji hybrydowej, mechanicznej wywiewnej oraz nawiewno-wywiewnej, zgodnie z którym instalacje te powinny być wyposażone w wentylatory o regulowanej wydajności (profil użytkownika, ruch, CO₂).

Rozwiązanie to dobrze sprawdza się w obiektach o zmiennej frekwencji użytkowników, takich jak placówki edukacyjne (sale szkolne i wykładowe), biurowce (biura i sale konferencyjne), galerie handlowe, restauracje, kina, teatry, obiekty sportowe, sale widowiskowe, miejsca kultu religijnego, szpitale itd.

Czujniki służące do sterowania ilością świeżego (zewnętrznego) powietrza, dostarczanego do pomieszczeń zapewniają dobrą jakość powietrza wewnętrznego oraz ograniczenie doprowadzanego strumienia powietrza wentylacyjnego podczas okresów niskiego wykorzystania pomieszczeń [4]. Montuje się je w przewodzie powietrza powrotnego lub świeżego, daleko od zewnętrznych źródeł ciepła. W pomieszczeniach, w których głównie ludzie są źródłem CO₂, przyjmuje się, że nie należy przekraczać przyrostu stężenia CO₂ w powietrzu wewnętrznym powyżej poziomu CO₂ w powietrzu zewnętrznym o więcej niż 1200 ppm (dla czwartej, najniższej kategorii pomieszczeń zgodnie z ich czterostopniową klasyfikacją zamieszczoną w [12], a dla pierwszej różnica stężenia wynosi 350 ppm). Cytowane w [21] analizy wskazują, że stosując system kontrolowanej wentylacji oparty o czujniki CO₂, można zaoszczędzić 20÷30% kosztów energii w pomieszczeniach biurowych, 30÷60% w barach lub restauracjach oraz 10÷50% w szkołach lub salach konferencyjnych, w porównaniu do takich samych pomieszczeń z systemem klimatyzacji bez kontroli stężenia dwutlenku węgla.

LITERATURA:
[1] ADAMSKI B.: Nowoczesne źródła chłodu w systemach VAV. Rynek Instalacyjny. 10/2009.
[2] AIRFLOWCONTROL. Poradnik projektowania. Elementy systemów regulacji rozdziału powietrza. Trox.
[3] CIĄGAŁA T.: Współpraca nawiewników z instalacjami ze zmienną ilością powietrza. www.wentylacja.com.pl 2005.
[4] Czujnik / regulator stężenia CO₂ i temperatury. Karta katalogowa. Honeywell.
[5] HENDIGER J.: Instalacje ze zmienną ilością powietrza VAV. Polski Instalator. 2005.
[6] http://daklima.pl/systemy-wielostrefowe.html
[7] IWANIUK A.: Systemy ze zmienną ilością powietrza VariITrane®. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 2003.
[8] Nawiewniki szczelinowe Typ VSD35-Varyset do systemów ze zmienną ilością powietrza (VAV). Karta katalogowa. Trox.
[9] Nawiewniki wirowe Typ RFD zalecane do stosowania w pomieszczeniach o wysokości 2.60...4.00 m. Karta katalogowa. Trox.
[10] PEŁECH A.: Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław, 2011.
[11] PN-83/B-03430+Az3:2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
[12] PN-EN 13779:2008P Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.
[13] PN-EN 15251: 2012P Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego dotyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, środowisko cieplne, oświetlenie i akustykę.
[14] Projekt Rozporządzenia MTBiGM z dn. 12.03.2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie
[15] Quick Selection. Uproszczony dobór urządzeń. Wydanie 2 rozszerzone. Trox.
[16] RECKNAGEL H., SPRENGER E., HONMANN W., SCHRAMEK E.R.: Kompedium wiedzy: Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo. Wrocław. Omni Scala. 2008.
[17] Regulatory przepływu VAV. Karta katalogowa. Smay.
[18] Regulatory przepływu. Karta katalogowa. Frapol. www.frapol.com.pl
[19] Regulatory wydajności do systemów VAV. Katalog techniczny. 2009. Flakt Bowent.
[20] Rozporządzenie MI zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, DzU 201/2008, poz.1238.
[21] Sterowanie wentylacją w zależności od potrzeb sukcesem finansowym (czujniki CO2). B&L International Sp. z o.o. oraz AP Automatyka S.C. www. klimatyzacja.pl
[22] SUDOŁ W., HENDIGER J.: Systemy VAV. Poradnik. Biblioteka Projektanta Wentylacji. Smay. Kraków, 2009.

dr inż. Anna CHARKOWSKA
Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa, Politechnika Warszawska

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 09/2013