Instalacje ze zmienną ilością powietrza VAV

U źródła powstawania koncepcji instalacji wentylacyjnej ze zmienną ilością powietrza leżała potrzeba ograniczenia zużycia energii z jednoczesnym zapewnieniem optymalnych warunków komfortu w pomieszczeniach. W odróżnieniu od systemów ze stałym przepływem, regulacja parametrów odbywa się poprzez zmianę strumienia objętości doprowadzanego powietrza wentylacyjnego. Pomimo tego, że rozwój układów VAV sięga lat 70. i są to instalacje znane, ich stosowanie w naszym kraju należy jeszcze do rzadkości. Dlatego też warto przypomnieć podstawowe cechy tych systemów.

Systemy VAV
Istnieje bardzo wiele różnych wariantów konstruowania sieci ze zmienną ilością powietrza. Jednym z możliwych
podziałów jest wyróżnienie systemów jedno- i dwuprzewodowych.

...jednoprzewodowe
W rozwiązaniu pokazanym na rys. 1, powietrze o temperaturze wynoszącej zwykle ~15°C, rozprowadzane jest
do pomieszczeń. W poszczególnych odgałęzieniach zainstalowane są regulatory, utrzymujące przepływ na
wymaganym poziomie. Podobne urządzenia regulacyjne zainstalowane są w części wywiewnej, aczkolwiek
w bardzo małych układach, dopuszcza się ich pominięcie. O wartości strumienia objętości powietrza, decyduje
sygnał z regulatora temperatury znajdującego się w pomieszczeniu. Na charakterystyce regulacyjnej (rys. 2)
widać jak zmienia się ilość powietrza w funkcji obciążenia cieplnego pomieszczenia. I właśnie w tym miejscu
pojawiają się pierwsze ograniczenia. Ze względu na pracujące w pomieszczeniu osoby, powinna zostać
doprowadzona odpowiednia ilość powietrza. Stąd też na wykresie została naniesiona linia graniczna, poniżej
której wydajność układu nigdy nie może spaść.

Rys. 1 Jednoprzewodowy system VAV

Rys. 2 Charakterystyka regulacyjna, zmiana strumienia objętości powietrza
w funkcji obciążenia
cieplnego pomieszczenia
Uwaga!:
• W systemie VAV, minimalna doprowadzana ilość powietrza zewnętrznego nie może być
mniejsza od minimum wynikającego z ilości osób przebywających w pomieszczeniu
• Uzasadnieniem do stosowania systemów
VAV jest zmienność w czasie zysków
ciepła lub zapotrzebowania powietrza oraz
zróżnicowanie tych wielkości pomiędzy poszczególnymi
pomieszczeniami

Pokazany powyżej system może jedynie zapewniać asymilację zysków. Nie jest jednak przygotowany do pełnienia
funkcji ogrzewania i pokrywania strat ciepła. Uzyskanie takiej własności jest możliwe po rozbudowaniu układu
o dodatkowe nagrzewnice strefowe, co pokazano na rys. 3. W takim wypadku pewnym modyfikacjom ulegnie
także proces regulacji. Jedną z możliwości jego realizacji pokazano na rys. 4. Wraz ze zmniejszającym się
obciążeniem cieplnym pomieszczenia, zmniejsza się strumień powietrza, aż do wartości minimalnej. Dalej,
w przypadku występowania strat ciepła, nagrzewnice strefowe podnoszą temperaturę nawiewu. Jeżeli ta
temperatura podlega pewnym ograniczeniom (tNMAX), w dalszej fazie zwiększa się przepływ powietrza.

Rys. 3 System jednoprzewodowy z nagrzewnicami strefowymi

Rys. 4 Charakterystyka regulacyjna, zmiana strumienia objętości powietrza i temperatury nawiewu
w układzie z nagrzewnicami strefowymi
...dwuprzewodowe
O wiele bardziej rozbudowanym od poprzedniego, jest system dwuprzewodowy (rys. 5). Charakterystyczną cechą
układu jest występowanie dwóch równoległych instalacji, powietrza zimnego i ciepłego. W zakończeniach
odgałęzień sieci instalowane są skrzynki zapewniające regulację poszczególnych strumieni i ich zmieszanie.
Powietrze zimne rozprowadzane jest tak jak poprzednio, o temperaturze ~12÷15°C. Temperatura powietrza
ciepłego może dochodzić nawet do ~35÷40°C. Oczywiście uzależniona jest ona od panujących warunków
zewnętrznych. W skrajnym przypadku, w okresie letnim, kiedy nie ma strat, powietrze ciepłe może nie być
w ogóle ogrzewane, a jedynie doprowadzane w temperaturze panującej na zewnątrz. Zasadę realizacji procesu
regulacji pokazano na rys. 6. Interesujący jest ten obszar wykresu, w którym następuje mieszanie strumieni.
Zawsze suma ilości powietrza ciepłego i zimnego nie może spaść poniżej wymaganego minimum.
System dwuprzewodowy VAV, poza tym, że jest bardzo zaawansowany technologicznie, ma pewną istotną wadę.
Sieć przewodów jest bardziej skomplikowana i zajmuje dużo więcej miejsca.

Rys. 5 System dwuprzewodowy

Rys. 6 Uproszczona charakterystyka regulacyjna
realizowana w systemie dwuprzewodowym,
zmiana objętości strumieni zimnego i ciepłego
w funkcji obciążenia cieplnego pomieszczenia

Podstawowa cecha układu VAV
Głównym założeniem w działaniu układu
ze zmienną ilością powietrza jest prowadzenie
regulacji ilościowej, poprzez
zmianę strumienia doprowadzanego powietrza,
w zależności od obciążenia
cieplnego pomieszczeń Q. W układach
CAV, efekt taki uzyskuje się, zmieniając
temperaturę nawiewu, czyli na drodze
regulacji jakościowej. Natomiast ilość
powietrza w systemie CAV jest stała,
obliczona na odebranie maksymalnych
zysków ciepła, zupełnie niezależnie od
tego, czy zapotrzebowanie na taką ilość
powietrza w poszczególnych pomieszczeniach
występuje w tej samej chwili,
czy nie. W praktyce jednak okazuje się,
że w skali całego budynku może pojawiać
się znaczne zróżnicowanie w czasie
maksymalnych zysków ciepła QMAX,
w poszczególnych pomieszczeniach.
Współczynnik jednoczesności wynosi
średnio ok. 0,7÷0,8. Instalacja VAV
potrafi to wykorzystać, kierując do
poszczególnych części sieci tylko takie
ilości powietrza, jakie są w danej chwili
potrzebne. Wynika z tego kolejna cecha
i zarazem główna zaleta VAV: układ taki
może być projektowany na mniejsze
przepływy, co w konsekwencji prowadzi
do zmniejszenia wielkości przewodów,
urządzeń i oszczędności energii. Ogólne
różnice w podejściu do projektowania
systemów, zostały ujęte w pokazanych
niżej zależnościach. Oczywiście, aby zastosowanie
układu VAV miało sens, musi
występować zmienność zapotrzebowania
powietrza dla pomieszczeń, czy części
budynku obsługiwanych przez tą samą
sieć wentylacyjną.
Regulatory przepływu
Są elementami, bez których system ze
zmienną ilością powietrza VAV by nie istniał! Dlatego warto poświęcić im trochę
uwagi. Konstrukcja takiego urządzenia
zawiera w sobie element do pomiaru przepływu, moduł elektroniczny, często zintegrowany
z przetwornikiem różnicy ciśnienia
i siłownikiem przepustnicy oraz samą przepustnicę.
Wartość zadana przepływu dociera
do regulatora z układów monitorujących
temperaturę w pomieszczeniu (rys. 7).
Charakterystyczne nastawy regulatora, to
wartości strumienia maksymalnego i minimalnego,
które powinny zostać określone
na etapie projektu. W samym regulatorze
przepływu, można te wielkości ustawić.
W zależności od konstrukcji, zmiany nastaw
dokonuje się ręcznie, pokrętłami na
module regulatora lub za pomocą odpowiedniego
oprogramowania. Nie jest wymagane
stosowanie identycznych urządzeń
w sieci nawiewnej i wywiewnej, podobnie
jak liczba regulatorów nie musi być taka
sama (rys. 7). Wszystko zależy od konfiguracji
sieci, koncepcji rozdziału powietrza,
ilości miejsca itp. Ciekawym przykładem
jest zastosowanie wspólnego regulatora na
wywiewie, obsługującego kilka pomieszczeń
(rys. 8). W takim rozwiązaniu pomiar
przepływu będącego nastawą dla regulatora,
odbywa się na zbiorczym przewodzie
powietrza nawiewnego.

Rys. 7 Przykład jednej z możliwości połączenia regulatorów – układ
równoległy

Rys. 8 Zastosowanie
wspólnego
regulatora
na wywiewie

Poza właściwym zakresem wydajności należy pamiętać o poprawnej lokalizacji tych
urządzeń w sieci przewodów (rys. 9). Ze
względu na konieczność określania prędkości
powietrza, obowiązują wszelkie zasady
lokalizacji przekrojów przy pomiarach przepływu. Chodzi głównie o zapewnienie równomiernego
napływu powietrza na elementy
pomiarowe. Warto więc zajrzeć do katalogów
producentów i zobaczyć w jakich warunkach
montażu zapewniona jest deklarowana
dokładność urządzeń. Niestety,
nawet w nowoczesnych obiektach, spotyka
się regulatory zainstalowane w taki sposób,
że ich poprawność regulacji jest żadna.

Rys. 9 Zasady lokalizacji regulatora przepływu
Ciśnienie w sieci przewodów
W instalacji VAV chcąc uzyskać odpowiednie
efekty ekonomiczne, należy obniżać wydajność wentylatora do wymaganej
w danych warunkach, jednocześnie
pamiętając o zapewnieniu minimalnego
ciśnienia przed regulatorami przepływu.
Stąd też występowanie w układach ze
zmienną ilością powietrza, elementów
pomiaru i regulacji ciśnienia. Jak się
okazuje od ich lokalizacji może zależeć
poprawność działania całego systemu.
W najprostszym rozwiązaniu czujnik pomiaru
ciśnienia statycznego zainstalowany
jest bezpośrednio za wentylatorem nawiewnym
(rys. 10a). Wszystko ma szansę
działać poprawnie, ale tylko w bardzo małych, nierozbudowanych sieciach. W normalnych,
rozgałęźnych układach wentylacyjnych,
taka lokalizacja czujnika nie
odzwierciedla warunków panujących w poszczególnych
punktach instalacji. Dlatego
instalowanie czujnika bezpośrednio na wylocie
z centrali, w znakomitej większości
przypadków, się nie sprawdza. Co najgorsze,
rozwiązanie to jest często stosowane
przez wykonawców, kierujących się jedynie
łatwością wykonania takiego układu.
O wiele właściwszym rozwiązaniem jest
umiejscowienie czujnika ciśnienia statycznego
w większej odległości, w punkcie
reprezentatywnym dla całej sieci. Ogólne
zalecenia mówią o odległości wynoszącej
2/3 całej długości instalacji lub punkcie, do
którego spadek ciśnienia osiągnie 2/3 wartości
maksymalnej (rys. 10b). Jednak i tym razem,
proponowana lokalizacja nie jest wolna
od wad. Może się zdarzyć, że w gałęzi, na
której znajduje się czujnik, regulatory przepływu zaczną się zamykać. Nastąpi wzrost
mierzonego ciśnienia, a w konsekwencji obniżenie prędkości obrotowej i wydajności
wentylatora. Jeżeli w tym samym czasie
w innej gałęzi, nieobjętej pomiarem, wystąpi zapotrzebowanie na duże ilości powietrza,
może się okazać, że wydajność układu
jest niewystarczająca. Dlatego też warto stosować
pomiar wielopunktowy i dopiero na
tej podstawie dokonywać regulacji (rys. 11).

Rys. 10 Umieszczenie czujnika ciśnienia statycznego: a) bezpośrednio
za wentylatorem i właściwsze, b) na sieci przewodów

Rys. 11 Wielopunktowy pomiar ciśnienia statycznego
Jednak najbardziej zawansowane systemy
z optymalizacją ciśnienia statycznego, działają na nieco innej zasadzie. Nadrzędny
sterownik odczytuje dane pochodzące ze
wszystkich regulatorów przepływu. W fazie
regulacji następuje określenie regulatora
pracującego w danej chwili w najbardziej
niekorzystnych warunkach, to jest takiego,
w którym właściwy przepływ występuje już
dla całkowicie otwartej przepustnicy. I właśnie
ze względu na ten regulator dobierane
są obroty wentylatora (rys. 12). Warto się
przyjrzeć takim układom, tym bardziej, że
są one osiągalne na rynku.

Rys. 12 Układ regulujący ciśnienie ze względu na najbardziej niekorzystny regulator

Elementy nawiewne
Funkcjonowanie układu w zakresie dużej
zmienności przepływu, stwarza trudne
warunki pracy elementów dostarczających
powietrze do pomieszczeń. Klasyczne nawiewniki,
z reguły przystosowane są do
działania z pewną minimalną ilością
powietrza. Wiąże się to bezpośrednio z koniecznością właściwego ukształtowania
strumienia nawiewnego. Spadek prędkości
wypływu na skutek regulacji ilości powietrza
w systemie VAV, może na tyle
zmniejszyć energię strumienia, że zacznie
się on rozwijać niezgodnie do wcześniejszych
założeń. Głównym, niekorzystnym
efektem spadku prędkości wypływu poniżej dopuszczalnej, jest spadek zasięgu
i niekontrolowane opadanie zimnego powietrza
do strefy przebywania ludzi, wywołujące wrażenia przeciągu. Dlatego też
w fazie realizacji projektu warto zastanowić
się, w jakim zakresie zmienności
przepływu mogą pracować różne rodzaje
elementów nawiewnych. W praktyce, za
niezalecane można uznać nawiewniki ze
strumieniem swobodnym, takie jak klasyczne
kratki nawiewne. O wiele lepiej
sprawdzają się elementy ze strumieniem
półograniczonym (przylepionym), szczególnie
szczeliny nawiewne (rys. 13). Najszerszy
zakres pracy, bo od 0 do 100%
wydajności nominalnej, mają nawiewniki
wyporowe. Jednak trzeba zwrócić uwagę,
że pomimo takiej własności tych elementów,
ich stosowanie nie musi oznaczać
zmniejszenia ilości powietrza w całej
instalacji, ze względu na małą różnicę
temperatury ∆tN pomiędzy powietrzem
nawiewanym, a powietrzem w pomieszczeniu.
W przypadku projektowania instalacji
ze zmienną ilością powietrza należy
także wziąć pod uwagę zastosowanies pecjalnych, dedykowanych do sieci VAV
nawiewników, wyposażonych w elementy
regulacyjne, utrzymujące prędkość wypływu
na właściwym poziomie. Elementy takie
są w stanie zapewniæ właściwy rozdział
powietrza w szerokim zakresie wydajności.

Uwaga! W trakcie regulacji ilości powietrza
w układzie VAV strumień
objętości nie powinien spadać poniżej
wymaganego dla zastosowanych elementów
nawiewnych.

Rys. 13 Zakresy
pracy elementów
nawiewnych

Zużycie energii przez wentylator
Jak wspomniano wcześniej, główną zaletą
omawianych systemów jest oszczędność
energii wynikająca ze zredukowania ilości
powietrza. W przypadku wentylatorów, zapotrzebowanie
mocy do ich napędu jest
wprost proporcjonalne do wydajności i wytwarzanej
różnicy ciśnienia, a odwrotnie
proporcjonalne do sprawności. Jest oczywiste,
że zmniejszanie przepływu i ciśnienia
prowadzi do obniżenia zużycia energii. Problemem
pozostaje tylko sprawność, która
się niestety też zmienia. Na całkowitą
sprawność urządzenia składają się: sprawność
wentylatora (najczęściej 0,7÷0,9),
sprawność silnika (~0,95), falownika
(~0,96) i przekładni (najczęściej
0,96÷0,98). W miarę obniżania obrotów
wielkości te zmniejszają się w różnym
stopniu. Największej zmianie podlega
sprawność samego wentylatora. Aby to
oszacować należałoby posłużyć się charakterystykami
konkretnych urządzeń. Rzeczywiste
zmniejszenie zużycia energii
będzie zależało od takich czynników, jak:
stopień zmian strumienia powietrza, stopień
spadku sprawności dla obniżonego
strumienia powietrza, czy możliwość ograniczenia
ciśnienia w sieci przewodów.
Ogólnie można stwierdzić, że w danych
warunkach, zapotrzebowanie mocy w układach
VAV, może spadać o 30÷70%. Dodatkowe
oszczędności, to obniżenie kosztów
przygotowania powietrza w innych elementach
centrali, chłodnicy, nagrzewnicy itp.
VAV – zalety i wady układów
Zalety
Oczywiście nie sposób jest omawiać system, nie
podając jego charakterystycznych cech. Wypunktowane
poniżej zalety należy rozumieć jako różnicę
w stosunku do klasycznych układów ze stałą
ilością powietrza, czy instalacji z urządzeniami
typu fan-coil.
Do podstawowych zalet systemów VAV należą:
• indywidualna regulacja parametrów powietrza
w pomieszczeniach;
• brak konieczności prowadzenia w budynku
instalacji wody lodowej;
• zmniejszenie kosztów sieci przewodów;
• niższe koszty urządzeń przygotowania powietrza;
• mniejsze zużycie energii przez wentylatory;
• bardzo łatwy proces uruchamiania i regulacji
sieci;
• możliwość ciągłego monitoringu wartości strumieni
w poszczególnych gałęziach sieci przewodów;
• możliwość centralnego sterowania przepływem
powietrza w instalacji;
• elastyczność systemu – zdolność do dostosowywania
do nowych potrzeb.

Uwaga! Warto zwrócić uwagę na trzy ostatnie
punkty. Mówią one o własnościach systemu
nadzwyczaj przydatnych w trakcie jego
eksploatacji. Problemem współczesnych
biurowców jest ciągła przebudowa przestrzeni
wewnętrznych, zmienianie przeznaczenia
pomieszczeń, liczby pracujących
osób itp. W konsekwencji ulega zmianie
zapotrzebowanie powietrza w poszczególnych
częściach instalacji. Jedynie układy VAV,
wyposażone standardowo w elementy regulacji
przepływu, dają znaczną elastyczność
w tym zakresie.

Wady
A że nie ma systemów bez wad, przyjrzyjmy się,
jakie są jego negatywne cechy:
• rozbudowany układ automatyki;
• konieczność zamontowania z reguły znacznej
liczby regulatorów przepływu i odpowiedniego
okablowania;
• ze względu na regulację dławieniową, mogące
się pojawić gorsze parametry akustyczne sieci;
• konieczność stosowania odpowiednich elementów
nawiewnych;
• bardziej skomplikowany, niż w przypadku CAV,
proces projektowania (duża wrażliwość na błędy
projektowe).

dr inż. Jacek Hendiger
Instytut Ogrzewnictwa
i Wentylacji
Politechniki Warszawskiej

Źródła informacji
Niestety, w wypadku literatury krajowej,
nie jest ich zbyt wiele. Wprawdzie w ciągu ostatnich lat pojawiają się publikacje
poświęcone tematyce systemów ze
zmienną ilością powietrza, brak jest jednak
jednolitego opracowania, czy zaleceń
projektowych. O wiele większy wybór oferują materiały zagraniczne, szczególnie
amerykańskie. Poniżej przytoczono wybrane
tytuły, które pojawiły się w polskich
czasopismach i książki zawierające informację
nas temat omawianych systemów:
- Dyrcz J.: Systemy klimatyzacji o zmiennej objętości
powietrza (V.A.V), Ciepłownictwo
Ogrzewnictwo Wentylacja 8/1977,
- Dobrut A.: Systemy klimatyzacji ze zmienną ilością powietrza, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo
Wentylacja 6/1980,
- Hendiger J.: Pomiar i regulacja ilości powietrza
wentylacyjnego, Polski Instalator 9/1995
- Zawada B.: Porównanie zużycia energii elektrycznej
wymaganej do napędu wentylatora w systemach
wentylacji ze stałą i zmienną iloścą¹ powietrza
(1), Chłodnictwo i Klimatyzacja 9/2001,
- Zawada B.: Porównanie zużycia energii elektrycznej
wymaganej do napędu wentylatora w systemach
wentylacji ze stałą i zmienną ilością powietrza (2),
Chłodnictwo i Klimatyzacja 10/2001,
- Gwizda M.: Systemy VAV – część 1: VAV tradycyjne,
część 2: VAV indukcyjne, część 3: VAV indukcyjne
– obliczenia, www.wentylacja.com.pl,
- Iwaniuk A.: Systemy ze zmienną ilością powietrza,
Chłodnictwo i Klimatyzacja 4/2002
- Konka W.: Systemy zmiennego wydatku powietrza,
tzw. VAV – Variable Air Volume, Ciepłownictwo
Ogrzewnictwo Wentylacja 10/2003,
- Konka W., Cierpikowski M.: Systemy zmiennego
przeł³ywu powietrza jednokanałowe – regulacja
nadążna master/slave, tzw. master/slave
VAV, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja
10/2003
- Przydrożny S.: Wentylacja, Wydawnictwo Politechniki
Wrocławskiej 1991,
- Recknagel, Sprenger, Honmann, Schramek:
Ogrzewanie i klimatyzacja – Poradnik,
EWFE-Polonia 1994
W niniejszym opracowaniu, autor wykorzystał
również informacje zawarte w Variable Air
Volume Systems for Environmental Quality,
autorstwa Chen S. i Demster S., Variable Air
Volume System Design Guide oraz ASHRAE
Handbook.
Źródło: