Základní části vzduchotechnické jednotky a její řízení
Popsány jsou jednotlivé komponenty VZT jednotky, jejich funkce a na základě modelu VZT jednotky vytvořen algoritmus jejího řízení. Takto vytvořený softwareový modul slouží pro analýzu funkce a energetické zhodnocení chování VZT jednotky.
Článek se v úvodní části zabývá obecným popisem vzduchotechnické jednotky, kde je na konkrétním příkladu popsána funkce jednotlivých komponent této jednotky. Tento příklad je naimplementován jako zjednodušený model, na kterém je aplikován řídicí algoritmus. Druhá část článku je věnována popisu řízení vzduchotechnické jednotky. Poslední část článku se zabývá ukázkou vytvořeného modelu řízení vzduchotechnické jednotky. Výhodou použitého software je fakt, že vytvořený algoritmus lze aplikovat na reálné zařízení a využít ho tak v praxi. Vzduchotechnická jednotka je navržena tak, aby plně hradila tepelné ztráty v zimním období, slouží tedy i k teplovzdušnému vytápění.
1. Popis částí vzduchotechnické jednotky
Na úvod je popsáno složení vzduchotechnické jednotky, která je zobrazena na Obr. 1. Jedná se o model jednozónového jednokanálového klimatizačního systému. Jednozónový znamená, že vzduchotechnická jednotka upravuje stav vzduchu v jedné, popř. více prostorech, ale se stejným charakterem provozu a tepelné zátěže. Jednokanálový znamená, že jednotka upravuje a přivádí požadovaný vzduch v jednom potrubí a neslučuje konečný stav vzduchu, např. z chladného a teplého vzduchu. Model jednotky se skládá z ohřívače, chladiče, jednotky zpětného získávání tepla, směšovací komory, zvlhčovače, dvojice ventilátorů a trojice filtrů.
Obr. 1 – Schéma modelu vzduchotechnické jednotky
Parametry jednotky jsou nadimenzovány na přednáškový sál, který pojme až 400 lidí. Jedná se o místnost s proměnlivým počtem osob. Vzduchotechnická jednotka je využívána celoročně a slouží k vytápění, chlazení, zvlhčování a větrání. Výše uvedené schéma jednotky je implementováno jako model, na kterém je následně aplikován řídicí algoritmus, o které bude řeč níže.
1.1. Popis jednotlivých zařízení tvořící vzduchotechnickou jednotku
VZT jednotka je soubor zařízení sestavený z tzv. komor, které lze uspořádat dle požadované úpravy vzduchu a prostorových požadavků. Základní funkční prvky tvořící VZT jednotku jsou klapky, filtry, jednotka pro zpětné získávání tepla, směšovací komora, chladič, ohřívač, zvlhčovač a ventilátor.
Ve VZT jednotce dochází k termodynamickým úpravám vzduchu zahrnující procesy směšování, ohřevu, chlazení, vlhčení, odvlhčování, při kterých dochází ke změnám teploty a vlhkosti vzduchu. Veličiny, které určují stav a vlastnosti vlhkého vzduchu jsou: teplota t (°C), relativní vlhkost φ (-), měrná vlhkost x (kg/kgs.v.) a entalpie h (kJ/kgs.v.). Pro termodynamické výpočty je atmosférický vzduch definován jako směs suchého vzduchu pa a vodních par pv (přehřátých, případně sytých). Tato směs se na základě Daltonova zákona chová samostatně, jako by byla v daném prostoru sama. Výsledný tlak vlhkého vzduchu p je dán součtem parciálních tlaků obou složek.
1.1.1. Klapky
V každé VZT jednotce se vyskytují klapky, které slouží k uzavření jednotky a zamezení průtoku vzduchu v momentě, kdy je vypnutý ventilátor. Dále regulační klapky, které regulují proud vzduchu. Klapky mohou být tvořeny buď jedním, nebo více listy. Listy mohou být ovládány samostatně, nebo jako celek propojeny a ovládány buď mechanicky, nebo servopohonem. Polohou listů se reguluje průtok vzduchu, popř. se přívod vzduchu může uzavřít úplně.
1.1.2. Filtry
Ve vzduchu jsou obsaženy znečišťující látky, které mohou mít formu plynů, popř. kapalných nebo pevných částic. Úkolem filtru je odlučování těchto znečišťujících částic z vnitřního i vnějšího ovzduší a snížení jejich koncentrace pod limity, které jsou dány hygienickými požadavky. Filtry mohou mít několik stupňů filtrace v závislosti na požadavku kvality vzduchu. Filtry pro odlučování částic se dělí na hrubé G1 až G4, jemné F5 až F9 a na filtry s vysokou účinností HEPA označené H10 až H14 a ULPA označené U15 až U17. Jednotlivé číslice uvádějí číslo filtrace. Pro běžné větrání se používají filtry třídy G1–F9. Tam, kde je nutné zajistit, aby se mikroorganismy nedostaly do klimatizovaného prostoru, je nutné použít filtr nejméně třídy F7. Další důležitou vlastností je tlaková ztráta filtru, která je v počátečním stavu nejnižší a v provozu narůstá. Z toho důvodu musí být na filtru umístěn snímač tlakové diference, který upozorní obsluhu na potřebu výměny filtru.
1.1.3. Ohřívač
Ohřívače rozlišujeme na vodní, parní, elektrické a chladivové. Nejrozšířenějším typem jsou vodní ohřívače. Jedná se o rekuperační výměník voda-vzduch. Teplonosnou látkou je voda s teplotním spádem např. 55/45 °C. Při ohřevu vzduchu dochází pouze ke změně entalpie, resp. teploty vzduchu, ovšem za stálé měrné vlhkosti. Pro výkon vodního ohřívače je nejdůležitější teplosměnná plocha a teplotní rozdíl mezi vzduchem a vodou. Regulace vodních ohřívačů může být buď kvalitativní, kdy se nemění průtok vody, ale mění se její teplota, nebo kvantitativní, kdy teplota zůstává konstantní, ale mění se průtok vody. Kvantitativní regulace je méně účinná, protože pro výkon výměníku je rozhodující rozdíl teploty vzduchu a vody. Celou situaci si lze představit tak, že kolem výměníku, do kterého vstupuje voda (např. o teplotě 55 °C), proudí vzduch, který se přes teplosměnnou plochu ohřívače ohřívá, tím dochází k ochlazování vody ve výměníku a výstupní voda z výměníku má nižší teplotu (např. 45 °C).
1.1.4. Chladič
Hlavním úkolem chladiče je ochlazovat vzduch. Principiálně jsou podobné jako ohřívače. U chladičů je nižší teplotní rozdíl mezi teplonosnou látkou a vzduchem než u ohřívačů, a proto potřebují větší teplosměnnou plochu než ohřívače. Chladiče jsou buď vodní, nebo přímé výparníky. U přímých výparníků je teplonosnou látkou chladivo – vzduch. Chladivo, které se vstřikuje do proudu vzduchu, který prochází výparníkem, se odpařuje a přes stěny výměníku odebírá teplo vzduchu (odtud název přímý výparník). Nevýhodou přímého výparníku je riziko namrzání a těžší regulace. Chladící proces ve vodním chladiči probíhá velice podobným způsobem jako u ohřívače. Do výměníku vstupuje voda o nízké teplotě (např. 6 °C), výměníkem proudí vzduch, který se přes jeho stěny ochlazuje a předává teplo vodě. Z toho vyplývá, že teplota vody musí být na výstupu výměníku vyšší než na jeho vstupu (např. 12 °C).
Chlazení vzduchu může být buď suché, nebo mokré. Záleží na tom, jestli při tomto procesu dochází ke kondenzaci či nikoli. U suchého chlazení je střední povrchová teplota chladiče vyšší než teplota rosného bodu (teplota vzduchu, kdy začne docházet ke kondenzaci) upraveného vzduchu. U mokrého chlazení je střední teplota chladiče nižší než teplota rosného bodu upravovaného vzduchu a dochází tak ke kondenzaci.
1.1.5. Zpětné získávání tepla (ZZT)
ZZT je zařízení využívající teplo, které je obsažené v odváděném vzduchu z prostoru. Nejčastější typy výměníků ZZT jsou regenerační a rekuperační. Regenerační ZZT obsahuje rotující hmotu, do které se akumuluje teplo z odváděného vzduchu. Jelikož hmota rotuje, tak při jejím otočení do proudu přiváděného vzduchu se předá teplo, které je ve hmotě naakumulované, vzduchu. Rekuperační ZZT předává teplo přímo přes stěnu výměníku, kde se kříží odváděný a přiváděný vzduch z a do prostoru. ZZT přenášejí buď pouze teplo citelné, nebo teplo citelné i vázané (vodní páru). Výměníky rekuperační přenášejí pouze teplo citelné, zatímco výměníky regenerační i teplo vázané.
1.1.6. Směšovací komora
Směšovací komora slouží k plynulému směšování venkovního (čerstvého) a oběhového (z interiéru) vzduchu, které se nacházejí v různých tepelně vlhkostních stavech. Obecně se směšují dva proudy vzduchu a jejich výsledný stav je dán tepelnou a vlhkostní bilancí. Poměr čerstvého a oběhového vzduchu se reguluje uvnitř směšovací komory pomocí klapek, které se ovládají nejčastěji pomocí servopohonu. Poměr čerstvého a oběhového vzduchu je možné nastavit od 100 % čerstvého venkovního vzduchu – tato varianta se doporučuje pro intenzivní provětrání, nebo jako stálé větrání pro letní provoz. Pro případ, že není potřeba větrat, je možno uzavřít přívod venkovního čerstvého vzduchu a vytápět pouze oběhovým vzduchem.
1.1.7. Ventilátor
Každá VZT jednotka obsahuje ventilátor. Je to zařízení sloužící k dopravě vzduchu do větraného prostoru. Ventilátor musí zajistit dostatečný tlakový rozdíl pro pokrytí tlakových ztrát VZT jednotky, potrubí i distribuce do prostoru. Hlavními parametry ventilátorů jsou dopravní tlak, příkon a objemové množství vzduchu. Ventilátory lze dělit na radiální, axiální, diagonální a diametrální. Nejčastěji používané ventilátory pro rozsáhlejší úpravy vzduchu jsou ventilátory radiální. Hlavní části radiálního ventilátoru jsou oběžné kolo, sací hrdlo, výtlačné hrdlo, skříň a elektromotor. Oběžné kolo obsahuje lopatkové kanály, jimiž se při otáčení nasává vzduch v axiálním směru. Výtlak vzduchu ovšem probíhá v ose kolmé na osu rotace, tedy v radiálním směru.
1.1.8. Zvlhčovač
Zvlhčovače jsou buď parní, nebo adiabatické pračky. Parní vlhčení probíhá po izotermě a během procesu se nemění teplota vzduchu. Průběh vlhčení si lze jednoduše představit tak, že do vzduchu, který prochází zvlhčovačem, je vstřikována voda ve formě malých kapiček, které se ve vzduchu odpaří a zvyšují tak jeho vlhkost. Při vlhčení vzduchu pomocí adiabatické pračky dochází ke zvyšování vlhkosti vzduchu, a zároveň k poklesu teploty vzduchu.
2. Řídicí algoritmus
V této části je popsán řídicí algoritmus, který je implementován do modelu jednotky z první kapitoly tohoto článku. Ačkoliv je vytvořený algoritmus vytvořen na modelu jednotky, tak jeho velkou výhodou je možnost aplikace na reálnou vzduchotechnickou jednotku.
2.1. Vstupní veličiny do algoritmu
Hlavní vstupní veličiny do řídicího algoritmu jsou venkovní teplota a vlhkost, vnitřní teplota a vlhkost, požadovaná teplota a koncentrace CO2. U reálného zařízení jsou tyto veličiny snímány pomocí čidel umístněných buď ve vnitřním, nebo vnějším prostředí. U modelu jednotky můžeme tyto vstupní veličiny buď náhodně simulovat, nebo použít vstupní sekvence reálných dat a sledovat její chování.
2.2. Řízení klapek a směšování
Klapky, kterými je tvořena směšovací komora, jsou na Obr. 1 označené jako K1, K2 a K3. K1 je klapka umístěna v přívodní větvi a řídí se s ní přívod čerstvého vzduchu z exteriéru. Natočení této klapky je závislé na aktuálním počtu lidí přítomných v místnosti (produkci CO2), tedy na aktuálním požadavku hygienického minima. Klapka K2 je umístěna v odvodní větvi a společně s klapkou K3, která je umístěna v cirkulační větvi, regulují průtok vzduchu cirkulační větví od 0 do 100 %. Vždy platí, že přívod vzduchu do místnosti se rovná odvodu vzduchu z místnosti. Samotné řízení klapek probíhá následujícím způsobem:
- Klapka K1 je řízena primárně dle aktuální produkce CO2 v místnosti a dále dle požadavků na odvod tepelné zátěže nebo hrazení tepelných ztrát. Pokud senzor CO2 zaznamená koncentraci CO2 v ovzduší vyšší nežli přípustný limit, ihned dojde k otevření klapek K1 a K2 a ke spuštění ventilátorů VEN1 i VEN2 pro přívod, resp. odvod vzduchu. Maximální koncentrace CO2 v interiéru dle EN CR 1752 CEN je 1200 ppm. Pokud koncentrace v místnosti překročí tuto hodnotu, okamžitě dojde k přivádění čerstvého vzduchu do místnosti.
- Samozřejmě, že vzduch, který slouží pouze pro přívod hygienického minima, je upravován na požadovanou teplotu.
- K3 je při přivádění pouze hygienického minima zavřena a neproudí přes ni žádný vzduch.
- V zimním období se z exteriéru přivádí vždy jen tolik vzduchu, kolik je požadováno pro větrání. Vzduch určený pro hrazení tepelných ztrát je tvořen oběhovým vzduchem, jelikož je teplejší než vzduch v exteriéru a není ho potřeba tolik upravovat. Pokud má být v letním nebo přechodovém období přiváděno více vzduchu než je aktuální hygienické minimum (určené pro větrání), mohou nastat tyto tři varianty:
- Entalpie vnějšího vzduchu je vyšší než entalpie aktuálního vnitřního vzduchu. Poté se přivádí pouze hygienické minimum vzduchu z exteriéru a zbytek potřebného vzduchu proudí přes cirkulační klapku K3. Z toho vyplývá, že klapka K3 je řízena na základě požadavku hrazení tepelných ztrát/odvodu tepelné zátěže a zároveň dle poměru entalpií vnějšího a vnitřního prostředí v přechodovém a letním období.
- Entalpie vnějšího vzduchu je nižší než entalpie aktuálního vnitřního vzduchu. Poté se přivádí veškerý vzduch z exteriéru, jelikož je výhodnější chladit vzduch o co nejmenší entalpii.
- Jsou splněny podmínky volného chlazení (viz 2.6.1), vzduch pro větrání a odvod tepelné zátěže se přivádí pouze z exteriéru a nedochází k jeho upravování.
Obr. 2 – Pracovní diagram řízení klapky K1 (vlevo) a K3 (vpravo)
Natočení klapek je v reálných aplikacích řízeno pomocí servopohonu. V této aplikaci klapky simulují snížení / zvýšení objemového průtoku vzduchu. Toto snížení / zvýšení objemového průtoku vzduchu (resp. natočení dané klapky) je dáno poměrem vzduchu, který klapkou právě protéká k maximálnímu průtoku vzduchu. Tento poměr zároveň určuje úhel natočení klapek. Klapky dále ovlivňují tlakové poměry ve VZT jednotce, tj. buď zvyšují, nebo snižují tlakové ztráty, které zase ovlivňují výkon ventilátoru. Zjednodušený princip řízení klapek je zobrazen na Obr. 2.
2.3. Řízení ventilátorů
Obr. 3 – Pracovní diagram řízení ventilátorů
Ventilátory jsou na Obr. 1 označené jako VEN1 v přívodní větvi a VEN2 v odvodní větvi. Ventilátor má za úkol zajistit průtok vzduchu sítí, který je potřeba přivést do vnitřního prostoru a musí překonat tlakové ztráty sítě, které jsou dány celkovým dopravním tlakem ventilátoru. Celkový dopravní tlak je dán součtem statické složky, která slouží pro překonání tlakové ztráty potrubního systému, a dynamické složky, která pokrývá např. náhlé zúžení, popř. rozšíření potrubí. Ventilátor je zajímavý především z hlediska svého výkonu a příkonu.
Ventilátor je řízen, resp. je spuštěn pouze za situace, kdy je zapotřebí přivádět do místnosti vzduch ať už z důvodů vytápění, chlazení, zvlhčování či jen větrání. Tedy, pokud ventilátor obdrží požadavek od některého z regulátorů, pak dojde ke spuštění ventilátoru a výkon se reguluje na základě velikosti objemového průtoku vzduchu, který je zapotřebí přivést do interiéru (skládá se z hygienického minima a požadavku na odvod/hrazení tepelné zátěže/ztrát). Výkon ventilátoru lze v tomto modelu regulovat v rozmezí 0–100 %, což odpovídá u reálného zařízení frekvenční regulaci. Zjednodušený princip řízení ventilátoru je zobrazen na Obr. 3.
Obr. 4 – Pracovní diagram řízení ZZT
2.4. Řízení zpětného získávání tepla
Další součástí modelu vzduchotechnické jednotky je jednotka pro zpětné získávání tepla (ZZT). ZZT slouží k odebírání citelného a vázaného tepla z odvodního vzduchu z prostoru. Jak je uvedeno ve schématu na Obr. 1, jednotka obsahuje rotační regenerační výměník, který přenáší jak teplo citelné tak teplo vázané.
Regulace regeneračního výměníku je poměrně jednoduchá, jelikož dochází ke zrychlení nebo zpomalení otáčení kola, které přenáší teplo a vlhkost. Není nutný žádný bypass (obtok) jako v případě rekuperačního výměníku. Spuštění ZZT je přímo závislé na aktuálním stavu ohřívače. Tedy, pokud je ohřívač zapnutý, pak je zapnuté i ZZT a naopak (samozřejmě, pokud je využit pouze oběhový vzduch, tak je zapnutý jen ohřívač). ZZT je zařízení, které slouží především k předehřevu vzduchu, aby ohřívač nemusel být nadimenzován na příliš vysoký výkon. Hlavní výhodou tohoto výměníku je jeho laciný energetický provoz, malé tlakové ztráty a velmi dobrá účinnost (80 %). Zjednodušený princip řízení ZZT je zobrazen na Obr. 4.
2.5. Řízení ohřívače
Za směšovací komorou následuje model vodního ohřívače (na Obr. 1 označen jako Ohřívač), který slouží k ohřevu vzduchu v zimním a částečně přechodovém období. V reálném ohřívači protéká výměníkem voda (se spádem např. 55/45 °C), která předává své teplo přes teplosměnnou plochu proudícímu vzduchu. Výkon ohřívače se reguluje pomocí trojcestného ventilu, na kterém je umístěn servopohon, který na základě pokynů regulátoru (s vazbou nejčastěji na aktuální vnitřní teplotu, která je snímána čidlem v prostoru) směšuje vodu (kvalitativní regulace) v přívodní a odvodní větvi na požadovaný výkon. Tato regulační smyčka může obsahovat různé typy regulátorů (P, PI nebo PID).
V popisovaném modelu je uvažován regulátor typu PI, jehož největší výhodou je odstranění trvalé regulační odchylky, která je problematická u regulátoru typu P. Regulaci typu PI je možno porovnat se situací, kdy plníme sklenici vodou: nejprve průtok vody do sklenice pustíme na maximum (= regulace P), poté průtok postupně snižujeme (= regulace I), až je sklenice plná.
Obr. 5 – Pracovní diagram řízení ohřívače
Ohřívač je vypnut, pokud venkovní teplota vzduchu je vyšší než teplota požadovaná, tedy např. v letním, jelikož by to bylo nehospodárné. Regulace ohřívače pracuje v závislosti na aktuální vnitřní teplotě. Pokud je vnitřní teplota vyšší než teplota požadovaná a není požadován přívod hygienického minima (koncentrace CO2 je menší než 1200 ppm), pak je ohřívač vypnut. Ohřívač se zapne tehdy, pokud je požadován přívod hygienického minima a venkovní teplota je nízká, nebo pokud je vnitřní teplota menší než teplota požadovaná a zároveň venkovní teplota není vyšší než požadovaná teplota. Zjednodušený princip řízení klapek je zobrazen na Obr. 5.
Situaci si lze představit tak, že čidlo v místnosti snímá aktuální teplotu vzduchu (regulovaná veličina), kterou v regulátoru porovnává s požadovanou teplotou (žádaná veličina) a výstupem z regulátoru je nastavení trojcestného ventilu ohřívače (akční veličina).
2.6. Řízení chladiče
Za ohřívačem následuje chladič (na Obr. 1 označen jako Chladič), který slouží ke chlazení vzduchu v letním a částečně v přechodovém období. V reálném chladiči opět protéká výměníkem voda (se spádem např. 6/12 °C), která odebere teplo, přes teplosměnnou plochu, protékajícímu vzduchu. K regulaci výkonu chladiče opět dochází pomocí regulátorů typu P, PI nebo PID s vazbou nejčastěji na aktuální vnitřní teplotu. Výkon chladiče se reguluje pomocí trojcestného ventilu, na kterém je umístěn servopohon, který dle příkazů z regulátoru nastavuje polohu ventilu (kvantitativní regulace) do požadované polohy.
Obr. 6 – Pracovní diagram řízení chladiče
V popisovaném modelu chladiče je uvažován regulátor typu PI s vazbou na vnitřní teplotu. Pokud je venkovní teplota nižší než 22 °C, chladič je trvale vypnut a předpokládá se, že v tomto období nebude chlazení třeba. Pokud je vnitřní teplota nižší než teplota požadovaná a není požadován přívod hygienického minima (koncentrace CO2 je menší než 1200 ppm), pak je chladič vypnut. Chladič se zapne, buď pokud je požadován přívod hygienického minima (pak může být teplota uvnitř místnosti nižší než teplota požadovaná, protože se musí přivádět vzduch o požadovaných parametrech), nebo pokud je vnitřní teplota vyšší než teplota požadovaná a zároveň venkovní teplota je větší než požadovaná teplota v místnosti. Zjednodušený diagram řízení chladiče je uveden na Obr. 6.
Situaci si lze představit obdobně jako u ohřívače. Čidlo v místnosti snímá aktuální teplotu vzduchu (regulovaná veličina), kterou v regulátoru porovnává s požadovanou teplotou (žádaná veličina) a výstupem z regulátoru je nastavení trojcestného ventilu chladiče (akční veličina).
2.6.1. Volné chlazení
Volným chlazením je v tomto článku myšlena situace, kdy se chladí vnitřní prostředí bez chlazení v chladiči, pouze venkovním vzduchem. Volné chlazení lze aplikovat v situaci, kdy je teplota venkovního vzduchu nižší než teplota požadovaná a zároveň aktuální vnitřní teplota je vyšší než požadovaná teplota (např. te = 22 °C, ti,p = 24 °C a ti,akt = 26 °C, pak je spuštěno volné chlazení). Další vhodná aplikace volného chlazení je v letních měsících, kdy se do prostoru přivádí noční chladnější vzduch, který se akumuluje do hmoty a následující den se postupně uvolňuje, čímž dochází ke chlazení místnosti.
2.7. Řízení zvlhčovače
Obr. 7 – Pracovní diagram řízení zvlhčovače
Poslední částí tohoto modelu vzduchotechnické jednotky je zvlhčovač. Je uvažován model parního zvlhčovače, což znamená, že během procesu vlhčení se nebude zvyšovat teplota přiváděného vzduchu a bude se měnit pouze vlhkost vzduchu (předává se pouze vázané teplo). Využití zvlhčovače lze předpokládat především v zimním období, kdy ohřev vzduchu podstatně odvlhčí přiváděný vzduch do místnosti.
V tomto modelu je zvlhčovač regulován pomocí P-regulátoru. Situaci si lze představit obdobně jako u ohřívače či chladiče. Čidlo vlhkosti umístněné v místnosti snímá aktuální hodnoty relativní vlhkosti uvnitř (regulovaná veličina), kterou v regulátoru porovnává s požadovanou relativní vlhkostí (žádaná veličina) a výstupem z regulátoru je nastavení dvojcestného ventilu zvlhčovače (akční veličina), kterým se reguluje průtok páry do přiváděného vzduchu. Nevýhodou regulátoru P je, že pracuje s trvalou regulační odchylkou, ovšem i tak poskytuje dobrou stabilitu. Nejnižší přípustná hodnota relativní vlhkosti ve vnitřním prostředí je 25 %. Regulátor v této práci má žádanou hodnotu nastavenou na 30 % a pásmo proporcionality regulátoru odpovídá 5 % relativní vlhkosti. Zjednodušený diagram řízení chladiče je uveden na Obr. 7.
3. Aplikace
3.1. Režimy vzduchotechnické jednotky
Model VZT jednotky může pracovat ve třech režimech (módech):
- „Obsazeno“
- „Neobsazeno“
- „Vypnuto“
Volba režimu je na uživateli. Pokud je vybrán režim „Obsazeno“, pak se předpokládá, že v prostoru jsou lidé nebo v blízké době budou. V tomto módu se teplota vzduchu v místnosti udržuje na požadované teplotě, kterou si buď zvolí uživatel sám, nebo lze nastavit jednotku tak, že si bude sama nastavovat požadovanou teplotu v závislosti na venkovní teplotě. Pokud zvolíme automatické nastavování požadované teploty, jednotka se bude nacházet v energeticky optimálním stavu a bude využívat princip vlečné regulace. U tohoto typu regulace je žádaná teplota 22 °C, pokud je venkovní teplota ≤ 22 °C. Když je venkovní teplota > 22 °C, pak se požadovaná teplota posouvá tak, aby při venkovní teplotě 32 °C byla vnitřní žádaná teplota 26 °C.
Pokud přepneme jednotku do režimu „Neobsazeno“, pak se očekává, že v místnosti se nevyskytují lidé a v blízké době ani vyskytovat nebudou. Přepnutí do tohoto režimu se projeví tak, že požadovaná teplota v místnosti se automaticky nastaví na 18 °C, pokud je venkovní teplota menší než 18 °C. Jestliže je venkovní teplota mezi 18 °C až 26 °C, posouvá se požadovaná teplota tak, aby byla rovna venkovní teplotě. Pokud je venkovní teplota větší než 26 °C, pak je požadovaná teplota 26 °C.
V režimu „Vypnuto“ je jednotka mimo provoz.
3.2. Vizualizace modelu VZT jednotky
Ukázka uživatelského rozhraní modelu vzduchotechnické jednotky je na Obr. 8. Uživatelské rozhraní modelu jednotky lze rozdělit na tři hlavní části. V horní části se nastavují počáteční podmínky v prostoru, vybírá se režim v jakém má jednotka pracovat a lze zvolit, zda si má jednotka sama nastavovat požadovanou teplotu pomocí vlečné regulace nebo zda má být jednotka v režimu „Neobsazeno“ vypnuta, pokud venkovní teplota přesáhne 18 °C. Uprostřed se nachází samotná vizualizace vzduchotechnické jednotky, kde je patrné, z jakých zařízení se model skládá a dále je znázorněno, jakou teplotu a vlhkost má vzduch v daném místě nebo jaký průtok protéká přes klapku či jak jsou otevřeny jednotlivé ventily zařízení. Spodní část obsahuje výstupní veličiny z algoritmu, které se nacházejí v levém rohu. Vedle jsou tlačítka, kde si lze prohlédnout časové průběhy veličin (viz Obr. 9).
Počáteční parametry teploty a relativní vlhkosti v exteriéru se nastavují posuvníky, jak je patrné z Obr. 8. Samozřejmě je možné na vstupy přivést určité vstupní sekvence, které mohou simulovat proměnné průběhy venkovních veličin. V reálné aplikaci by tyto hodnoty byly nahrazeny signály z čidel venkovní teploty resp. relativní vlhkosti. Další parametry jako entalpii či měrnou vlhkost vzduchu si algoritmus dopočítává sám. Totéž platí i pro posuvníky vnitřní teploty a relativní vlhkosti, kterými se nastaví počáteční parametry v interiéru. Pokud by byl algoritmus použit u reálné vzduchotechnické jednotky, tyto hodnoty by byly snímány čidly v místnosti a přivedeny na vstup regulátorů, kde by byly porovnány s požadovanou teplotou v místnosti (v případě teploty), resp. na vstup regulátoru zvlhčovače, kde se udržuje vnitřní relativní vlhkost na 30 %. Další vstupní veličinou je požadovaná teplota. Jedná se o žádanou teplotu uvnitř místnosti. Tuto teplotu volí buď uživatel, pokud chce řídit teplotu v místnosti sám, nebo lze hodnotu požadované teploty nechat na řídícím algoritmu, který určí optimální požadovanou teplotu v závislosti na venkovním prostředí. Pak je nutné stisknout tlačítko „Automatické nastavení požadované teploty“, čímž se jednotka nastaví do tohoto stavu. Dalším vstupem je výchozí počet osob, který lze opět nastavit jezdcem. Z této informace si řídicí algoritmus dále vypočítá nutné hygienické minimum přívodu vzduchu, které je přiváděno za předpokladu, že hodnota koncentrace CO2 v místnosti je více jak 1200 ppm. Informace o počáteční koncentraci CO2 v místnosti je poslední vstupní veličina.
Obr. 8 – Grafické prostředí modelu VZT jednotky v programu COACHAX
Tepelné zisky a ztráty si algoritmus dopočítává sám v závislosti na venkovní teplotě, což je pouze pro účely simulace modelu jednotky. Vedle informací o aktuálních tepelných ziscích a ztrátách jsou výsledné hodnoty veličin uvnitř místnosti, konkrétně se jedná o vnitřní teplotu, vlhkost a koncentraci CO2. Změny těchto veličin jsou opět pro účely simulaci přibližné.
V poli „Vytápět či chladit“ si uživatel může zvolit, jestli bude vzduchotechnická jednotka v režimu vytápění nebo chlazení. Toto je obzvláště důležité v přechodovém období, aby bylo jednoznačné, jestli má jednotka přiváděný vzduch ohřívat či chladit a nenastávaly situace, kdy dochází k oběma úkonům zároveň.
V nabídce „Vyber režim“ si uživatel může zvolit, v jakém režimu se má jednotka aktuálně nacházet (obsazeno, neobsazeno nebo vypnuto). Poslední funkcí je tlačítko „Vypnout jednotku v režimu Neobsazeno“, které určuje, zda má být jednotka vypnuta v režimu „Neobsazeno“, pokud venkovní teplota přesáhne 18 °C.
V levém dolním rohu nalezneme informace o aktuálním výkonu jednotlivých zařízení včetně ventilátorů. Vedle nich jsou umístěna tlačítka, které slouží k zobrazení grafických závislostí mezi jednotlivými proměnnými. Např. pokud klikneme na tlačítko „Výkony zařízení/vnější a požadovaná teplota“, zobrazí se časový průběh výkonů jednotlivých zařízení za poslední hodinu v závislosti na venkovní a požadované teplotě. Tento časový úsek lze zmenšit či zvětšit dle potřeby. Příklad průběhu viz Obr. 9.
Obr. 9 – Ukázka časových průběhů daných veličin (časová závislost výkonů na venkovní teplotě)
4. Závěr
Z testování řídicího algoritmu vyplývá, že algoritmus se chová dle funkčních požadavků. Algoritmus využívá regulaci typu PI, kterou se řídí ohřívač a chladič vzduchu a regulaci typu P, která slouží k řízení zvlhčovače. Integrační složka regulace se ukázala jako velmi dobrý pomocník, jelikož nedochází k regulační odchylce a zároveň dochází k méně častému zapnutí chladiče a ohřívače vlivem mírného překmitu žádané veličiny.
Algoritmus dále maximálně využívá volného chlazení, během kterého je chladič mimo provoz a místnost se chladí venkovním vzduchem, který má nižší teplotu než vzduch vnitřní. Dochází tak k velkým úsporám energie, jelikož tvorba chladu je v reálných aplikacích až třikrát dražší než tvorba tepla. Dále je maximálně využit oběhový vzduch, aby byl zajištěn minimální rozdíl teplot pro chlazení či vytápění. Venkovní vzduch se přivádí pouze, pokud je vyžadováno větrání prostoru, což nastane, jestliže koncentrace CO2 v prostoru překročí limit 1200 ppm. Další výjimka, kdy dochází k přívodu venkovního vzduchu, je právě volné chlazení a situace v letním a částečně přechodovém období, kdy je entalpie v exteriéru menší než entalpie ve vnitřním prostředí, jelikož je výhodné vzduch chladit o co nejmenší rozdíl entalpií.
Požadovanou teplotu v prostoru lze buď nastavovat manuálně, nebo nechat jednotku, aby si žádanou teplotu nastavovala sama. Pokud si jednotka nastavuje teplotu automaticky, pak dochází k využití vlečné regulace. Model jednotky může pracovat ve třech různých režimech. Pokud si uživatel zvolí režim „Obsazeno“, pak se předpokládá, že v prostoru jsou lidé nebo v blízké době budou a je tedy nutné v prostoru vytvořit komfortní podmínky. Při zvolení režimu „Neobsazeno“ se očekává, že v místnosti se nevyskytují lidé a v blízké době ani vyskytovat nebudou. Přepnutí do tohoto režimu se projeví tak, že požadovaná teplota v zimním období se automaticky sníží. V letním období lze jednotku i úplně vypnout, pokud místnost není využívána. V režimu „Vypnuto“ je jednotka úplně mimo provoz.
Dále je nutné nastavit, zda má jednotka ohřívat či chladit přívodní vzduch, aby bylo v přechodovém období jednoznačné, jak se má jednotka chovat a nedocházelo tak k současnému vytápění a chlazení místnosti.
5. Literatura
- [1] DRKAL F., ZMRHAL V., SCHWARZER J. a LAIN M. Klimatizace a průmyslová vzduchotechnika [online]. 2009 [cit. 2012-03-27].
- [2] DRKAL F., ZMRHAL V., SCHWARZER J. a LAIN M. Vzduchotechnika [online]. 2009 [cit. 2012-03-27].
- [3] HIRŠ, Jiří. Vzduchotechnika v příkladech [online]. Vyd. 1. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2006, 230 s. [cit. 2012-03-27]. ISBN 80-720-4486-9.
- [4] Http://www.chmi.cz. Český hydrometeorologický ústav [online]. [cit. 2012-04-13]
- [5] Http://www.tzb-info.cz/5843-filtrace-atmosferickeho-vzduchu-ii. TZB-info [online]. [cit. 2012 04-01]
- [6] CHYSKÝ J., HEMZAL K. A KOL. Větrání a klimatizace. Vyd. 3., zcela přeprac. Praha: Česká Matice technická, 1993, 490 s. ISBN 80-901-5740-8.
- [7] BAŠTA J., HEMZAL V. Regulace v technice prostředí [online]. 2009 [cit. 2012-04-27].
- [8] WANG, Shan K. Handbook of air conditioning and refrigeration. 2nd ed. New York: McGraw- Hill, c2000, 1 v. (various pagings). ISBN 00-706-8167-8.
- [9] The HVAC handbook. New York: McGraw-Hill, 2004, xv, ca 1400 s. ISBN 00-714-0202-0.
- [10] Energy and Buildings. 2001, roč. 33, č. 8. ISSN 03787788.
- [11] Http://www.users.fs.cvut.cz/~zmrhavla/Projekt3/Podklady/02_Navrh%20klimatizacniho%20systemu.pdf. Stránky Ing. Vladimíra Zmrhala, PhD. [online]. 2012 [cit. 2012-09-01]
- [12] Manuál a software COACHAX
- [13] Http://www.tzb-info.cz/3769-prvky-vetracich-a-klimatizacnich-zarizeni-i-2-cast TZB-info [online]. [cit. 2012-04-01]
This paper describes a general principle of air conditioning unit. Individual components and their functions of AHU are described. Finally, it is a model of AHU and the algorithm that is implemented as a software module in a programming environment. The created module is used for functional analysis and evaluation of energy behavior AHU.