IMI Hydronic Engineering: Optimalizovaná regulace koncových jednotek v soustavě HVAC (I)
Způsoby regulace koncových jednotek/spotřebičů
K hlavním úkolům při projektování vytápěcích, větracích a klimatizačních soustav (dále v textu HVAC) patří zajištění tepelného komfortu v podobě ideální pokojové teploty, snížení spotřeby energie a vytvoření podmínek pro dlouhou životnost navržených zařízení.
Ke splnění těchto úkolů nám pomohou moderní technologie za předpokladu, že využijeme jejich plný potenciál a vytvoříme podmínky, za kterých dosahují výrobcem deklarované parametry. A to není jednoduché a vyžaduje to mnoho dovedností a zkušeností.
Volba způsobu regulace řízení výkonu koncových zařízení (zda způsobem „otevřeno-zavřeno“, „3-bodovým signálem“ nebo „plynule“) závisí na reakční době regulované části, na požadované přesnosti řízení teploty a její stabilitě v čase.
Vedle faktoru přesnosti a stability regulace musí vzít projektant v úvahu průběh celkového výkonu dle klimatických podmínek dané oblasti v jednotlivých měsících ve vztahu ke spotřebě energie soustavy (spotřebu energie), zkontrolovat, jak bude soustava účinná v celém rozsahu svého výkonu, a tomu přizpůsobit způsob regulace, popřípadě doplnit systém o další nezbytné prvky a čidla.
Obr. 1
Obecně lze soustavy HVAC rozdělit na 3 hlavní části:
- Výroba (chladicí jednotky, tepelná čerpadla, kotle nebo výměníky);
- Distribuce (čerpadla, potrubí a armatury);
- Spotřeba (otopná tělesa, podlahové vytápění, fancoily, VZT jednotky, ohřívače, chladiče atd.)
Výše uvedené 3 části spolu úzce souvisí a chyba v jednom segmentu zásadně ovlivní efektivitu a provoz ostatních. Jedním z důležitých parametrů je způsob řízení průtoku v soustavě, protože to ovlivňuje vychlazování/ohřívání použité kapaliny (nejčastěji voda), náklady na její čerpání, tepelné ztráty přívodních a vratných potrubí a výkon „spotřebičů“. Značný dopad má průtok soustavou i na spotřebu energie ve výrobní části, protože ovlivňuje energetickou účinnost zdrojů tepla a chladu. Průtok ovlivňuje zapínání jednotlivých zdrojů v kaskádách a spínání různých zdrojů u hybridních sestav, např. kombinací tepelných čerpadel a plynových kotlů atd.
Kolísající průtoky soustavou, a tím i náklady na čerpací práci, jsou přímo spojené s otevíráním a zavíráním regulačních ventilů u spotřebičů během provozu soustavy.
Podobně výkon chladicích jednotek a kondenzačních kotlů závisí na teplotě vratné vody. Teplota zpátečky je však závislá na zvoleném způsobu regulace, tedy na vybraném regulačním ventilu, jeho pohonu a způsobu zapojení.
Způsoby regulace koncových jednotek/spotřebičů
Typická regulační smyčka se skládá z nezbytných komponent, které vytvářejí tzv. regulační řetěz, který má za úkol regulovat výkon daného zařízení tak, aby udržel v dané místnosti nebo jiném HVAC okruhu požadovanou teplotu, ideálně konstantní v daném čase.
Obr. 2
Přesnost regulace závisí přímo na časovém zpoždění mezi odesláním informace do regulátoru a schopností regulátoru změnit výkon dodávaný do místnosti. Časové prodlevy jsou hlavně způsobeny čidlem okolní teploty (pozice a vnitřní doba odezvy), rychlostí pohonu (několik desítek sekund až několik minut) a setrvačností tepelného výměníku (velikost, vodní objem, materiál). Tyto časové prodlevy jsou na obrázku 3 označeny tm1, tm2… Vztah mezi celkovým časem zpoždění a časovou konstantou místnosti (T) indikuje, jak obtížná je regulace.
Obr. 3
Regulátory používané v soustavách HVAC používají 4 režimy.
a) Regulace otevřeno-zavřeno, tj. On-Off
Když se teplota okolí při použití regulace On-Off dostane pod nastavenou hodnotu, regulátor otevře regulační ventil na 100 %. Jakmile dosáhne okolní teplota nastaveného bodu, regulátor ventil úplně uzavře. Ve skutečnosti, abychom se vyhnuli permanentnímu střídání cyklů On-Off, používáme pro nastavenou hodnotu toleranci +/−0,5 °C.
Obr. 4
Záměrem tedy je udržet okolní teplotu na hodnotě 20 °C +/−0,5 °C. Jak jsme uvedli výše, stabilita a přesnost dosažené teploty závisí na časech prodlevy jednotlivých komponent v regulační smyčce. Se zkušenostmi a správnou technologií je obvykle možné dosáhnout uspokojivého výsledku z pohledu pokojové teploty.
Dále si ukážeme, že regulace On-Off, i když může být považována za uspokojivou z hlediska komfortu, tak má ale negativní vliv na průtok a teplotu zpátečky v soustavě, a proto i na celkovou energetickou účinnost, jinými slovy, jak s energií v daném objektu zacházíme.
b) Regulace PWM „Pulzně šířková modulace“
„Pulzně šířková“ regulace vychází z metody elektrické regulace, navržené na zlepšení tepelných charakteristik elektrických konvektorů.
Při této regulaci je rozdíl mezi okolní teplotou a požadovanou nastavenou hodnotou (například 20 °C) monitorován v cyklech. Během časového cyklu je elektrický konvektor zapnutý po dobu, která je úměrná naměřenému rozdílu teplot (obr. 5). Čím větší je rozdíl, tím déle je konvektor zapnut atd. Tato preventivní funkce dokáže vyrovnat výkyvy okolní teploty a zároveň tepelný komfort v místnosti.
Obr. 5
Potíže nastávají v okamžiku nastavení časového intervalu tc. Pokud je nastavený cyklus tc příliš krátký (<5 mn), systém nebude mít dost času na odezvu před změřením nového teplotního rozdílu kvůli času prodlevy pohonů a tepelné setrvačnosti tepelného výměníku. Pokud je tc příliš dlouhý (>20 mn), preventivní funkce, která je vlastně podstatou tohoto způsobu regulace, se ztrácí. Regulátory pulzně šířkové modulace jsou zpravidla naprogramovány s předdefinovaným časovým intervalem, který nebere v úvahu soustavu a regulovanou místnost, což také ovlivňuje jejich výkon.
Tento způsob regulace se hodí pro elektrické soustavy s prakticky okamžitými časy odezvy. Emitory, používající pro přenos tepla kapaliny (teplá nebo studená voda), reagují mnohem pomaleji kvůli času otevření pohonu a regulačního ventilu a také kvůli přenosu tepla z tekutiny do okolí. Ve výsledku je potřeba citlivější regulace a tento režim nabízí jen velmi malé zlepšení v porovnání s regulací On-Off.
c) 3–bodová regulace
Tzn. 3-bodová regulace pomocí 3-cestného směšovacího ventilu (Obr. 6) se běžně používá pro regulaci teploty přívodu, např. ve vytápěcích soustavách v závislosti na venkovní teplotě.
Obr. 6
Pokud není voda dostatečně teplá, regulátor sepne pohon pro otevření ventilu, terminál 3 na obr. 7.
Pokud je teplota příliš vysoká, přepínač se posune na terminál 2, který uzavírá regulační ventil. A v případě, že je teplota vody uspokojivá, přepínač zůstane v neutrální poloze a ventil si zachová aktuální nastavení.
Obr. 7
3-bodová regulace je velice dobrá pro regulaci teploty směšované vody. Rychlost odezvy pohonu a ventilu je v souladu s rychlostí změny teploty směšované vody, výsledná teplota odpovídá poměru míchání přívodní a vratné vody.
Na druhé straně nemůže být 3-bodová regulace použita pro regulaci teploty vzduchu v místnosti. Změny teploty v místnosti trvají příliš dlouho v porovnání s časem otevírání a uzavírání regulačního ventilu, což způsobuje kmitání z jednoho extrému do druhého a v regulační smyčce to vede k chování On-Off.
d) Plynulá regulace
Plynulá regulace je nejsofistikovanější způsob, který je schopen zajistit jak přesnou požadovanou teplotu, tak její stabilitu. A to nejsou zdaleka jediné výhody.
Pro ilustraci principu, jak plynulá regulace funguje (někdy označovaná jako proporcionální), můžeme použít princip vodní hladiny v nádrži.
Hladina vody představuje teplotu vzduchu v místnosti, kterou chceme udržovat na konstantní hodnotě v daný čas. Voda, odtékající z nádrže („E“ na obr. 8), představuje tepelné ztráty v místnosti, „odtékající energie“.
Plovák měří hladinu vody a postupně otevírá ventil (proporcionálně) pro zvýšení potřebného průtoku, stejně jako fungují čidlo okolní teploty a regulátor na regulačním ventilu. Cílem je dodat přesně takové množství energie, které v danou chvíli z místnosti uniká.
Obr. 8
Hladina vody se bude stabilizovat mezi minimální a maximální hodnotou (Hmin a Hmax). Rozdíl odpovídá proporcionálnímu rozsahu regulátoru. Rozdíl lze zredukovat zvýšením přírůstku regulátoru (posunem plováku doleva). Tím se dostane soustava blíže k požadované úrovni hladiny vody. Nicméně je důležité nenavyšovat přírůstek regulátoru příliš, protože by to způsobilo nestabilitu v regulačním okruhu.
Regulátory v HVAC využívají k odstranění zbytkového rozdílu integrální funkci. To znamená, že ventil lze otevírat či uzavírat po celou dobu trvání odchylky, cílem je tedy regulovat až do doby, kdy bude odchylka nulová. Samozřejmě i to má své limity, ale detailnější náhled do této problematiky je nad rámec tohoto příspěvku.
Proporcionální/integrální regulátor je schopen dosáhnout přesné a stabilní teploty. Musíme samozřejmě zajistit, aby pohon a ventil dokázaly přesně regulovat průtok, požadovaný regulátorem.
Tabulka níže (obr. 9) sumarizuje charakteristiky a omezení používaných režimů regulace.
Obr. 9
Naší doménou jsou vysoce efektivní řešení pro HVAC soustavy: udržování tlaku a kvality vody; vyvažování, regulace a ovládání; termostatická regulace včetně unikátní technologie AFC® s Eclipse Inside. Produkty značek Heimeier, TA a Pneumatex šetří čas, ...