Problematika řízení VZT jednotek a její perspektivy - řídicí systém Remak WEBCLIMA

ÚVOD

Energetická účinnost budov se stále více tlačí do podvědomí investorů, majitelů, projektantů a uživatelů vzduchotechnických jednotek. V článku posoudíme možnosti úspory energie z pohledu regulace VZT (vzduchotechnika) řídicím systémem Remak WebClima. Jak je možno ovlivnit úsporu energie v celém procesu od projektování, volba řídicího systému, zaregulování, až po správné užívání a provozování. Možnou úsporu ovlivňuje již návrh VZT zařízení a s tím související použití zdrojů energie s možností plynulé regulace. Tuto problematiku vhodného návrhu VZT tento příspěvek nepostihuje.

Úspora energie při projektování VZT a volba řídicího systému

Aby VZT zařízení mohlo být provozováno s co nejnižší možnou spotřebou energie, je nutné uvědomit si důležitost projektové fáze, kde hlavní zodpovědnost leží na projektantech a projekčních společnostech. Tuto skutečnost vnímá i evropský normalizační institut, který vydal normu EN 13779. Tato norma je jednou z prvních evropských směrnic, která poskytuje projektantům pomoc při posuzování energetických účinností zařízení a směřuje k volbě vhodného řešení. Součástí této normy je i vliv inteligentních regulačních strategií na spotřebu energie.

První z otázek, které si projektant musí zodpovědět, je volba regulace na prostorovou nebo přívodní teplotu. Při regulaci na prostorovou teplotu je do prostoru dodáváno teplo přesně podle požadavku a potřeby. Zohledňují se tím jiné zdroje tepla (chladu) jako vytápění, ztrátové teplo přístrojů vybavení místnosti a i teplo vyvíjené lidskými těly. Řídicí systém Remak WebClima je vyvinut právě pro tento účel a pro efektivnost jeho regulace, je vždy nutností umístění teplotních čidel v místnosti (odtahu), přívodní větvi a venkovním prostoru. Nicméně je nutné upozornit na riziko, že vysoké tepelné zisky v místnosti mohou mít za následek přerušení ohřevu přiváděného vzduchu, resp. jej omezí na nastavenou dolní limitní hodnotu. To může způsobovat, kromě zvýšení diskomfortu v prostoru také, zbytečné ztráty tepla do odváděného vzduchu. Tomu lze předcházet jedině správným "sladěním" regulačních systémů vytápění a VZT.

U jednodušších systémů postačuje pro regulaci čidlo v přívodním vzduchu, v lepším případě s čidlem pro kompenzaci žádané hodnoty. Nevýhodou však je, že po celou dobu běhu je energie pro topení (chlazení) dodávána bez ohledu na teplotní zdroje v místnosti. Může tedy dojít k situaci, kdy místnost bude přetopena a VZT by nemusela dodávat plné množství tepla (chladu). Tím je regulace na přívodní teplotu vzduchu značně nešetrná k úspoře energie a provozním nákladům oproti regulaci na prostorovou teplotu. Tato regulace je vhodná pro aplikace, kde je relativně stabilní vnitřní prostředí v místnosti a není požadována vysoká přesnost teploty v místnosti (popř. tam kde už je provedena regulace topení dle prostorové teploty).

Dalším faktorem pro úsporu energií je správná volba zdroje tepla, chladu, systému ZZT (zpětné získávání tepla). Pokud je zařízení možné regulovat plynule (v co největším rozsahu), může regulace docílit daleko přesnějších hodnot požadované teploty vzduchu v přívodu i prostoru klimatizované místnosti. Je si nutno uvědomit, že o 1 °C nižší teplota uzavřeného prostoru ušetří až 6% topné energie. Potom může mít regulační odchylka o 1,5 K pro provozovatele budovy za následek zvýšení spotřeby energie až o 9%. Řídicí systém WebClima je připraven pro plynulou regulaci vodního, elektrického, plynového ohřevu. Dále pro plynulou regulaci ZZT jako je rotační a deskový rekuperátor, glykolový okruh atd. Ať je použit systémem ZZT nebo ne (pokud tomu nebrání požadavek na kvalitu vzduchu), je vždy vhodné napomáhat úsporám energií částečnou cirkulací vzduchu s plynule řízenou směšovací komorou. Ta má velmi pozitivní účinek na stabilitu regulace i potřebu tepla (chladu). Je samozřejmostí, že i WebClima umožňuje plynulé řízení směšování, s nastavitelným parametrem minima čerstvého vzduchu. Dále podporuje invertorové kondenzační jednotky pro plynulé řízení chladu. Na druhou stranu je připravena i pro kontaktní řízení komponent v různých stupních.

Řízení otáček ventilátorů a volba ventilátorů je dalším faktorem vedoucím k úsporám energie, a to jeden z nejpodstatnějších. Protože směšování, popř. ZZT, jsou v poslední době obecně akceptovanými metodami k úspoře (tepelné) energie, zůstává ventilátor nejvíce energeticky náročný komponentem. U trvaleji běžících aplikací s motorovými pohony (s proběhem několika tisíc hodin ročně), u kterých není potřeba neměnného výkonu, je dnes jednoznačným technicky i ekonomicky prospěšným řešením zavedení frekvenčního řízení otáček. Instalace frekvenčního měniče regulujícího otáčky motoru dle skutečné zátěže (potřeby) přináší významné úspory. S proporcionální změnou objemového průtoku totiž příkon motoru roste, respektive klesá, s třetí mocninou rychlosti, respektive počtu otáček. Pokud tedy při jmenovitých otáčkách motoru je zapotřebí 100% vstupní energie, při poklesu otáček na 75% je to jen (0,75)³ = 42% a při 50% pak dokonce již jen (0,5)³ = 12,5% původního příkonu. Z tohoto důvodu je řídicí systém WebClima připraven na ovládání ventilátorů s moderními frekvenčními měniči HVAC VACON.

Je přitom stále častou chybou, že k řízení vzduchotechniky (včetně průtoku) jsou požadovány ruční ovladače, ať už plynulé nebo (více)stupňové. V okamžiku, kdy systém nepracuje automaticky, nemůže využít maximální optimalizace spotřeby elektrické energie. Byť ruční snížení otáček má samozřejmě stejný efekt na okamžitou spotřebu, nelze očekávat, že lidským zásahem dojde vždy ve správné chvíli k odregulování průtoku podle aktuální situace a potřeby, nehledě na nutnost zajištěné obsluhy.

Norma EN 13779 [1] stanoví úrovně kvality vzduchu, dle kterých se naprojektovaná VZT zařízení člení. Je tedy nutné, aby se uživatel s projektantem vždy předem shodli na stupni kvality vzduchu (s ohledem na požadavky prostoru). Cílem je zamezit zbytečné přepravě vzduchu a zbytečným spotřebám topné a chladící energie. V tabulce (Tab. 1) jsou uvedeny jednotlivé kategorie kvality vzduchu tak, jak je stanoví norma. V následující tabulce (Tab. 2) již jsou kategorie rozřazeny dle koncentrace CO₂.

Kategorie	Popis
IDA 1	vysoká kvalita vzduchu v uzavřeném prostoru
IDA 2	střední kvalita vzduchu v uzavřeném prostoru
IDA 3	nevalná kvalita vzduchu v uzavřeném prostoru
IDA 4	nízká kvalita vzduchu v uzavřeném prostoru

Tab. 1. Všeobecná klasifikace kvality vzduchu v uzavřeném prostoru (IDA)
Zdroj: Tab. 5 normy EN 13779

Kategorie	Obsah CO2 větší než jeho obsah ve venkovním vzduchu v ppm
	Běžný rozsah	Standardní hodnota
IDA 1	< 400	350
IDA 2	400 - 600	500
IDA 3	600 - 1000	800
IDA 4	> 1000	1200

Tab. 2. Obsah CO₂ v uzavřených prostorech
Zdroj: Tab. A.10 normy EN 13779

Norma nezapomněla ani na kategorizaci zařízení podle potenciálu regulace množství vzduchu. Tedy vliv regulační strategie na kvalitu vzduchu a spotřebu energie. Tabulka (Tab. 3) rozděluje do šesti kategorií IDA (Indoor air quality) C1 až C6 možné způsoby regulace kvality vzduchu. Přičemž třída C1 je nejméně sofistikované řešení a třída C6 nejvíce. Vždy je však nutno zvážit vhodnost daného řešení a neplatí, že vždy je třída C6 vzhledem k místním podmínkám nejvhodnější řešení.

Kategorie	Popis
IDA - C1	Zařízení běží konstantně.
IDA - C2	Manuální regulace (řízení). Zařízení podléhá manuálnímu ovládání.
IDA - C3	Časově závislá regulace (řízení). Zařízení se provozuje podle předvoleného časového plánu.
IDA - C4	Regulace v závislosti na obsazení (řízení). Zařízení se provozuje v závislosti na přítomnosti osob (světelné spínače, infračervená čidla atd.).
IDA - C5	Regulace v závislosti na potřebě (počet osob). Zařízení se provozuje v závislosti na počtu osob přítomných v uzavřeném prostoru.
IDA - C6	Regulace v závislosti na potřebě (plynová čidla). Zařízení se reguluje pomocí čidel, která měří parametry vzduchu v uzavřeném prostoru nebo přizpůsobených kritérií (např. CO2, čidla směsného plynu nebo čidla VOC). Použité parametry musí být přizpůsobené druhu činnosti prováděné v uzavřeném prostoru.

Tab. 3. Možné způsoby regulace kvality vzduchu v uzavřeném prostoru (IDA-C)
Zdroj: Tab. 6 normy EN 13779

WebClima je připravena (volitelná konfigurace) na řízení otáček ventilátorů na základě externího signálu. Tedy vyhovuje nejvyšší kategorii IDA-C6 dle příslušné normy. Pomocí této funkce mohou být řízeny otáčky ventilátorů přesně dle různých potřeb. Funkce je především využívána pro plynulé řízení otáček ventilátorů na základě čidla kvality vzduchu CO₂. Výsledkem je zvyšování otáček ventilátorů dle koncentrace CO₂. Touto regulací se dá v praxi dosáhnout úspor 30 až 50% [3]. Koncentrace CO₂ je indikátorem vydýchanosti vzduchu ve vnitřních prostorách a také velice dobře koresponduje s počtem lidí pohybujících se v daném prostoru. Úspory energie se dociluje nejen na ventilátorech, ale je si nutno uvědomit, že se snižuje také spotřeba topné a chladící energie. Dalšími přínosy regulace otáček jsou také snižující se opotřebení všech komponent, prodloužení životnosti, redukce hlučnosti zařízení.

V řídicím systému WebClima je možno nastavit převod mezi vstupním signálem a výstupním signálem pro otáčky ventilátorů. Tak je pro uživatele zajištěna možnost nastavení přesných podmínek pro větraný prostor. Také je tím zajištěna kompatibilita s různými zdroji řídicích signálů CO₂, VOC (indikace směšných plynů), CO (odvětrávání garáží) a dalších. Zároveň je limitován minimální výkon (průtok), aby docházelo k trvalému promíchávání vzduchu v měřeném prostoru po dobu zapnuté VZT (podrobnosti viz [6]).

Pokud není zvolena funkce plynulého řízení otáček ventilátorů na základě externího signálu, je WebClima navržena na pětistupňové, dvoustupňové nebo jednostupňové řízení otáček. V možnostech jsou různé varianty regulace odpovídající dalším třídám IDA C2 až C5. Manuální přepínání otáček případně přepínání dle časového programu je samozřejmou součástí řídicího systému WebClima. Ovládat tyto funkce je možné přes internetovou stránku řídicí jednotky viz obr. 1, případně ručním nebo doplňkovým ovladačem.

Obr. 1 Ovládací internetová stránka WebClima (obsažena přímo v systému řídicí jednotky)

Kromě regulace množství vzduchu je možno hledat úsporu energie i u zdrojů tepla a chladu. Správná volby žádané teploty pro chlazení a topení je nezbytnou nutností pro úsporu energií. Čím je teplotní rozdíl venkovní a vnitřní teploty nižší, tím se dociluje větší úspory topné a chladicí energie. Samozřejmě však platí, že nejdříve je nutno zajistit komfort a až potom nejúspornější řešení. V tabulce (Tab. 4.) jsou uvedeny standardní projektované hodnoty žádaných teplot dle normy EN 15251.

Podmínky	Běžný rozsah	Projektovaná standardní hodnota
Zimní provoz s vytápěním	19 až 24 °C	21 °C(1)
Letní provoz s chlazením	23 až 26 °C	26 °C(2)
(1) při projektovaných podmínkách v zimě, nejnižší teplota ve dne (2) při projektovaných podmínkách v létě, nejvyšší teplota ve dne

Tab. 4. Projektované hodnoty pro operativní teplotu v kancelářských budovách
Zdroj: Tab. 3 normy EN 15251 (3)

WebClima umožňuje nezávislou volbu nastavení žádané teploty pro topení a chlazení ve třech teplotních režimech - komfortní, úsporný, provětrávací. Uživatel si pak může přepínat předvolený teplotní režim dle potřeby, resp. může využít různých teplotních úrovní do časového programu provozu.

Obr. 2 Předdefinované teplotní režimy řídicího systému WebClima

Tím je zajištěno splnění požadavků na letní a zimní provoz zařízení. Z důvodu zvýšení energetické úspory je zaprogramována i funkce kompenzace žádané teploty dle venkovní teploty. Změnu žádné teploty na základě venkovní teploty zachycuje obrázek 3.

Obr. 3 Energetická úspornost pomocí kompenzace žádané teploty

Funkce se nejčastěji používá pro zmírnění tepelných rozdílů mezi teplotou venkovní a vnitřní, tedy k eliminaci teplotních šoků. Základní přednastavení, které si může uživatel změnit, je korekce ΔT=1K pro topení (na intervalu 0 až -20°C venkovní teploty) a korekce ΔT=2K pro chlazení (na intervalu 25 až 35°C venkovní teploty). Je si nutno uvědomit, že s každým stupněm, o který je snížena úroveň teploty klimatizace a vytápění, se snižuje spotřeba topné a chladící energie o 3 až 6%.

Úspora energie při zprovozňování a zaregulování

Po projekční fázi následuje fáze realizace. Zde nastupuje montáž a zprovoznění zařízení. V této fázi je potřeba klást důraz na správné nastavení jednotlivých regulátorů, regulačních konstant (topení, chlazení, směšování, atd.). Špatně nastavený regulátor má za následek zvýšení energetické náročnosti. Pokud regulátor dosahuje žádané hodnoty pomalu, snižuje to komfort zařízení (rychlost, za kterou se dosáhne žádané hodnoty). Pokud je regulátor naopak moc rychlý, dosahuje překmitu žádané hodnoty, která se projeví na mírném zvýšení potřebné energie. Řídicí systém WebClima má všechny regulační konstanty přednastaveny na výchozí "univerzální" hodnoty regulačních konstant. V mnoha případech (resp. obecně vždy), je však nutno provést korekci nastavení dle místních podmínek (zdrojů energií, dimenzování, druh provozu apod.).

Nespornou výhodu při zaregulování systému je možnost sledování a zobrazení měřených hodnot zařízení. Jde o systémy lokální, kde sledování umožňuje přímo řídicí jednotka nebo globální, kde jsou data ukládány v centrálních systémech BMS (Building Management System). Tyto systémy umožňují sběr dat, ze kterých se vyhodnotí kvalitativně a kvantitativně optimální závěr a je možno učinit rozhodnutí pro změnu regulačních konstant. WebClima je vybavena sběrem dat (statistikou), která umožňuje sledovat (a dočasně uchovávat) provozní parametry, režimy, teploty apod. VZT zařízení. Pro sofistikovanější systémy se nezapomnělo ani na možnost napojení do systému BMS přes různé komunikační standardy OPC, BACnet/IP, LONWorks. Po vyhodnocení dat je možno provést optimalizaci přes vzdálený přístup, internetovou stránku viz obr. 4. Takovýto vzdálený přístup zvyšuje komfort nejenom pro servisní partnery, provozovatele, ale i díky své jednoduchosti ovládání i koncovému uživateli. Také to dále snižuje náklady na provoz, servis a obsluhu VZT.

Obr. 4 Vzdálený přístup ovládání VZT jednotky

Energetickou účinnost lze prokázat pouze tehdy, když je odebraná energie měřena, sledována a vyhodnocována. Z těchto důvodů jsou systémy BMS bezesporným přínosem a ŘJ WebClima je na ně připravena.

Úspora energie v průběhu provozu vzduchotechnického zařízení

Základním požadavkem je jednoduchá obsluhovatelnost a ovladatelnost. Sebelepší regulační systém nedosáhne svého cíle, je-li například nastavení časových programů pro uživatele příliš složité a zdlouhavé. Nesprávnou obsluhou zařízení, nevhodným nastavením a provozem může dojít k zmaření snahy maximalizovat úsporu energie. Řídicí systém WebClima maximalizuje komfort ovládání přes internetový prohlížeč. Každá řídicí jednotka WebClima objednaná v konfiguraci pro připojení do (standardní) IT sítě, má svou webovou stránku, pomocí které je možno komfortně a přehledně (i s integrovanou nápovědou) ovládat celé VZT zařízení. Vše je navrženo s maximálním důrazem na přehlednost, intuitivnost a komfort ovládání. Snadno a přehledně se monitoruje provoz zařízení nebo se nastaví časový program a teplotní režim (viz obr. 1 a obr. 2) a další parametry, na které je nutno klást důraz při zprovoznění zařízení, kvůli úsporám energie.

Proto, aby byla zajištěna vysoká energetická úspora po celou dobu provozu zařízení, je nutné provádět pravidelnou údržbu a kontrolu. Moderní funkce řídicího sytému WebClima umožňuje zadání plánu údržby přímo do jednotky. Přes internetový prohlížeč je možno vzdáleně zadat, měnit a kontrolovat plán údržby dle provozních hodin nebo dle zvoleného data údržby. Pokud je dosaženo provozních hodin nebo datum plánované údržby, je automaticky vygenerována informační zpráva. Tu je možno nechat automaticky zaslat pomocí emailu a servisní společnost má okamžitě potřebnou informaci k dispozici. Podobně je přenášena informace o poruše zařízení. Po údržbě je možno zapsat do provozního deníku, který je v podobě interní internetové stránky obsažen přímo v systému řídicí jednotky, jaké specifické úkony byly na zařízení provedeny (např. výměny filtrů, vyčištění jednotky, mazání ložisek motorů). Tak je zajištěna jednoduše a přehledně kontrola a údržba VZT zařízení po celou dobu provozu se snahou maximalizovat energetickou úsporu.

ZÁVĚR

Jen celkový souhrn všech výše popsaných možností zajisti maximalizaci úspory elektrické energie při provozu VZT jednotky. Vždy však platí formulace, šetřit energii, ale ne za každou cenu a na úkor komfortu! Pokud je použita moderní a efektivní regulační technika jakou bezesporu je řídicí systém WebClima a pokud je VZT zařízení navrženo a provozováno s ohledem na úsporu elektrické energie, projeví se tento vliv na nákladech životního cyklu LCC (Life Cycle Costs). Řídicí systém WebClima je tedy vhodné řešení pro maximální komfort ovládání, úsporu energie a nákladů v průběhu celého životního cyklu vzduchotechnického zařízení. S komplexní funkcionalitou, vlastnostmi a možnostmi řídicí jednotka WebClima je možno se seznámit v návod na montáž a obsluhu [6]. Vždy je nutno mít na paměti, že samotný řídicí systém ještě nezaručuje ideální provoz VZT zařízení.

LITERATURA

[1] ČSN EN 13779: Větrání nebytových budov - Základní požadavky na větrací a klimatizační zařízení, 2007
[2] ČSN EN 15251: Vstupní parametry vnitřního prostředí pro návrh a posouzení energetické náročnosti budov s ohledem na kvalitu vnitřního vzduchu, teplotního prostředí, osvětlení a akustiky, 2007.
[3] Edgar Mayer: Energetická účinnost prostřednictvím inteligentní regulační techniky
[4] Tomi Ristimäki: Energetická účinnost prostřednictvím otáčkově regulovaných pohonu s měniči kmitočtu
[5] Hannes Lütz: Energetická účinnost pomocí nových směrnic pro projektování na základě normy EN 13779 pro větrací a klimatizační zařízení
[6] Návod na montáž a obsluhu "Řídicí systém WebClima pro vzduchotechnické jednotky" http://www.remak.eu/cz/podpora/

Další informace: Remak, a.s. www.remak.eu