Systemy sterowania centralami wentylacyjnymi – nowe wytyczne Euroventu

Wytyczne – mogące służyć jako pomoc dla projektantów, wykonawców i inwestorów – zostały opracowane przez członków Grupy Produktowej PG-AHU, reprezentującej zdecydowaną większość producentów central wentylacyjnych w Europie. Zawierają m.in. specyfikację minimalnych wymagań dla systemów sterowania centralami oraz zagadnienia, które należy rozważyć podczas projektowania i doboru systemu sterowania.

Wymagania minimalne

Zadaniem systemu sterowania jest zarządzanie wszystkimi funkcjami centrali wentylacyjnej i innymi elementami systemu w celu zapewnienia optymalnej jakości środowiska wewnętrznego (temperatury, wilgotności i jakości powietrza w pomieszczeniach) przy jak najniższym zużyciu energii. Wymaga to płynnego dostosowania pracy elementów instalacji do rzeczywistego zapotrzebowania, z uwzględnieniem ich współdziałania oraz komunikacji z siecią energetyczną. System sterowania, analizując informacje otrzymywane z czujników i elementów systemu, decyduje, które funkcje zastosować, aby spełnić wymagania dotyczące jakości środowiska wewnętrznego przy minimalnym zużyciu energii.

Minimalne zalecane wymagania dla systemu sterowania centralą wentylacyjną podano w tabeli 1.

Fabryczny system sterowania centralą

Ponieważ największą wiedzą na temat charakterystyki centrali i innych elementów systemu dysponuje producent urządzenia, w większości przypadków najbardziej efektywną i energooszczędną pracę centrali gwarantuje fabrycznie montowany system sterowania. Zapewnia on także łatwiejsze uruchomienie, serwis i konserwację oraz powtarzalność i kompleksowe testy fabryczne, co m.in. zwiększa trwałość i dokładność pomiarów. W 2014 roku w fabryczne systemy sterowania wyposażonych było 40% dostarczanych central, a w 2020 roku ok. 70% (dane Eurovent Market Intelligence) i dostawa centrali ze zintegrowanym systemem sterowania staje się standardem.

Efektywność energetyczna

W pkt 3 Wytycznych opisano funkcjonalności sterowania wpływające na wysoką efektywność energetyczną. Sterowanie działa najbardziej efektywnie przy zastosowaniu wentylacji ze zmiennym przepływem powietrza, określanej też jako wentylacja „na żądanie” (demand controlled ventilation – DCV). W tym systemie ilość powietrza nawiewanego jest dostosowywana do aktualnego zapotrzebowania, określanego w oparciu o wskazania czujników pomieszczeniowych obecności lub jakości powietrza, np.:

• stężenie CO₂ powiązane z liczbą osób w pomieszczeniu;
• stężenie lotnych związków organicznych i pyłów drobnych, pochodzących z zewnątrz, z aktywności użytkowników i emisji z elementów wyposażenia;
• wilgotność – dobry wskaźnik dla kuchni i łazienki.

System steruje regulatorami zmiennego przepływu (VAV) i prędkością wentylatorów w centrali, jednocześnie minimalizując zużycie energii dzięki inteligentnej komunikacji między systemami sterowania poszczególnych pomieszczeń a sterowaniem centrali wentylacyjnej.

Efektywność energetyczną można poprawić także przez zastosowanie sterowania odrębnego dla poszczególnych stref w budynku, jednak przy zapewnieniu inteligentnej komunikacji między sterownikami strefowymi a systemem sterowania centralą.

Najwyższą efektywność energetyczną dla budynku osiąga się przy optymalnej integracji wszystkich systemów sterowania instalacjami poprzez BMS. Umożliwia on także grupowanie stanów i głównych parametrów wszystkich podłączonych do niego urządzeń w jednym interfejsie, co ułatwia monitoring i zarządzanie całym systemem. Integrując systemy, należy korzystać ze znormalizowanych protokołów i interfejsów lub komunikacji radiowej.

Wytyczne zalecają tworzenie rejestrów (logów) danych, co stanowi podstawę optymalizacji pracy systemu, oraz wskazują, jakie minimalne funkcjonalności powinien mieć wyświetlacz sterownika:

• zmiana trybu pracy;
• ustawianie harmonogramu tygodniowego;
• informacje o stanie systemu (w tym odczytywanie i potwierdzanie alarmów).

Dodatkowo możliwa jest komunikacja zdalna ze sterownikiem – bezpośrednia, np. bezprzewodowo przez sieć lokalną typu Wi-Fi, lub pośrednia, w której użytkownik korzysta np. z aplikacji na telefonie lub tablecie 24/7. Dane dotyczące systemu wentylacji lub klimatyzacji są zwykle przechowywane w chmurze, co daje wiele możliwości:

• dostęp do danych w czasie rzeczywistym;
• podgląd poprzednich danych;
• porównanie kilku systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych;
• powiadomienia o alarmach;
• zarządzanie sterownikiem;
• możliwość aktualizacji oprogramowania, zarówno sterownika, jak i urządzeń;
• analiza danych umożliwiająca wczesne wykrywanie awarii;
• zapisywanie plików związanych z systemem wentylacji i klimatyzacji.

Sterowanie funkcjami centrali

W pkt 4 omówiono te funkcje sterowania podzespołami centrali, które mają wpływ na efektywność energetyczną.

Monitorowanie zabrudzenia filtra powietrza jest obowiązkowe dla produktów wentylacyjnych wprowadzanych na rynek UE (rozporządzenie UE 1253/2014) i pozwala uniknąć spadku przepływu powietrza i wzrostu zużycia energii. W przypadku budynków niemieszkalnych system monitorowania filtrów musi mieć wskaźnik spadku ciśnienia do sygnalizacji wizualnej lub wywołania alarmu w systemie sterowania, np.:

• przekaźnik ciśnienia (tańsza opcja) – aktywuje się przy określonej wartości spadku ciśnienia na filtrze;
• przetwornik ciśnienia – wskazuje rzeczywisty spadek ciśnienia w filtrze.

Zgodnie z wymaganiami Ekoprojektu wprowadzane na rynek urządzenia wentylacyjne dla budynków niemieszkalnych muszą być wyposażone w wentylatory z napędem wielobiegowym lub o zmiennej prędkości. Wytyczne zalecają, by wydajność wentylatora regulować bezstopniowo poprzez sterowanie jego prędkością. System sterowania powinien także zapewniać optymalną różnicę ciśnień w każdych warunkach pracy, szczególnie w przypadku obrotowych wymienników ciepła, podatnych na wewnętrzny przeciek powietrza pomiędzy stroną nawiewną i wywiewną.

Ochrona antyzamrożeniowa wymienników ciepła

Ważną funkcją systemu sterowania jest ochrona wymienników ciepła przed zamarzaniem przy niskiej temperaturze zewnętrznej, aby zapobiec pogorszeniu ich charakterystyki i uszkodzeniom, przy jednoczesnej minimalizacji zużycia energii na rozmrażanie.

Najprostszą metodą określenia momentu, w którym zaczyna się zamarzanie, jest zastosowanie czujnika temperatury powietrza zewnętrznego – ochrona aktywuje się zwykle przy spadku temperatury poniżej 0°C. Ponieważ faktyczne zamarzanie może rozpocząć się przy niższej temperaturze (np. –5°C), co oznacza niepotrzebne zużycie energii, stosuje się bardziej dokładne metody:

• dodatkowy czujnik temperatury powietrza wywiewanego w pobliżu lub na wymienniku ciepła;
• czujnik wilgotności i temperatury powietrza wywiewanego. Algorytm systemu sterowania uwzględnia te parametry przy obliczaniu przybliżonej temperatury zamarzania;
• miernik spadku ciśnienia (zwykle przekaźnik ciśnienia) wymiennika ciepła aktywuje odszranianie, gdy ciśnienie w wymienniku spada.

Spośród funkcji antyzamrożeniowych najczęściej stosuje się poniższe rozwiązania.

Podgrzanie powietrza zewnętrznego do temperatury wykluczającej ryzyko zamarzania za pomocą nagrzewnicy wstępnej – elektrycznej lub wodnej/glikolowej. Nagrzewnice wstępne najczęściej występują jako kanałowe lub zintegrowane z centralą. Sterowanie nagrzewnicą wstępną odbywa się poprzez modulację szerokości impulsu (PWM) włącz-wyłącz (nagrzewnice elektryczne) lub przez sygnał 0–10 V. Sterowanie sygnałem 0–10 V jest bardziej płynne i pozwala zaoszczędzić do 10% energii.

Wykorzystanie powietrza wywiewanego jest wybierane jako tańsza w eksploatacji alternatywa dla nagrzewnicy wstępnej. Stosuje się różne metody:

• niezrównoważenie przepływu powietrza – zwiększenie przepływu ciepłego powietrza z budynku oraz zmniejszenie lub zamknięcie przepływu zimnego powietrza zewnętrznego. Tryb ten sprawdza się dobrze, gdy ujemne temperatury są chwilowe i niezbyt niskie – wraz ze spadkiem temperatury wydłuża się okres odszraniania, co może prowadzić do wystąpienia podciśnienia w pomieszczeniu;
• recyrkulacja – wydajna metoda podobna do niezrównoważenia przepływu, ale wymagająca dodatkowej przepustnicy w centrali. W pomieszczeniu nie występuje podciśnienie, jednak zamknięty jest dopływ świeżego powietrza. Recyrkulację można zatem stosować razem z czujnikiem CO2 powietrza wywiewanego – tak, by działała wtedy, kiedy poziom dwutlenku węgla jest akceptowalny;
• odszranianie przez by-pass (przepustnicę obejściową) – metoda stosowana dla płytowego wymiennika ciepła. Może być konieczne zastosowanie nagrzewnicy wtórnej (najczęściej wodnej), jednak metoda ta nie wymaga nagrzewnicy wstępnej. Zazwyczaj wymiennik płytowy wyposażony jest w proporcjonalnie sterowane przepustnice czołowe i obejściowe. Ilość powietrza zewnętrznego kierowanego do obejścia jest regulowana tak, by nie była wyższa niż to konieczne do odszronienia wymiennika. W niektórych przypadkach stosuje się by-pass 100%, co wymaga grzejnika o dużej mocy, ponieważ musi on podnieść temperaturę powietrza od 0 do min. 16°C. W przypadku chłodniejszych stref klimatycznych stosuje się przepustnicę obejściową segmentową – podczas odszraniania zamykany jest tylko jeden segment wymiennika ciepła, co ogranicza zużycie energii.

W przypadku obrotowych wymienników ciepła stosuje się zmniejszenie prędkości rotora, natomiast dla wymienników glikolowych recyrkulację wody powrotnej z wężownicy chłodzącej (z zastosowaniem zaworu trójdrogowego). W odniesieniu do obu rodzajów wymienników można także zastosować nagrzewnicę wstępną.

Bezpieczeństwo

Z punktu widzenia spełnienia wymagań dyrektywy 2006/42/WE, tzw. maszynowej, systemy sterowania odpowiadają za zatrzymanie wentylatorów w przypadku otwarcia drzwi oraz alarmy w razie awarii. Natomiast z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego zaleca się stosowanie odpowiednio przetestowanego systemu sterowania fabrycznie zintegrowanego, zgodnego z wymogami danego kraju. Układ sterowania musi także chronić podzespoły przed uszkodzeniem, uwzględniając ochronę przeciwzamrożeniową nagrzewnicy wodnej (czujniki temperatury wody powrotnej lub termostat chroniący przed zamarzaniem po stronie powietrznej) oraz ochronę nagrzewnicy elektrycznej przed pracą w razie braku przepływu powietrza.

Cyberbezpieczeństwo

W pkt 6 wskazano niezbędne minimum zagadnień związanych z cyberbezpieczeństwem dla sterowników podłączonych do sieci (szerszy zakres podano w serii norm IEC 62443 Przemysłowe sieci komunikacyjne – Bezpieczeństwo IT dla sieci i systemów):

• komunikacja z usługami w chmurze musi mieć najnowocześniejsze zabezpieczenia;
• wszystkie operacje w systemie sterowania muszą być uwierzytelnione i autoryzowane;
• poufne informacje (np. hasła) należy przechowywać jako zaszyfrowane;
• łączność bezprzewodowa musi być domyślnie wyłączona, a ruch przez połączenie tymczasowe (np. na czas konserwacji) zaszyfrowany.

Rozruch, serwis i konserwacja

W pkt 7 wskazano, że do sterownika zamontowanego fabrycznie można wprowadzić parametry zgodne z zamówieniem przed wysyłką, po czym urządzenie przechodzi pełny test funkcjonalny i przegląd, potwierdzony odpowiednim dokumentem. Podczas rozruchu na miejscu instalator wykorzystuje sterownik (najlepiej w trybie testowym) do sprawdzenia wszystkich funkcji i trybów pracy. W pamięci sterownika można zapisać „ustawienia fabryczne” producenta i „ustawienia rozruchowe”, co w razie problemów pozwala łatwo do nich wrócić. Zalecane jest zachowanie i dołączenie do dokumentacji centrali następujących dokumentów:

• krótki opis głównych podzespołów oraz opis funkcyjny, w tym „schemat blokowy”;
• schematy połączeń elektrycznych;
• instrukcja obsługi panelu sterowania;
• protokół rozruchu, zawierający zarówno ustawienia fabryczne, jak i wartości ustawione po uruchomieniu;
• raport z testu funkcjonalnego w fabryce.

W Wytycznych zwrócono też uwagę, że jakość sterowania zależy od dokładności pomiarów, na co wpływają m.in. rozmieszczenie, kalibracja oraz parametry czujników i mierników.

W pkt 8 wskazano natomiast, że system sterowania można zastosować także do konserwacji predykcyjnej. Regularne monitorowanie pracy centrali, ocena i analiza zmierzonych charakterystyk pracy (w tym zużycia energii) oraz kontrola czasu pracy podzespołów umożliwiają wychwycenie i usunięcie nieprawidłowości na długo przed wystąpieniem awarii. Do wdrożenia konserwacji predykcyjnej niezbędna jest komunikacja między systemem sterowania a podzespołami centrali oraz dostęp do danych – najlepiej zdalny, np. w chmurze.

Normy i ustawodawstwo

Wytyczne zwracają uwagę na trzy ważne dokumenty:

1. Dyrektywa w sprawie charakterystyki energetycznej budynków 2018/844 (art. 14 i 15) zobowiązuje państwa członkowskie do ustanowienia do 2025 roku wymagań w zakresie wyposażenia systemu klimatyzacji (lub zintegrowanego systemu klimatyzacji i wentylacji) o mocy znamionowej powyżej 290 kW w budynkach niemieszkalnych w system sterowania zapewniający pracę ciągłą, natomiast budynki mieszkalne powinny mieć stały monitoring sprawności systemów technicznych.
2. Norma EN 16798-3:2018 podaje ogólne kategorie zdolności systemu do sterowania jakością powietrza wewnętrznego poprzez regulację strumienia powietrza.
3. Norma EN 15232-1:2017 obejmuje systemy automatyki i sterowania budynkami (BACS) ze szczegółowym omówieniem części HVAC. Norma określa klasy efektywności BACS (od A do D), uwzględniając funkcje wpływające na charakterystykę energetyczną budynków.

Wytyczne można pobrać nieodpłatnie z biblioteki Euroventu:

http://a001.rynekinstalacyjny.pl/eurovent-control