Sterowanie pracą wentylatorów w systemach VAV

W niniejszej publikacji omówiono różne możliwości sterowania pracą wentylatorów w układach ze zmiennymi strumieniami powietrza. Wybór sposobu sterowania zależy od warunków eksploatacji układów powietrznych w cyklu całorocznym. Przeprowadzono także analizę pracy instalacji powietrznych z regulatorami przepływu. Określono układy ciśnienia powietrza w instalacji i wymagane spręże wentylatorów w zależności od sposobu sterowania ich pracą.

Koszty energii do procesów uzdatniania i transportu powietrza stanowią zasadniczą część kosztów eksploatacyjnych układów klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. Dlatego aspekt ograniczania tej energii należy dokładnie analizować, dla różnych warunków pracy urządzeń, a przyjmowane rozwiązania technologiczne układów powietrznych powinny zapewniać energooszczędną ich eksploatację dostosowaną do chwilowych warunków zewnętrznych i wewnętrznych.
W celu ograniczenia zapotrzebowania energii do procesów uzdatniania powietrza stosowane są różnego rodzaju układy przekazywania energii z powietrza wywiewanego do uzdatnianego powietrza zewnętrznego. Ponadto na koszty uzdatniania powietrza wpływa czas eksploatacji urządzeń, wielkości strumieni powietrza uzdatnianego oraz wymagane zmiany entalpii właściwej powietrza uzdatnianego. Zmniejszenie zapotrzebowania energii do transportu powietrza uzyskiwane jest przez ograniczenie strumieni powietrza transportowanego lub ograniczenie dobowego czasu eksploatacji urządzeń klimatyzacyjnych bądź wentylacyjnych.
Zależności pomiędzy zapotrzebowaniem mocy silników do napędu wentylatorów a wartością strumieni powietrza przedstawiono graficznie na rysunku 1.

Przedstawione zależności odniesiono do maksymalnego strumienia powietrza Vmax transportowanego w układach powietrznych, przy którym zapotrzebowanie mocy silnika Nmax jest największe. Dla takich warunków pracy zespół wentylator-silnik powinien mieć największą sprawność.
Krzywe 1 i 2 zamieszczone na tym rysunku, przedstawiają zależności pomiędzy względnym (V/Vmax) strumieniem powietrza transportowanego a względnym (N/Nmax) zapotrzebowaniem mocy do napędu wentylatora. Krzywa 1 przedstawia idealne warunki współpracy zespołu wentylator-silnik z całym układem powietrznym. W rzeczywistości współpraca ta odbiega od warunków idealnych, a uzyskiwane efekty ograniczenia zapotrzebowania mocy do napędu wentylatora są nieco mniejsze. Krzywa 2 przedstawia przykładową zależność pomiędzy względnym strumieniem powietrza V/Vmax a względnym zapotrzebowaniem mocy do napędu wentylatora (N/Nmax) przy zmieniającej się sprawności zespołu wentylator-silnik. Maksymalna sprawność zespołu wentylator-silnik osiągana jest przy maksymalnym strumieniu powietrza, dla V/Vmax = 1. Natomiast sprawność zespołu obniża się przy ograniczaniu prędkości obrotowej wentylatora celem zmniejszania strumienia powietrza. Zasadniczo we wszystkich układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych wyposażonych w filtry do oczyszczania powietrza, zmienia się charakterystyka hydrauliczna. Zachodzące zmiany są efektem wzrostu oporów przepływu powietrza przez eksploatowane filtry i następują samoczynnie bez żadnej celowej ingerencji. Przy niezmiennym stanie filtrów możemy przyjąć, że charakterystyka hydrauliczna jest stała niezależna od warunków zewnętrznych i wewnętrznych. W dalszej części takie instalacje powietrzne określane będą jako układy o stałych charakterystykach hydraulicznych. Natomiast układy powietrzne wyposażone w elementy do regulacji strumieni powietrza wentylujących poszczególne pomieszczenia bądź strefy, określane będą jako układy o zmiennych charakterystykach hydraulicznych.
Układy powietrzne o... stałych charakterystykach hydraulicznych
W przypadku układów powietrznych o stałych charakterystykach hydraulicznych, zmiany strumieni zachodzą proporcjonalnie dla całej instalacji. Regulacja wydajności realizowana jest tylko przez zmiany prędkości obrotowych wentylatorów. Na rysunku 2 przedstawiono układ klimatyzacyjny ze zmiennymi strumieniami powietrza wentylującego i częściową recyrkulacją powietrza wywiewanego w którym regulacja strumienia następuje proporcjonalnie dla całej instalacji. Takie rozwiązanie może być stosowane do kształtowania parametrów powietrza w pomieszczeniach, w których bilanse cieplne i wilgotnościowe są stałe lub bilanse te zmieniają się podobnie we wszystkich pomieszczeniach.

W przypadku sterowania układami z recyrkulacją i zmiennymi strumieniami powietrza, należy zawsze zapewnić napływ, do wszystkich pomieszczeń, minimalnego strumienia powietrza zewnętrznego zapewniającego wymagane warunki higieniczne.

Na rysunku 3 przedstawiono schemat układu wentylacyjnego ze zmiennymi i strumieniami powietrza, odzyskiem energii z powietrza wywiewanego oraz nagrzewnicami strefowymi.
W układzie tym sterowanie uzdatnianiem powietrza realizowane jest w funkcji przyrostu temperatury powietrza w pomieszczeniu o maksymalnych zyskach ciepła. Czujnik przepływu powietrza Cv zapewnia minimalne niezbędne strumienie powietrza wentylującego dla wszystkich pomieszczeń. Recyrkulacja ilościowa następuje z chwilą, gdy we wszystkich pomieszczeniach bilanse cieplne będą mniejsze od obliczeniowych. Regulacja ilościowa urządzenia wentylacyjnego powinna być realizowana aż do osiągnięcia minimalnego strumienia powietrza uzdatnianego centralnie. Po zmniejszeniu strumienia do wartości minimalnej prowadzona jest regulacja jakościowa.
...zmiennych charakterystykach hydraulicznych
(...)
Regulacja pracy wentylatorów ciśnieniem powietrza w instalacji
(...)
Sterowanie pracą wentylatorów regulatorami przepływu powietrza
(...)
Rozkład ciśnienia powietrza w instalacji
(...)
Podsumowanie
W systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych ze zmiennymi strumieniami powietrza i regulatorami przepływu powszechnie stosowane jest sterowanie pracą wentylatorów w funkcji stałego ciśnienia statycznego powietrza w wybranym punkcie instalacji, w którym montowany jest czujnik ciśnienia. Możliwe jest również stosowanie wentylatorami w funkcji zmiennego ciśnienia, zależnego od chwilowych strumieni powietrza transportowanych przez instalację. Takie rozwiązanie pozwala na ograniczenie ciśnienia powietrza w instalacji w części z regulatorami przepływu. Konsekwencją jest zmniejszenie sprężu wentylatora po stronie z regulatorami dla mniejszych strumieni. Racjonalnym sposobem sterowania pracą wentylatorów jest ich regulacja w funkcji otwarcia przepustnic w regulatorach przepływu. Maksymalnie otwarta powinna być przepustnica w regulatorze zainstalowanym w układzie o największych oporach przepływu powietrza. W pozostałych regulatorach przepustnice będą przymykane w stopniu zapewniającym przepływ wymagany w danej chwili. Regulator z otwartą przepustnicą będzie regulatorem sterującym. Zmiany strumieni powietrza przez poszczególne regulatory wywołują zmiany układu ciśnienia powietrza w instalacji (co może spowodować zmianę regulatora sterującego). Prawidłowe sterowanie pracą wentylatorów bezpośrednio z regulatorów pozwala na zminimalizowanie parametrów pracy wentylatorów w układach powietrznych o zmiennych charakterystykach hydraulicznych.

Pełna treść artykułu w wydaniu 4/2009 Chłodnictwo&Klimatyzacja