Wyznaczanie sprawności systemu wentylacji i klimatyzacji

Systemy wentylacji i klimatyzacji, pod względem zastosowanych w nich podzespołów i urządzeń, należą do grupy instalacji projektowanych indywidualnie według potrzeb użytkownika. Przedstawiane przez producentów parametry techniczne poszczególnych elementów użytych do przygotowania instalacji wentylacyjnej odnoszą się jedynie do samego podzespołu i często nie uwzględniają jego zachowania się po włączeniu go do całej instalacji. Zachodzi wobec tego konieczność zastosowania wspólnego wyznacznika, który określi sprawność funkcjonowania kompletnego systemu wentylacji budynku w odniesieniu do pracy najważniejszego jej elementu – wentylatora.

Parametry pracy zespołu wentylatorowego w centrali klimatyzacyjnej dobierane są indywidualnie dla wymaganego objętościowego strumienia powietrza i oporów całej sieci wentylacyjnej (traktując również samą centralę klimatyzacyjną jako element sieci). Oszczędna praca wentylatorów to, obok systemów odzysku energii, najważniejszy aspekt brany pod uwagę podczas określania kosztów eksploatacyjnych systemu. W przeciwieństwie do okresowej pracy wyżej już wspomnianych układów odzysku energii, nagrzewnic, chłodnic oraz innych typowych elementów centrali, zespoły wentylatorowe pracują przez cały czas jej użytkowania.
Prawidłowo projektowana sieć wentylacyjna, to dążenie do ograniczenia liniowych prędkości przepływu powietrza, podyktowane potrzebą redukowania oporów przepływu na wszystkich jej odcinkach. Zwiększone opory wymuszają konieczność odpowiedniego zwiększenia ciśnienia spiętrzenia wentylatora tak, aby w określonych warunkach zapewnione było dostarczenie do pomieszczeń wymaganej ilości powietrza. Tendencja do zmniejszania prędkości liniowych w kanałach podyktowana jest również potrzebą ograniczania poziomu hałasu generowanego przez wentylator.
Znając wartość objętościowego natężenia przepływu przy danym spiętrzeniu wentylatora, moc elektryczna potrzebna do jego pracy obliczana jest w/g równania:

gdzie:
- objętościowe natężenie przepływu [m3/s]
- przyrost ciśnienia generowany na analizowanym wentylatorze [kPa]
- sprawności poszczególnych elementów wchodzących w skład zespołu wentylatorowego lub elementów bezpośrednio z nim współpracujących.
Objętościowe natężenie przepływu wynika z założeń projektowych systemu wentylacji dla danego budynku. Z tego powodu nie mamy możliwość zmiany powyższej wartości. Pozostałe parametry równania mogą się natomiast zmieniać. Czynnikiem, który zasadniczo wpływa na zużycie energii elektrycznej jest przyrost ciśnienia generowany przez wentylator. Ten zaś jest w pełni zależny od kwadratu liniowych prędkości przepływu powietrza w obrębie sieci.
Jak widać, przytoczony powyżej łańcuch zależności łączący w sobie zużycie energii elektrycznej, przyrost ciśnienia w wentylatorze oraz prędkości przepływu powietrza w kanałach jednoznacznie przemawia za koniecznością ograniczania tego ostatniego parametru.
Jedyną metodą obniżenia liniowych prędkości przepływu w instalacji jest zwiększenie pola przekroju przewodów wentylacyjnych jak i okna samej centrali klimatyzacyjnej. Jednak względy ekonomiczne, technologiczne a także estetyczne narzucają pewne ograniczenia. Konieczne jest wobec tego osiągnięcie kompromisu pomiędzy stosowanymi prędkościami przepływu a gabarytami elementów sieci, a w efekcie uzyskania optymalnej energetycznie instalacji wentylacyjnej.
SFP – energetyczny wskaźnik sprawności instalacji wentylacyjnej
Okazuje się, iż można dokonywać analiz eksploatacyjnych różnych rozwiązań sieci wentylacyjnych nawet w ramach tego samego projektu. Dla potrzeb wyznaczenia sprawności instalacji wentylacyjnej w odniesieniu do mocy elektrycznej konsumowanej przez wentylatory został zdefiniowany współczynnik efektywności energetycznej SFP ( ang. Specific Fan Power). Określa on stosunek zużycia energii elektrycznej konsumowanej przez zespół wentylatorowy do ilości powietrza doprowadzonego i/lub odprowadzonego przez układ wentylacji mechanicznej w jednostce czasu. Jako jedyny parametr uwzględnia on charakterystykę przepływu powietrza przez centralę klimatyzacyjną jak również przez całą sieć, opisując wszystko jedną wspólną wartością.
Wartość współczynnika w zależności od rozwiązania sieci wentylacyjnej posiada postać:
• układ nawiewno-wywiewny

• układ nawiewny

• układ wywiewny

gdzie:
- objętościowe natężenie przepływu przyjmowane odpowiednio większe dla układu nawiewnego lub wywiewnego [m3/s] lub [m3/h]
Pel_nawiew – moc elektryczna konsumowana przez zespół wentylatorowy układu nawiewnego [kW] lub [W]
Pel_wywiew – moc elektryczna konsumowana przez zespół wentylatorowy układu wywiewnego [kW] lub [W].
Producenci central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, jako dostawcy urządzeń mających znaczący wpływ na wartość oporów przepływu w całej instalacji, mają również ogromny wpływ na wartość poniesionych kosztów eksploatacyjnych. Badania zewnętrzne oraz analizy wykonane przez VTS wykazały, iż optymalnymi liniowymi prędkościami przepływu w swobodnym przekroju urządzeń, które są kompromisem pomiędzy inwestycją, eksploatacją oraz komfortem pracy systemu, są prędkości w zakresie 1,8 a 2,5 m/s. Mając na względzie, iż przy obecnych wymogach obróbki powietrza, każda centrala wentylacyjna nawiewna posiada w swoim wyposażeniu przynajmniej jeden wymiennik ciepła, autorytatywną wartością prędkości przepływu powietrza staje się prędkość w przekroju czynnym tego wymiennika. Dla tak zdefiniowanych wyżej wielkości, prędkość ta będzie oscylować w obrębie wartości 2,6 m/s, a to z kolei będzie odpowiadać wskaźnikowi sprawności instalacji wentylacyjnej SFP na średnim poziomie 0,55 W/m3/h (rys.).


Źródło: „Improved Life Cycle Performance of Mechanical Ventilation Systems”

Autor: Simon Law Beng AMIMechE, Steve Irving BSc (Eng) FREng Ceng FCIBSE MinstE MASHRAE
Rys. 1 Sprawność instalacji wetylacyjnej SFP na poziomie 0,55 W/m2


Rys. 2 Współczynnik SFP dla cenrali nawiewno-wywiewnej HC (nagrzewnica, chłodnica) + FV (wentylator wywiewny) odpowiednio przy średnich prędkościach przepływu 2,6 m/s oraz 3,5 m/s


Rys. 3 Współczynnik SFP dla cenrali nawiewnej HC (nagrzewnica, chłodnica) odpowiednio przy średnich prędkościach przepływu 2,6 m/s oraz 3,5 m/s
Dla przedstawionych wartości liniowych prędkości przepływu poziom hałasu generowany przez wentylatory osiąga stosunkowo niską wartość, którą możemy zdefiniować przy pomocy wzoru:

gdzie:
Lws – współczynnik korekcyjny 1+-4dB
V – objętościowe natężenie przepływu,
Δpt – spiętrzenie wentylatora Δpt ~v2
Dzięki temu występuje małe prawdopodobieństwo stosowania w tłumików szumu, co z kolei zmniejsza koszt centrali oraz jej rozmiary.
Przy założeniu poprawnie zaprojektowanej sieci kanałów wentylacyjnych nie występuje również ryzyko generowania w nich dodatkowego hałasu pochodzącego od przepływającego powietrza. Próba zmniejszania prędkości przepływu poniżej wskazanych wartości 2 m/s nie jest uzasadniona, gdyż koszty inwestycyjne stają się niewspółmiernie wysokie (zastosowanie większej centrali z danego typoszeregu) w stosunku do ewentualnych oszczędności wynikających z niewielkiej poprawy współczynnika SFP. Pełen obraz przedstawionych zależności został przygotowany w postaci tabeli porównawczej dwóch takich samych układów pracujących przy różnej liniowej prędkości przepływu powietrza: Tabela 1: Porównanie rocznego zużycia energii elektrycznej i kosztów pracy wentylatorów dla dwóch układów o tych samych wydajnościach i ciśnieniach dyspozycyjnych, pracujących przy różnych liniowych prędkościach przepływu powietrza
Główne podzespoły centrali klimatyzacyjnej:
- część nawiewna: filtr powietrza klasy F5, regenerator obrotowy, nagrzewnica wodna, chłodnica wodna, zespół wentylatorowy;
- część wywiewna: filtr powietrza klasy F5, zespół wentylatorowy.
Autor: Cyprian Estemberg, VTS