Regulacja elementów odzysku ciepła w wentylacji

W centralach z odzyskiem ciepła i funkcją chłodzenia można, w przypadku odpowiednich parametrów różnicy temperatury lub entalpii powietrza zewnętrznego i tego w pomieszczeniu, odzyskiwać chłód. Może się to przyczynić do bardzo dużych oszczędności zarówno w kosztach inwestycyjnych, gdyż potrzebna jest wówczas mniejsza moc chłodnicza lub cieplna, co oznacza mniejsze urządzenia oraz średnice rurociągów, jak i w kosztach eksploatacyjnych ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na energię dla chłodzenia oraz ogrzewania. W tabeli 1 pokazano najczęściej stosowane kryteria zmiany kierunku odzysku ciepło/chłód w zależności od typu odzysku ciepła i nawilżacza.

W większości central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych sekwencje sterujące elementami odzysku ciepła nie funkcjonują samodzielnie, lecz są częścią składową układu regulacji sekwencyjnej temperatury nawiewu, pomieszczenia albo wilgotności pomieszczenia. Wówczas sprzężeniem zwrotnym zamykającym obwód regulacji jest temperatura nawiewu lub pomieszczenia, względnie wilgotność pomieszczenia. Na przedstawionych poniżej schematach dla uproszczenia jako wielkość regulowana przedstawiana jest temperatura powietrza za elementem odzysku ciepła.

Regulacja recyrkulacji

Najprostszą formą sterowania recyrkulacją jest stałe ustawienie przepustnic – ręcznie lub poprzez sygnał do siłowników. W efekcie przepływ powietrza recyrkulowanego jest stały (przy założeniu, że wentylator pracuje z tą samą wydajnością).

Oczywiście nie zapewnia to optymalnego wykorzystania energii dostępnej z odzysku w każdych warunkach, gdyż nie ma zamknięcia pętli regulacyjnej poprzez pomiar wartości temperatury powietrza po zmieszaniu lub temperatury nawiewu bądź pomieszczenia, gdy recyrkulacja jest jedną z sekwencji w regulacji centrali wentylacyjnej. Najczęściej elementem wykonawczym regulacji recyrkulacji są jedna, dwie, trzy lub cztery przepustnice recyrkulacyjne wyposażone zwykle w siłowniki sterowane sygnałem ciągłym 0–10 V. W przypadku układu trzech siłowników (na przepustnicy recyrkulacyjnej, przepustnicy czerpni, przepustnicy wyrzutni) jeden sygnał elektryczny 0–10 V steruje położeniem wszystkich siłowników. Oznacza to, że np. w przypadku temperatury nawiewu zbyt niskiej w stosunku do wielkości zadanej generowany przez regulator jeden sygnał 0–10 V powoduje otwieranie przepustnicy recyrkulacyjnej z jednoczesnym zamykaniem przepustnic czerpni i wyrzutni powietrza. Kiedy sygnał wyjściowy do recyrkulacji wynosi np. 6 V, to przepustnica recyrkulacyjna otwiera się o kąt 54° (6 V odpowiada 60%, a 60% z 90° to 54°) od pełnego zamknięcia. Jednocześnie ten sam sygnał, ze względu na przeciwbieżność kierunku działania siłowników przepustnic na czerpni i wyrzutni, zmienia położenie ich otwarcia o 36° (90° − 54° = 36°). Oznacza to, że zamkniętej przepustnicy recyrkulacyjnej towarzyszą w 100% otwarte przepustnice czerpni i wyrzutni. W przypadku funkcji chłodzenia przepustnice czerpni i wyrzutni pozostają w pełni otwarte, a przepustnica recyrkulacyjna w pełni zamknięta do momentu, gdy temperatura zewnętrzna przewyższy temperaturę powietrza wywiewanego z pomieszczenia. Sterowanie recyrkulacją musi jednocześnie zapewnić, wynikający z ewentualnych zysków wilgoci i zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniu, minimalny przepływ powietrza świeżego nawiewanego do pomieszczenia. Minimalny przepływ powietrza świeżego, który najczęściej zadaje się jako ograniczenie procentowe sygnału wyjściowego do siłowników (czyni się to podczas parametryzacji regulatora), powinien być ustawiany w oparciu o charakterystykę przepływową przepustnicy lub pomiary obiektowe rzeczywistych przepływów powietrza.

Ochrona przeciwzamrożeniowa a sterowanie recyrkulacją

Niezależnie od poziomu minimalnego otwarcia przepustnicy powietrza zewnętrznego wynikającego z wymagań co do odpowiedniego strumienia powietrza świeżego, siłowniki zamontowane na przepustnicy czerpni, i w niektórych przypadkach również wyrzutni, muszą mieć możliwość pełnego zamknięcia w przypadku zadziałania funkcji sprężyny powrotnej dla ochrony przeciwzamrożeniowej nagrzewnicy. Brak takiej funkcji grozi zamarznięciem nagrzewnicy.

Regulacja w oparciu o temperaturę powietrza po zmieszaniu

Jest to regulacja w zamkniętej pętli ze sprzężeniem zwrotnym w postaci pomiaru temperatury powietrza po zmieszaniu. Regulator R porównuje wartość temperatury otrzymaną po zmieszaniu powietrza zewnętrznego i powietrza wywiewanego z wartością zadaną (rys. 1). W przypadku gdy temperatura T1 powietrza zmieszanego stanie się zbyt niska, generowany jest sygnał do otwierania siłownika na przepustnicy recyrkulacyjnej oraz jednoczesnego zamykania siłowników przepustnic czerpni i wyrzutni. Minimalny stopień otwarcia przepustnicy powietrza zewnętrznego i wywiewanego wynika z przyjętego minimum higienicznego dla powietrza zewnętrznego (minimalny udział procentowy powietrza zewnętrznego). Powoduje to zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło. Gdy recyrkulacja jest jednym z elementów centrali wentylacyjnej i nie jest osiągana wymagana temperatura nawiewu przy maksymalnym dozwolonym udziale recyrkulacji (wynika on z minimalnego procentowego udziału powietrza zewnętrznego, np. gdy ten udział wynosi 20%, to maksymalny udział recyrkulacji wynosi 80% = 100% – 20%), to regulator powoduje uruchomienie kolejnych sekwencji grzewczych, np. otwieranie zaworu na nagrzewnicy w celu uzyskania wymaganej temperatury nawiewu.

Regulacja w oparciu o różnicę temperatury zewnętrznej i temperatury powietrza wywiewanego lub pomieszczenia

Uzupełnienie schematu z rys. 1 o czujnik temperatury zewnętrznej i czujnik temperatury powietrza wywiewanego/pomieszczenia (rys. 2) umożliwia optymalizację pracy systemu chłodzenia oraz zmniejszenie jego zapotrzebowania na energię.

W trybie chłodzenia, jeżeli temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa niż temperatura powietrza wywiewanego/pomieszczenia, to dla utrzymania odpowiednio niskiej temperatury nawiewu regulator generuje sygnał do otwierania siłownika na przepustnicy recyrkulacyjnej oraz jednoczesnego zamykania siłowników przepustnic czerpni i wyrzutni. Minimalny stopień otwarcia przepustnicy powietrza zewnętrznego i wywiewanego wynika z przyjętego minimum higienicznego dla powietrza zewnętrznego (minimalny udział procentowy powietrza zewnętrznego). Z kolei gdy temperatura zewnętrzna jest niższa niż temperatura powietrza wywiewanego/pomieszczenia, zamykana jest przepustnica recyrkulacyjna i zwiększa się przepływ powietrza zewnętrznego, co w obydwu przypadkach powoduje zmniejszenie zużycia energii na chłodzenie. Gdy recyrkulacja jest jednym z elementów centrali wentylacyjnej i nie jest osiągana wymagana temperatura nawiewu przy maksymalnym dozwolonym udziale recyrkulacji (wynika on z minimalnego procentowego udziału powietrza zewnętrznego, np. gdy udział ten wynosi 20%, to maksymalny udział recyrkulacji wynosi 80% = 100% – 20%), to regulator powoduje uruchomienie kolejnych sekwencji chłodniczych, np. otwieranie zaworu na chłodnicy w celu uzyskania wymaganej temperatury nawiewu.

Regulacja w oparciu o różnicę entalpii powietrza zewnętrznego i wywiewanego lub pomieszczenia

Gdy centrala ma za zadanie osuszanie powietrza, to zastąpienie czujników temperatury T1, T2, T3 przetwornikami entalpii powietrza umożliwia optymalizację i zmniejszenie zużycia energii przez chłodnicę na potrzeby osuszania poprzez sterowanie przepustnicami recyrkulacyjnymi w zależności od różnicy pomiędzy entalpią powietrza zewnętrznego a entalpią powietrza wywiewanego/pomieszczenia.

Regulacja w oparciu o stężenie CO₂ lub lotnych związków organicznych

W instalacjach dostarczających powietrze do pomieszczeń, w których znajdują się źródła zanieczyszczeń, regulacja centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej musi uwzględnić, oprócz temperatury oraz ewentualnie wilgotności, również jakość powietrza określaną na podstawie sygnałów z czujników CO₂ i lotnych związków organicznych (LZO lub ang. VOC). W centrali wentylacyjnej z recyrkulacją (rys. 3) w przypadku wystąpienia przekroczenia nastawionego poziomu zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniu regulator będzie generować sygnał do zmniejszenia stopnia recyrkulacji.

Sterowanie recyrkulacją z funkcją rozruchu po okresie wyłączenia

W regulatorach serii RMU [2] w przypadku pomieszczeń okresowo nieużytkowanych, np. obiektów użyteczności publicznej, w celu szybszego osiągnięcia wymaganej temperatury nawiewu lub pomieszczenia po okresie nieużywania, stosować można tzw. funkcję rozruchu, powodującą czasowe zamknięcie przepustnic czerpni i wyrzutni, czyli 100% recyrkulacji, a także późniejsze stopniowe zwiększanie strumienia powietrza zewnętrznego do poziomu wynikającego z minimum higienicznego (rys. 4). Kryterium zadziałania tej funkcji jest wartość temperatury zewnętrznej.

Ze względu na fakt jednoczesnego wyposażenia siłownika przepustnicy czerpni w sprężynę powrotną (gdy w centrali jest nagrzewnica wodna) kierunek narastania sygnału wyjściowego do siłowników recyrkulacyjnych jest odwrotny niż dla typowych sekwencji grzewczych. Oznacza to, że im niższa temperatura, tym mniejszy, a nie większy, jest sygnał ciągły 0–10 V. Wymaga to odwrotnego podłączenia mechanicznego siłowników przepustnic, tak aby spadek napięcia sterującego powodował wzrost otwarcia siłownika na przepustnicy recyrkulacyjnej oraz jednoczesne zmniejszenie otwarcia siłowników na przepustnicach czerpni i wyrzutni. Wygodne do montażu w takim przypadku są siłowniki typoszeregu G [2], które mają symetryczną obudowę, co umożliwia ich montaż przednią bądź tylną powierzchnią, dzięki czemu można dopasować kierunek obrotu wskutek narastania sygnału 0–10 V do kierunku zamykania/otwierania przepustnicy.

Wykorzystanie recyrkulacji do nocnego ogrzewania

W przykładowych centralach Gold [3] ogrzewanie budynku w okresie nocnym lub przy braku użytkowania możliwe jest poprzez wysterowanie na 100% recyrkulacji z jednoczesną pracą nagrzewnicy powietrza i włączonym jedynie wentylatorem nawiewnym (wentylator wywiewny pozostaje wówczas wyłączony; rys. 5). Do zamknięcia pętli regulacyjnej konieczny jest czujnik temperatury pomieszczenia/wywiewu, który umożliwia regulację temperatury w pomieszczeniu lub wywiewu [3].

Regulacja wymiennika krzyżowego

Wydajność odzysku ciepła na wymienniku krzyżowym reguluje się poprzez sterowanie siłownikiem przepustnicy na przewodzie obejściowym oraz przepustnicy na przepływie przez wymiennik (rys. 6).

Wzrost sygnału Y do zwiększenia stopnia odzysku powoduje otwieranie przepustnicy na przepływie przez wymiennik z jednoczesnym zamykaniem przepustnicy na obejściu wymiennika krzyżowego. Gdy jest taka możliwość, jeden siłownik obsługuje obydwie przepustnice jednocześnie, wykorzystując ich przeciwbieżność kierunków zamykania/otwierania. W instalacjach o bardzo zubożonych funkcjach regulacyjnych spotyka się sterowanie wymiennikiem krzyżowym dwustanowo, poprzez sygnał z np. termostatu temperatury zewnętrznej skutkujący dwoma stanami pracy wymiennika – otwartym lub zamkniętym. Podobnie jak w przypadku regulacji recyrkulacji, regulacja wymiennika krzyżowego jest jednym z elementów regulacji sekwencyjnej, gdzie sprzężeniem zwrotnym zamykającym obwód regulacji jest temperatura nawiewu lub pomieszczenia.

Zabezpieczenie przeciwoblodzeniowe wymiennika krzyżowego

W celu zapobieżenia zamarzaniu wilgoci pojawiającej się na wymienniku przy niskich temperaturach zewnętrznych można zastosować dodatkowy czujnik temperatury powietrza na wywiewie, powodujący zmniejszenie sygnału do odzysku ciepła przy zbyt niskiej temperaturze powietrza za wymiennikiem (rys. 7) lub przetwornik różnicy ciśnień powietrza na wymienniku krzyżowym. W przypadku oblodzenia wymiennika krzyżowego następuje wzrost oporów przepływu, sygnalizowany poprzez wzrost różnicy ciśnień na przetworniku, co skutkuje również zmniejszeniem sygnału do odzysku ciepła.

Innym rozwiązaniem jest umieszczenie przed wymiennikiem krzyżowym dodatkowej nagrzewnicy elektrycznej podgrzewającej wstępnie powietrze zewnętrzne. Jego wadą jest zwiększenie kosztów – zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych.

Regulacja wymiennika glikolowego

Wydajność odzysku ciepła na wymienniku glikolowym reguluje się za pomocą sterowania poprzez sekwencję wyjściową (na ogół sygnałem 0–10 V) stopniem otwarcia zaworu trójdrogowego rozdzielającego, współpracującego z pompą. W zależności od stopnia otwarcia tego zaworu następuje zmieszanie czynnika glikolowego, powracającego bezpośrednio z wymiennika na przewodzie wywiewnym, z czynnikiem powracającym z wymiennika na przewodzie nawiewnym. Podobnie jak w przypadku regulacji recyrkulacji i wymiennika krzyżowego, wymiennik glikolowy jest jednym z elementów regulacji sekwencyjnej, gdzie sprzężeniem zwrotnym zamykającym obwód regulacji jest temperatura nawiewu lub pomieszczenia. Jeżeli temperatura nawiewu/pomieszczenia w centrali wentylacyjnej jest zbyt niska, regulator poprzez siłownik otwiera zawór trójdrogowy, zwiększając przepływ pomiędzy wymiennikiem na powietrzu wywiewanym a wymiennikiem na powietrzu nawiewanym, co powoduje wzrost odzysku ciepła oraz podwyższenie temperatury nawiewu/pomieszczenia.

Jeżeli ilość ciepła odzyskana na wymienniku glikolowym jest niewystarczająca, tzn. temperatura nawiewu/pomieszczenia jest za niska, następuje uruchomienie kolejnej sekwencji grzewczej, np. nagrzewnicy wodnej. W celu zabezpieczenia przeciwoblodzeniowego na glikolowym rurociągu zasilającym wymiennik po stronie powietrza wywiewanego zamontowany jest czujnik temperatury (rys. 8). Gdy temperatura na tym czujniku jest zbyt niska, siłownik zaworu trójdrogowego kieruje większy strumień glikolu o wyższej temperaturze bezpośrednio z wymiennika na przewodzie wywiewnym, a ogranicza dopływ strumienia glikolu o niższej temperaturze, schłodzonego w wymienniku po stronie powietrza nawiewanego.

Regulacja wymiennika obrotowego

Regulacja wydajności odzysku ciepła na wymienniku obrotowym następuje poprzez zmianę szybkości obrotów wymiennika, najczęściej osiąganą dzięki wysterowaniu sygnałem 0–10 V z regulatora. Podobnie jak w przypadku regulacji recyrkulacji i wymiennika krzyżowego oraz wymiennika glikolowego, wymiennik obrotowy jest jednym z elementów regulacji sekwencyjnej, gdzie sprzężeniem zwrotnym zamykającym obwód regulacji jest temperatura nawiewu lub pomieszczenia. Jeżeli temperatura nawiewu/pomieszczenia w centrali wentylacyjnej jest zbyt niska, regulator zwiększa sygnał, powodując zwiększenie szybkości obrotowej wymiennika, co powoduje wzrost odzysku ciepła i podwyższenie temperatury nawiewu/pomieszczenia. Jeżeli ilość ciepła odzyskana na wymienniku obrotowym jest niewystarczająca, tzn. temperatura nawiewu/pomieszczenia jest za niska, to następuje uruchamianie kolejnej sekwencji grzewczej, np. nagrzewnicy wodnej.

Podobnie jak dla wymiennika krzyżowego, w przypadku wystąpienia zbyt niskiej wartości na wywiewie, grożącej oblodzeniem, regulator, przyjmując priorytet wartości mniejszej, powoduje zmianę sygnału do wysterowania wydajności odzysku ciepła, skutkującą zmniejszeniem odzysku ciepła i powodującą wzrost temperatury za wymiennikiem (rys. 9).

Zmiana odzysku ciepła na odzysk chłodu

Dla przedstawionych układów odzysku ciepła można wprowadzić funkcję regulacyjną, która spowoduje, że podobnie jak to pokazano dla recyrkulacji w oparciu o różnicę temperatury zewnętrznej i powietrza wywiewanego lub do pomieszczenia (w zależności od ustawionego kryterium), przy zapotrzebowaniu na chłód, gdy temperatura powietrza zewnętrznego będzie wyższa od temperatury powietrza wywiewanego, następuje odwrócenie kierunku działania sygnału wyjściowego do wysterowania wydajności urządzenia odzysku ciepła. Wskutek tego zasysane cieplejsze powietrze zewnętrzne może się ochłodzić, oddając ciepło powietrzu wywiewanemu, dzięki czemu zmniejszone zostanie zapotrzebowanie na moc chłodniczą.

Gdy temperatura pomieszczenia będzie wyższa od zadanej, powodować to będzie zwiększenie, a nie spadek sygnału do urządzenia odzysku ciepła (recyrkulacja, wymiennik krzyżowy, glikolowy lub obrotowy).

Jako kryterium zmiany kierunku odzysku ciepła stosować można przekroczenie nastawionej wartości temperatury zewnętrznej (rys. 10). Gdy temperatura zewnętrzna jest niższa niż nastawiona wartość, następuje odzysk ciepła, gdy jest wyższa – odzysk chłodu. Drugi rodzaj warunku zmiany kierunku odzysku ciepła to osiągnięcie zadanej wartości przez różnicę temperatury powietrza zewnętrznego i pomieszczenia (lub powietrza wywiewanego) (rys. 11). Gdy podczas zapotrzebowania na ciepło temperatura zewnętrzna jest niższa niż temperatura w pomieszczeniu, następuje odzysk ciepła. Kiedy podczas zapotrzebowania na chłód temperatura zewnętrzna jest wyższa od temperatury pomieszczenia, następuje odzysk chłodu.

W przypadku systemów z wymianą masy (wymienniki obrotowe higroskopijne) i regulacją wilgotności w pomieszczeniu kryterium odwrócenia kierunku działania odzysku może być oparte na porównaniu wartości entalpii powietrza wywiewanego oraz powietrza zewnętrznego.

Więcej o automatyce w wentylacji w książce:„Systemy regulacji automatycznej w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych”, dostępnej m.in. naksiegarniatechniczna.com.pl

Literatura

1. Romanowski Andrzej, Systemy regulacji automatycznej w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, Grupa MEDIUM, Warszawa 2019.
2. Siemens, materiały informacyjno-techniczne firmy.
3. Swegon, materiały informacyjno-techniczne firmy.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!