Sterowanie systemami ogrzewania i wentylacji a oszczędność energii

Największymi źródłami zapotrzebowania na energię w budynkach są systemy ogrzewania, wentylacji oraz klimatyzacji (HVAC – Heating, Ventilation and Air Conditioning), dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na możliwości, jakie daje sposób sterowania instalacjami w budynku, oraz dane, które powinniśmy dostarczyć do sterowników.

Systemy VAV

Istnieje kilka odmian instalacji HVAC, które łączy wspólna zasada działania. Jest to wymuszona wymiana powietrza wewnętrznego za pomocą wentylatorów nawiewno-wywiewnych przy jednoczesnym ogrzaniu bądź schłodzeniu powietrza nawiewanego (odzysk ciepła lub chłodu i/lub dodatkowe źródła). W artykule skupiono się na systemie ze zmienną ilością powietrza nawiewanego i wywiewanego, tj. VAV (Variable Air Volume).

Instalacja VAV to odmiana systemu HVAC o stałej temperaturze nagrzewania powietrza nawiewanego. Temperaturą w pomieszczeniach steruje się za pomocą objętości nawiewanego strumienia powietrza.

Najprostszy system VAV zawiera jeden kanał doprowadzający, który w trybie chłodzenia nawiewa powietrze o stałej temperaturze 13°C. Ponieważ temperatura powietrza nawiewanego w tym najprostszym systemie VAV jest stała, prędkość przepływu powietrza musi się zmieniać, żeby pokryć rosnące i spadające zyski i straty ciepła w strefie obsługiwanej przez wentylator.

System VAV ma dwie zalety w stosunku do systemów stałoobjętościowych:

• regulacja wydajności wentylatorów, zwłaszcza wyposażonych w nowoczesne układy energoelektroniczne sterowania prędkością, zmniejsza ilość zużywanej przez nie energii, która może być znaczną częścią całkowitego zapotrzebowania na energię do ogrzewania/chłodzenia budynku,

• systemy VAV zapewniają mniejsze osuszanie powietrza nawiewanego niż systemy stałoobjętościowe (CAV). Dzieje się tak, ponieważ systemy o stałej objętości powietrza, modulując temperaturę powietrza wylotowego w celu osiągnięcia wydajności chłodzenia przy częściowym obciążeniu, zmieniają ciągle punkt rosy wdmuchiwanego powietrza.

Terminal VAV, często nazywany skrzynką VAV, służy do kontroli przepływu na poziomie jednej strefy chłodzenia/grzania. Jest urządzeniem sterującym przepływem w strefie, kalibrowanym przepustnicą powietrza z automatycznym napędem. Terminal VAV jest podłączony do lokalnego lub centralnego systemu sterowania.

Na rys. 1 pokazano schemat połączenia instalacji VAV, który w swej budowie jest niemal identyczny z innymi systemami centralnego rozprowadzenia powietrza wentylacyjnego. Wyróżnikiem spośród innych systemów HVAC jest obecność tzw. VAV boxa (centrala VAV), w którym zainstalowana jest grzałka o stałej temperaturze grzania oraz wentylator.

Żeby przedstawić korzyści płynące z zastosowania systemów VAV, na rys. 2 pokazano, jak zmienia się energochłonność (przedstawiona za pomocą mocy układu) poszczególnych rodzajów instalacji w zależności od zastosowanej techniki sterowania temperaturą w pomieszczeniach.

Zdecydowanie najmniej wydajnym sposobem regulacji jest stosowanie przepustnic w kanałach wylotowych w poszczególnych pomieszczeniach, co prezentuje zielona linia na wykresie. Jest to spowodowane koniecznością ogrzewania dużego strumienia powietrza, który tylko w części zostaje wykorzystany przez sterowanie przepustnicą na wylocie kanału.

Linia niebieska przedstawia zastosowanie przepustnic (łopatek) na wlocie do komory wentylatora i nagrzewnicy, co sprawia, że ogrzewany jest strumień powietrza o takiej objętości, jaka rzeczywiście jest potrzebna do zasilenia pomieszczeń.

System ten jest wydajniejszy od poprzedniego, ale nie jest rozwiązaniem efektywniejszym. Ciągle jednak stosowany jest wentylator o stałym poziomie obrotów, co sprawia, że mimo mniejszego zapotrzebowania na powietrze nawiewane będzie on pracował ze stałą mocą.

Linia czerwona na wykresie prezentuje najwydajniejszy system, a mianowicie wentylator ze zmiennym poziomem obrotów. W tym przypadku strumieniem nawiewanego powietrza sterujemy już bezpośrednio, modyfikując obroty wentylatora. Trzeba jednak zwrócić uwagę na zastosowanie odpowiedniego układu modyfikacji prędkości, tak aby rzeczywiście można było osiągnąć założony poziom oszczędności.

Jeśli do napędu wentylatora zostanie zastosowany napęd stałoprądowy i jego prędkość regulowana będzie za pomocą szeregowo włączonej rezystancji w uzwojenia wirnika, to moc, która zostanie zaoszczędzona na silniku, odłoży się na rezystancji, a pobór z sieci nie ulegnie zmianie. Z tego względu ważne jest, żeby zastosować napęd zmiennoprądowy z silnikiem asynchronicznym sterowanym częstotliwościowo wg rys. 3 przy równoczesnym zachowaniu warunku U/f = const (stałego momentu obrotowego).

Sterowanie częstotliwościowe ma jednak zasadniczy minus w stosunku do zdecydowanie prostszego sterowania rezystywnego. Jest nim wysoka cena urządzeń energoelektronicznych, które są konieczne do sterowania za pomocą zmiany AC/AC – tzw. chopperów lub układu prostownika AC/DC, a następnie falownika DC/AC o zmiennej częstotliwości wyjściowej.

Warto jednak zwrócić uwagę, że inwestycja ta bardzo szybko się zwróci z kilku powodów:

• oszczędność energii – układy energoelektroniczne pobierają tyle mocy, ile jest aktualnie potrzebne (oczywiście z dodatkiem mocy potrzebnej do sterowania układem);

• dużo tańszy układ napędowy – silniki asynchroniczne ze względu na swoją prostotę są najtańszymi układami napędowymi prądu elektrycznego. Energia elektryczna doprowadzana jest jedynie do stojana. Silniki prądu stałego lub szeregowe prądu zmiennego (uniwersalne) wymagają doprowadzenia energii elektrycznej również do wirnika za pomocą komutatora;

• rzadsze i tańsze serwisy napędu – ze względu na obecność komutatora, który służy do przełączania kierunku przepływu prądu na wirniku, znacznie rośnie koszt serwisowania silników stałoprądowych.

Tradycyjne instalacje centralnego ogrzewania

W budynkach pasywnych z założenia nie jest wymagana dodatkowa instalacja centralnego ogrzewania, ewentualne dogrzanie powietrza realizowane jest w ramach instalacji HVAC. Jednak budynki pasywne stanowią wciąż rzadkość, natomiast w obiektach energooszczędnych konieczne jest zastosowanie klasycznych sposobów ogrzewania pomieszczeń, np. kotłów grzewczych.

W celu zapewnienia jak najniższego wskaźnika EP przy sporządzaniu certyfikatu energetycznego nie powinno się stosować ogrzewania opartego na energii elektrycznej (chyba że wytworzono ją w ramach obiektu, np. przez ogniwa fotowoltaiczne lub przydomowe elektrownie wiatrowe).

Według rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku [10] najbardziej polecanymi źródłami energii do ogrzania pomieszczeń jest biomasa i odnawialne źródła.

Wskaźnik EP, który wyraża wielkość rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną niezbędną do zaspokojenia potrzeb związanych z użytkowaniem budynku odniesioną do 1 m2 powierzchni użytkowej, obliczany jest jako iloczyn wskaźnika energii koniecznej do zasilenia budynku i tzw. wskaźnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej [10].

(1)

(2)

(3)

Dlatego rozsądne wydaje się użycie medium grzewczego o jak najniższym wskaźniku w, a to właśnie biomasa i energia elektryczna ze źródeł odnawialnych mają najniższe wskaźniki ze względu na mały wpływ na środowisko podczas eksploatacji. Dla energii elektrycznej z systemu elektroenergetycznego (SEE) w = 3 i jest to współczynnik najwyższy.

Ma to uzasadnienie, chociażby z uwagi na straty energii podczas przesyłu, niestety rozporządzenie [10] nie przewiduje włączenia takiego budynku do SEE poprzez licznik inteligentny, z zastosowaniem urządzeń do automatycznego przełączania się w tryb pracy poza szczytem poboru energii z sieci.

Sterując kotłami lub w przypadku ich braku węzłami grzewczymi albo grzejnikami, zazwyczaj wykorzystujemy pomiary temperatury wewnętrznej. Jest to mało wydajne rozwiązanie ze względu na dużą bezwładność cieplną budynków wykonywanych tradycyjnie (obiekty murowane, żelbetowe).

W momencie kiedy temperatura w pomieszczeniu spadnie do założonego poziomu załączenia kotła, zanim zacznie rosnąć, obniży się jeszcze o kilka stopni. Amplituda temperatury ze względu na pojemność cieplną obiektu będzie duża. To samo dotyczy wyłączenia kotła po osiągnięciu założonej temperatury. Pomijając małą efektywność energetyczną takiego rozwiązania, pogarsza się również komfort użytkowania.

W bardzo prosty sposób możemy jednak spróbować przewidzieć zmiany temperatury wewnątrz budynku, monitorując temperaturę na zewnątrz. Na rys. 4 pokazano, skąd bierze się przesunięcie faz temperatury powietrza między zewnętrzem a wnętrzem budynku.

Na wykresie łatwo zauważyć, że wykorzystując informacje o zmianach temperatury na zewnątrz, przy znajomości parametrów termicznych obiektów jesteśmy w stanie optymalnie dostroić instalację grzewczą, tak by zachowywać stałą temperaturę powietrza wewnątrz przy zminimalizowanym nakładzie energetycznym. Taką możliwość już od dawna oferują producenci nowoczesnych kotłów grzewczych przez wprowadzenie tzw. krzywych grzania (rys. 5).

Na wykresie widać, że przy założonych parametrach wyjściowych oraz znanych parametrach wejściowych jesteśmy w stanie ustawić optymalną temperaturę czynnika grzewczego, co zapewni stabilną pracę instalacji, a więc najmniej energochłonną.

Parametrem wyjściowym będzie tu docelowa temperatura wewnętrzna w pomieszczeniach, a parametrami wejściowymi współczynnik strat ciepła przez przegrody i wentylację oraz pojemność cieplna całego obiektu. Niestety w większości przypadków nie jesteśmy w stanie od razu wprowadzić danych wejściowych, o których wspomniano, i musimy próbować ustalić temperaturę czynnika metodą prób i błędów.

Wart uwagi jest jednak fakt, że jeśli budynek ma dużą zdolność akumulacyjną (budynki o konstrukcji ciężkiej – murowane, żelbetowe) i małe straty energii, to temperatura czynnika powinna być niska, jeśli natomiast budynek nie ma tak dużej zdolności akumulacji (budynki lekkie, szkieletowe), będzie potrzebna wyższa temperatura ze względu na większą dynamikę zmian.

Idealnym rozwiązaniem do określania parametrów pogodowych, które możemy zintegrować z kotłami grzewczymi, będzie zwykły czujnik temperatury. W celu zapewnienia pełnego bezpieczeństwa, efektywności i dokładnych odczytów temperatury warto zainwestować w stację pogodową. Można ją swobodnie zintegrować z większością urządzeń znajdujących się w sieci, nie tylko z systemami HVAC czy ogrzewania. I tak:

• czujnik nasłonecznienia można połączyć z żaluzjami i oświetleniem wbudowanym oraz instalacją HVAC w taki sposób, żeby w zależności od nasłonecznienia sterować lamelami żaluzji, nasłonecznieniem pomieszczeń (w szczególności w okresie letnim) oraz ich sztucznym doświetleniem;

• po połączeniu z siłownikami okien system może automatycznie zamknąć okna połaciowe w razie deszczu, a po dodatkowym połączeniu z silnikami żaluzji opuścić je w przypadku wichury;

• sygnał o pojawiającym się deszczu może zablokować systemy automatycznego nawadniania ogrodu.

Systemy sterowania roletami i oknami

Projektując budynki pasywne, projektanci muszą zwrócić szczególną uwagę na wykorzystanie jak najwięcej biernych (środowiskowych) zysków energii, zarówno jeśli chodzi o grzanie, jak i chłodzenie. Stosuje się detale architektoniczne, takie jak wysunięty okap, właściwe rozplanowanie pomieszczeń w budynku, łamacze światła oraz orientację i lokalizację okien w stosunku do kierunków geograficznych.

Ideałem jest takie usytuowanie budynku, żeby przeszklenia były na elewacji południowej, a nie północnej. Zyskujemy dzięki temu długi okres naświetlania w ciągu doby, minimalizując straty ciepła po tzw. „zimnej stronie” budynku, czyli nieogrzewanej promieniami słonecznymi elewacji północnej [11].

Na rys. 6 przedstawiono nasłonecznienie, a dokładniej ilość energii przenoszonej przez promieniowanie słoneczne w zależności od lokalizacji pionowej ściany względem kierunków geograficznych. Nie zawsze jesteśmy jednak w stanie za pomocą samej tylko architektury dopasować się tak do terenu i warunków atmosferycznych, by sprostać warunkom dobrego nasłonecznienia pomieszczeń w zimie i unikać przegrzewania w lecie.

To pole do popisu dla instalatora systemów wszelkiego typu, a w szczególności systemów zintegrowanych z innymi instalacjami budynku.

Bardzo popularne jest obecnie stosowanie żaluzji okiennych, które oprócz możliwości ustawiania wysokości opuszczenia mają też funkcję ustawienia nachylenia paneli. Jest to przydatne szczególnie w lecie, kiedy chcemy ograniczyć bezpośredni napływ promieni słonecznych do pomieszczenia, ale zależy nam na jego dobrym doświetleniu. Wpuszczone zostaje wtedy tylko promieniowanie odbite, o dużo mniejszej energii w zakresie podczerwonym.

Producenci systemów automatyki oferują wiele możliwości sterowania takimi żaluzjami. Istnieją sterowniki binarne (wraz z napędem), za pomocą których można ustawiać żaluzje tylko w dwóch położeniach: górnym i dolnym.

Bardziej skomplikowane sterowniki umożliwiają ustawienie żaluzji w pozycjach pośrednich. Sterownik taki również ma dwa wyjścia, ale sterowanie odbywa się manualnie za pomocą przełącznika albo z centrali po spełnieniu warunków do opuszczenia/podniesienia rolety.

Po krótkim naciśnięciu przycisku przez użytkownika na magistrali sterującej pojawia się pojedynczy sygnał wysoki, czyli pojedynczy skok napięcia – logiczne 1 – który na wejściu sterownika jest odczytywany jako pełne zamknięcie/otwarcie rolety (mówimy o położeniu rolety w pionie).

W wyniku przytrzymania przycisku przez użytkownika na wejściu urządzenia wykonawczego (aktora) pojawia się ciągły wysoki sygnał, stale utrzymujący się wysoki poziom napięcia, a roleta pozostaje w ruchu, dopóki nie pojawi się poziom niski, czyli pierwotny poziom napięcia, na wejściu urządzenia wykonawczego – wtedy roleta zatrzymuje się w ustalonej pozycji.

Jeśli dodatkowo chcemy sterować położeniem paneli rolety, potrzebny będzie sterownik z czterema wejściami – dwa na położenie żaluzji w pionie i dwa na nachylenie paneli.

Układ sterowania oknami po połączeniu z lokalną stacją pogodową będzie znał parametry temperatury zewnętrznej i otworzy się tylko wtedy, gdy temperatura na zewnątrz budynku będzie niższa niż wewnątrz. Ponadto trzeba pamiętać o zabezpieczeniu tego typu operacji przed deszczem i wiatrem.

Po połączeniu z lokalną stacją pogodową bez problemu będzie można zintegrować sygnał o padającym deszczu oraz wzmożonych porywach wiatru, tak żeby okna mogły się zamknąć, a następnie po ustaniu niekorzystnych warunków z powrotem otworzyć.

Praktyka taka jest bardzo popularna w zautomatyzowanym budownictwie pasywnym, gdzie wychładzając konstrukcję budynku nocą, możemy zaoszczędzić dużo energii na chłodzenie obiektu w ciągu dnia. Połączenie systemu sterowania roletami z centralą sterowania zrealizowaną np. w standardzie KNX pozwala łączyć logicznie system oświetlenia oraz HVAC (głównie chłodzenia) z systemem sterowania żaluzjami.

Przykładem takiego powiązania może być przegrzewanie pomieszczenia w bardzo słoneczny dzień. Duże zużycie energii przez system HVAC może być sygnałem do opuszczenia rolet i w przypadku obecności użytkownika zapalenia sztucznego oświetlenia.

Takie powiązanie zapewnia znaczną redukcję energii potrzebnej do chłodzenia przez system pasywnego zapobiegania przedostawaniu się energii słonecznej do pomieszczeń. Więcej na temat stosowania pasywnych metod oszczędności energii znaleźć można w pracach [2, 4, 7].

Dzięki takim rozwiązaniom w sposób znaczący można zredukować energię potrzebną do chłodzenia powietrza nawiewanego do pomieszczeń przez systemy HVAC. Wystarczy zamontować czujnik fotoelektryczny, jednak najlepszy byłby czujnik pozwalający mierzyć osobno promieniowanie widzialne oraz podczerwone. Można w tym celu zastosować dwa niezależne czujniki dostrojone do różnych zakresów promieniowania.

Sprzężenie takiego układu czujników, systemu HVAC oraz sterowania roletami pozwoli dobrać program sterowania, który zoptymalizuje zabezpieczenie przed przegrzewaniem. Chodzi tu o takie odcięcie dopływu energii cieplnej promieni świetlnych do pomieszczenia, by zachować właściwy poziom światła bez stosowania oświetlenia wbudowanego.

Podsumowanie i wnioski

Nowoczesne projektowanie obiektów energooszczędnych powinno być procesem interdyscyplinarnym, łączącym projektowanie przegród i instalacji oraz integrację instalacji za pośrednictwem systemów nadrzędnego sterowania. Ponadto efektywność samych instalacji, np. HVAC, zależy od sposobu sterowania.

Efektywność tradycyjnych instalacji centralnego ogrzewania również nie zależy jedynie od sprawności poszczególnych elementów, ale i od sposobu sterowania. Dopiero integracja wszystkich instalacji obsługujących obiekt wraz z systemami sensorów i akwizycji danych (stacje pogodowe) pozwoli w pełni wykorzystać własności obiektu, takie jak chociażby jego bezwładność cieplną.

Następnym krokiem powinno być empiryczne poparcie opisanych własności, bardzo trudno jednak znaleźć rzeczywiste obiekty o tak dużej integracji systemów.

Literatura

1. Noga M. red., AutBudNet, AGH, Kraków 2011.
2. Rodacki K., Instalacje inteligentnych budynków w budownictwie pasywnym, praca magisterska, AGH, Kraków 2014.
3. Niezabitowska E. red., Budynek inteligentny. Tom I: Potrzeby użytkownika a standard budynku inteligentnego, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2005.
4. Dudzińska A., Wstępne pomiary mikroklimatu wewnętrznego w pierwszej w Polsce szkole o niemal zerowym zużyciu energii, „Materiały Budowlane” nr 2/2013.
5. Dyrektywa 2010/31/UE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.
6. Frank K., EIB/KNX Grundlagen Gebäudesystemtechnik, ZWEH, Frankfurt am Main 2006.
7.  Kisilewicz T., Budownictwo energooszczędne – stereotypy, mity i prawdy, „Inżynier Budownictwa” nr 10/2009.
8. Merz H., Hanseman T., Hubner C., Building Automation. Communication Systems with EIB/KNX, LON and BACnet, Springer, Berlin 2009.
9. Projekt budowlany nowo powstałego budynku gimnazjum ze szkołą podstawową i trójstrefowej hali sportowej, Frankfurt-Riedberg, Ingenieurconsult Cornelius-Schwarz-Zeitler GmbH, Darmstadt 2012.
10.  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 3 czerwca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201/2008, poz. 1240).
11. www.pibp.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!