Vzduchotechnické (VZT) jednotky tvoria kľúčovú súčasť moderných budov, zabezpečujúc komfortné a zdravé vnútorné prostredie. Pre efektívnu a spoľahlivú prevádzku je nevyhnutná ich správna technická správa a údržba. Tento článok sa podrobne zaoberá jednotlivými komponentmi VZT jednotky, ich funkciou, riadiacimi algoritmami a aspektmi technickej správy.
V úvodnej časti článku je predstavený všeobecný popis vzduchotechnickej jednotky, kde je na konkrétnom príklade popísaná funkcia jednotlivých komponentov. Tento príklad je implementovaný ako zjednodušený model, na ktorom je aplikovaný riadiaci algoritmus. Takto vytvorený softvérový modul slúži na analýzu funkcie a energetické zhodnotenie správania VZT jednotky. Druhá časť článku je venovaná popisu riadenia vzduchotechnickej jednotky. Posledná časť článku sa zaoberá ukážkou vytvoreného modelu riadenia vzduchotechnickej jednotky. Výhodou použitého softvéru je skutočnosť, že vytvorený algoritmus je možné aplikovať na reálne zariadenia a využiť ho tak v praxi.
Prehľad vzduchotechnickej jednotky
Na úvod je popísané zloženie vzduchotechnickej jednotky, ktorá je zobrazená na Obr. 1. Ide o model jednozónového jednokanálového klimatizačného systému. Jednozónový znamená, že vzduchotechnická jednotka upravuje stav vzduchu v jednej, poprípade vo viacerých priestoroch, ale s rovnakým charakterom prevádzky a tepelnej záťaže. Jednokanálový znamená, že jednotka upravuje a privádza požadovaný vzduch v jednom potrubí a nezlučuje konečný stav vzduchu, napríklad z chladného a teplého vzduchu.
Parametre jednotky sú nadimenzované na prednáškovú sálu, ktorá pojme až 400 ľudí. Ide o miestnosť s premenlivým počtom osôb. Vzduchotechnická jednotka je využívaná celoročne a slúži na vykurovanie, chladenie, zvlhčovanie a vetranie.
Zloženie VZT jednotky
VZT jednotka je súbor zariadení zostavený z tzv. komôr, ktoré je možné usporiadať podľa požadovanej úpravy vzduchu a priestorových požiadaviek. Vo VZT jednotke dochádza k termodynamickým úpravám vzduchu zahŕňajúcim procesy zmiešavania, ohrevu, chladenia, vlhčenia, odvlhčovania, pri ktorých dochádza k zmenám teploty a vlhkosti vzduchu. Veličiny, ktoré určujú stav a vlastnosti vlhkého vzduchu sú: teplota t (°C), relatívna vlhkosť φ (-), merná vlhkosť x (kg/kgs.v.) a entalpia h (kJ/kgs.v.). Pre termodynamické výpočty je atmosférický vzduch definovaný ako zmes suchého vzduchu pa a vodných pár pv (prehriatych, prípadne sýtych). Táto zmes sa na základe Daltonovho zákona správa samostatne, ako by bola v danom priestore sama.
Klapky
V každej VZT jednotke sa vyskytujú klapky, ktoré slúžia na uzavretie jednotky a zamedzenie prietoku vzduchu v momente, keď je vypnutý ventilátor. Ďalej regulačné klapky, ktoré regulujú prúd vzduchu. Klapky môžu byť tvorené buď jedným, alebo viacerými listami. Listy môžu byť ovládané samostatne, alebo ako celok prepojené a ovládané buď mechanicky, alebo servopohonom. Polohou listov sa reguluje prietok vzduchu.
Filtre
Vo vzduchu sú obsiahnuté znečisťujúce látky, ktoré môžu mať formu plynov, poprípade kvapalných alebo pevných častíc. Úlohou filtra je odlučovanie týchto znečisťujúcich častíc z vnútorného aj vonkajšieho ovzdušia a zníženie ich koncentrácie pod limity, ktoré sú dané hygienickými požiadavkami. Filtre môžu mať niekoľko stupňov filtrácie v závislosti od požiadavky kvality vzduchu. Filtre pre odlučovanie častíc sa delia na:
- hrubé G1 až G4
- jemné F5 až F9
- filtre s vysokou účinnosťou HEPA označené H10 až H14 a ULPA označené U15 až U17.
Jednotlivé číslice uvádzajú číslo filtrácie. Pre bežné vetranie sa používajú filtre triedy G1-F9. Tam, kde je nutné zabezpečiť, aby sa mikroorganizmy nedostali do klimatizovaného priestoru, je nutné použiť filter najmenej triedy F7. Ďalšou dôležitou vlastnosťou je tlaková strata filtra, ktorá je v počiatočnom stave najnižšia a v prevádzke narastá.
Ohrievače
Ohrievače rozlišujeme na vodné, parné, elektrické a chladivové. Najrozšírenejším typom sú vodné ohrievače. Ide o rekuperačný výmenník voda-vzduch. Teplonosnou látkou je voda s teplotným spádom napr. 55/45 °C. Pri ohreve vzduchu dochádza iba k zmene entalpie, respektíve teploty vzduchu, avšak za stálej mernej vlhkosti. Pre výkon vodného ohrievača je najdôležitejšia teplovýmenná plocha a teplotný rozdiel medzi vzduchom a vodou. Regulácia vodných ohrievačov môže byť buď kvalitatívna, keď sa nemení prietok vody, ale mení sa jej teplota, alebo kvantitatívna, keď teplota zostáva konštantná, ale mení sa prietok vody. Kvantitatívna regulácia je menej účinná, pretože pre výkon výmenníka je rozhodujúci rozdiel teploty vzduchu a vody. Celú situáciu si možno predstaviť tak, že okolo výmenníka, do ktorého vstupuje voda (napr. o teplote 55 °C), prúdi vzduch, ktorý sa cez teplovýmennú plochu ohrievača ohrieva, tým dochádza k ochladzovaniu vody vo výmenníku a výstupná voda z výmenníka má nižšiu teplotu (napr. 45 °C).
Chladiče
Hlavnou úlohou chladiča je ochladzovať vzduch. Principiálne sú podobné ako ohrievače. U chladičov je nižší teplotný rozdiel medzi teplonosnou látkou a vzduchom než u ohrievačov, a preto potrebujú väčšiu teplovýmennú plochu ako ohrievače. Chladiče sú buď vodné, alebo priame výparníky. U priamych výparníkov je teplonosnou látkou chladivo - vzduch. Chladivo, ktoré sa vstrekuje do prúdu vzduchu, ktorý prechádza výparníkom, sa odparuje a cez steny výmenníka odoberá teplo vzduchu (odtiaľ názov priamy výparník). Nevýhodou priameho výparníka je riziko namŕzania a ťažšia regulácia. Chladiaci proces vo vodnom chladiči prebieha veľmi podobným spôsobom ako u ohrievača. Do výmenníka vstupuje voda o nízkej teplote (napr. 6 °C), výmenníkom prúdi vzduch, ktorý sa cez jeho steny ochladzuje a odovzdáva teplo vode. Z toho vyplýva, že teplota vody musí byť na výstupe výmenníka vyššia než na jeho vstupe (napr. 12 °C). Chladenie vzduchu môže byť buď suché, alebo mokré. Závisí to od toho, či pri tomto procese dochádza ku kondenzácii alebo nie. Pri suchom chladení je stredná povrchová teplota chladiča vyššia než teplota rosného bodu (teplota vzduchu, kedy začne dochádzať ku kondenzácii) upraveného vzduchu.
Jednotky spätného získavania tepla (ZZT)
ZZT je zariadenie využívajúce teplo, ktoré je obsiahnuté v odvádzanom vzduchu z priestoru. Najčastejšie typy výmenníkov ZZT sú regeneračné a rekuperačné.
- Regeneračné ZZT obsahuje rotujúcu hmotu, do ktorej sa akumuluje teplo z odvádzaného vzduchu. Keďže hmota rotuje, tak pri jej otočení do prúdu privádzaného vzduchu sa odovzdá teplo, ktoré je v hmote naakumulované, vzduchu. Regeneračné výmenníky prenášajú citelné aj viazané teplo (vodnú paru).
- Rekuperačné ZZT odovzdáva teplo priamo cez stenu výmenníka, kde sa kríži odvádzaný a privádzaný vzduch z a do priestoru. Rekuperačné výmenníky prenášajú iba citelné teplo.
ZZT prenášajú buď iba teplo citelné, alebo teplo citelné aj viazané (vodnú paru).
Zmiešavacia komora
Zmiešavacia komora slúži na plynulé zmiešavanie vonkajšieho (čerstvého) a obehového (z interiéru) vzduchu, ktoré sa nachádzajú v rôznych tepelno-vlhkostných stavoch. Vo všeobecnosti sa zmiešavajú dva prúdy vzduchu a ich výsledný stav je daný tepelnou a vlhkostnou bilanciou. Pomer čerstvého a obehového vzduchu sa reguluje vo vnútri zmiešavacej komory pomocou klapiek, ktoré sa ovládajú najčastejšie pomocou servopohonu. Pomer čerstvého a obehového vzduchu je možné nastaviť od 100 % čerstvého vonkajšieho vzduchu - tento variant sa odporúča pre intenzívne prevetranie, alebo ako stále vetranie pre letnú prevádzku.
Ventilátory
Každá VZT jednotka obsahuje ventilátor. Je to zariadenie slúžiace na dopravu vzduchu do vetraného priestoru. Ventilátor musí zabezpečiť dostatočný tlakový rozdiel pre pokrytie tlakových strát VZT jednotky, potrubia aj distribúcie do priestoru. Hlavnými parametrami ventilátorov sú dopravný tlak, príkon a objemové množstvo vzduchu. Ventilátory je možné deliť na radiálne, axiálne, diagonálne a diametrálne. Najčastejšie používané ventilátory pre rozsiahlejšie úpravy vzduchu sú radiálne ventilátory. Hlavné časti radiálneho ventilátora sú obežné koleso, sacie hrdlo, výtlačné hrdlo, skriňa a elektromotor. Obežné koleso obsahuje lopatkové kanály, ktorými sa pri otáčaní nasáva vzduch v axiálnom smere.
Zvlhčovače
Zvlhčovače sú buď parné, alebo adiabatické práčky. Parné vlhčenie prebieha po izoterme a počas procesu sa nemení teplota vzduchu. Priebeh vlhčenia si možno jednoducho predstaviť tak, že do vzduchu, ktorý prechádza zvlhčovačom, je vstrekovaná voda vo forme malých kvapiek, ktoré sa vo vzduchu odparia a zvyšujú tak jeho vlhkosť.
Riadenie vzduchotechnickej jednotky
V tejto časti je popísaný riadiaci algoritmus, ktorý je implementovaný do modelu jednotky. Riadenie VZT jednotky je komplexný proces, ktorý zabezpečuje optimálne podmienky v interiéri pri minimalizácii energetickej spotreby.
Vstupné veličiny riadiaceho algoritmu
Hlavné vstupné veličiny do riadiaceho algoritmu sú vonkajšia teplota a vlhkosť, vnútorná teplota a vlhkosť, požadovaná teplota a koncentrácia CO2. Pri reálnom zariadení sú tieto veličiny snímané pomocou snímačov umiestnených buď vo vnútornom, alebo vo vonkajšom prostredí.
Riadenie klapiek
Klapky, ktorými je tvorená zmiešavacia komora, sú na Obr. 1 označené ako K1, K2 a K3. Klapka K1 je umiestnená v prívodnej vetve a riadi sa ňou prívod čerstvého vzduchu z exteriéru. Natočenie tejto klapky je závislé od aktuálneho počtu ľudí prítomných v miestnosti (produkcie CO2), teda od aktuálnej požiadavky hygienického minima. Klapka K2 je umiestnená v odvodnej vetve a spoločne s klapkou K3, ktorá je umiestnená v cirkulačnej vetve, regulujú prietok vzduchu cirkulačnou vetvou od 0 do 100 %. Vždy platí, že prívod vzduchu do miestnosti sa rovná odvodu vzduchu z miestnosti.
Klapka K1 je riadená primárne podľa aktuálnej produkcie CO2 v miestnosti a ďalej podľa požiadaviek na odvod tepelnej záťaže alebo hradenie tepelných strát. Ak senzor CO2 zaznamená koncentráciu CO2 v ovzduší vyššiu než prípustný limit, ihneď dôjde k otvoreniu klapiek K1 a K2 a k spusteniu ventilátorov VEN1 aj VEN2 pre prívod, respektíve odvod vzduchu. Maximálna koncentrácia CO2 v interiéri podľa EN CR 1752 CEN je 1200 ppm.
V zimnom období sa z exteriéru privádza vždy len toľko vzduchu, koľko je požadované pre vetranie. Vzduch určený pre hradenie tepelných strát je tvorený obehovým vzduchom, keďže je teplejší než vzduch v exteriéri a nie je ho potrebné toľko upravovať. Natočenie klapiek je v reálnych aplikáciách riadené pomocou servopohonu. V tomto modeli klapky simulujú zníženie / zvýšenie objemového prietoku vzduchu. Toto zníženie / zvýšenie objemového prietoku vzduchu (respektíve natočenie danej klapky) je dané pomerom vzduchu, ktorý klapkou práve preteká k maximálnemu prietoku vzduchu. Tento pomer zároveň určuje uhol natočenia klapiek. Klapky ďalej ovplyvňujú tlakové pomery vo VZT jednotke, t.j. buď zvyšujú, alebo znižujú tlakové straty, ktoré zase ovplyvňujú výkon ventilátora.
Riadenie ventilátorov
Ventilátory sú na Obr. 1 označené ako VEN1 v prívodnej vetve a VEN2 v odvodnej vetve. Ventilátor má za úlohu zabezpečiť prietok vzduchu sieťou, ktorý je potrebné priviesť do vnútorného priestoru a musí prekonať tlakové straty siete, ktoré sú dané celkovým dopravným tlakom ventilátora. Celkový dopravný tlak je daný súčtom statickej zložky, ktorá slúži na prekonanie tlakovej straty potrubného systému, a dynamickej zložky, ktorá pokrýva napríklad náhle zúženie, poprípade rozšírenie potrubia.
Ventilátor je riadený, respektíve je spustený iba v situácii, keď je potrebné privádzať do miestnosti vzduch, či už z dôvodov vykurovania, chladenia, zvlhčovania či len vetrania. Teda, ak ventilátor obdrží požiadavku od niektorého z regulátorov, potom dôjde k spusteniu ventilátora a výkon sa reguluje na základe veľkosti objemového prietoku vzduchu, ktorý je potrebné priviesť do interiéru (skladá sa z hygienického minima a požiadavky na odvod/hradenie tepelnej záťaže/strát). Výkon ventilátora je možné v tomto modeli regulovať v rozmedzí 0-100 %, čo zodpovedá pri reálnom zariadení frekvenčnej regulácii.
Riadenie jednotky spätného získavania tepla (ZZT)
Ďalšou súčasťou modelu vzduchotechnickej jednotky je jednotka pre spätné získavanie tepla (ZZT). ZZT slúži na odoberanie citelného a viazaného tepla z odvodného vzduchu z priestoru. Regulácia regeneračného výmenníka je pomerne jednoduchá, keďže dochádza k zrýchleniu alebo spomaleniu otáčania kolesa, ktoré prenáša teplo a vlhkosť. Nie je potrebný žiadny bypass (obtok) ako v prípade rekuperačného výmenníka. Spustenie ZZT je priamo závislé od aktuálneho stavu ohrievača. Teda, ak je ohrievač zapnutý, potom je zapnuté aj ZZT a naopak (samozrejme, ak je využitý iba obehový vzduch, tak je zapnutý len ohrievač). ZZT je zariadenie, ktoré slúži predovšetkým na predohrev vzduchu, aby ohrievač nemusel byť nadimenzovaný na príliš vysoký výkon. Hlavnou výhodou tohto výmenníka je jeho lacná energetická prevádzka, malé tlakové straty a veľmi dobrá účinnosť (80 %).
Riadenie ohrievača
Za zmiešavacou komorou nasleduje model vodného ohrievača (na Obr. 1 označený ako Ohrievač), ktorý slúži na ohrev vzduchu v zimnom a čiastočne prechodovom období. V reálnom ohrievači preteká výmenníkom voda (so spádom napr. 55/45 °C), ktorá odovzdáva svoje teplo cez teplovýmennú plochu prúdiacemu vzduchu. Výkon ohrievača sa reguluje pomocou trojcestného ventilu, na ktorom je umiestnený servopohon, ktorý na základe pokynov regulátora (s väzbou najčastejšie na aktuálnu vnútornú teplotu, ktorá je snímaná snímačom v priestore) zmiešava vodu (kvalitatívna regulácia) v prívodnej a odvodnej vetve na požadovaný výkon.
V popisovanom modeli je uvažovaný regulátor typu PI, ktorého najväčšou výhodou je odstránenie trvalej regulačnej odchýlky, ktorá je problematická u regulátora typu P. Ohrievač je vypnutý, ak vonkajšia teplota vzduchu je vyššia než požadovaná teplota, teda napr. v letnom období, keďže by to bolo nehospodárne. Regulácia ohrievača pracuje v závislosti od aktuálnej vnútornej teploty. Ak je vnútorná teplota vyššia než požadovaná teplota a nie je požadovaný prívod hygienického minima (koncentrácia CO2 je menšia než 1200 ppm), potom je ohrievač vypnutý. Ohrievač sa zapne vtedy, ak je požadovaný prívod hygienického minima a vonkajšia teplota je nízka, alebo ak je vnútorná teplota menšia než požadovaná teplota a zároveň vonkajšia teplota nie je vyššia než požadovaná teplota.
Riadenie chladiča
Za ohrievačom nasleduje chladič (na Obr. 1 označený ako Chladič), ktorý slúži na chladenie vzduchu v letnom a čiastočne v prechodovom období. V reálnom chladiči opäť preteká výmenníkom voda (so spádom napr. 6/12 °C), ktorá odoberie teplo cez teplovýmennú plochu pretekajúcemu vzduchu. K regulácii výkonu chladiča opäť dochádza pomocou regulátorov typu P, PI alebo PID s väzbou najčastejšie na aktuálnu vnútornú teplotu. V popisovanom modeli chladiča je uvažovaný regulátor typu PI s väzbou na vnútornú teplotu.
Ak je vonkajšia teplota nižšia než 22 °C, chladič je trvalo vypnutý a predpokladá sa, že v tomto období nebude chladenie potrebné. Ak je vnútorná teplota nižšia než požadovaná teplota a nie je požadovaný prívod hygienického minima (koncentrácia CO2 je menšia než 1200 ppm), potom je chladič vypnutý. Chladič sa zapne, buď ak je požadovaný prívod hygienického minima (potom môže byť teplota vo vnútri miestnosti nižšia než požadovaná teplota, pretože sa musí privádzať vzduch o požadovaných parametroch), alebo ak je vnútorná teplota vyššia než požadovaná teplota a zároveň vonkajšia teplota je väčšia než požadovaná teplota v miestnosti. Situáciu si možno predstaviť obdobne ako u ohrievača.
Voľné chladenie
Voľným chladením je v tomto článku myslená situácia, keď sa chladí vnútorné prostredie bez chladenia v chladiči, iba vonkajším vzduchom. Voľné chladenie je možné aplikovať v situácii, keď je teplota vonkajšieho vzduchu nižšia než požadovaná teplota a zároveň aktuálna vnútorná teplota je vyššia ako požadovaná.
Technická správa a údržba VZT zariadení
Technické zariadenia budovy (TZB) tvoria neviditeľnú, ale nevyhnutnú infraštruktúru každého objektu. Od vykurovania, vetrania a chladenia až po elektrické rozvody, výťahy či protipožiarnu ochranu - všetky tieto systémy zabezpečujú komfort, bezpečnosť a funkčnosť budovy. Správa technických zariadení budovy je chrbtovou kosťou facility managementu. Bez systematickej údržby, pravidelných revízií a moderného prístupu by budova stratila bezpečnosť, komfort aj hodnotu. Prevádzka TZB je prísne regulovaná. Vyhlášky č. 508/2009 Z. z., Zákona č. 314/2001 Z. z. a Nariadenia (EÚ) sú príkladmi právnych predpisov, ktoré definujú požiadavky na bezpečnosť a funkčnosť týchto systémov.
Zariadenia pre vetranie a klimatizáciu sú jedným z najzložitejších technických zariadení v budovách. Preto vyžadujú obsluhu a údržbu kvalifikovanými a technicky zdatnými osobami. Od zložitosti a počtu inštalovaných zariadení sa odvíja náročnosť obsluhy. Minimálne je nutné vykonávať preventívne kontroly 2x ročne pri prechode na zimnú alebo letnú prevádzku, vrátane evidencie zistených závad a vykonaných úkonov. Vo veľkých strojovniach, kde na bezporuchovom stave zariadenia závisí významne kvalita vnútorného prostredia a pri poruche vzduchotechniky môže dôjsť k ohrozeniu zdravia, technologického procesu a pod., je vhodné vykonávať pravidelnú preventívnu vizuálnu a akustickú prehliadku 1x týždenne (v niektorých prípadoch 1x denne).
V našich podmienkach je priemerný servisný interval výmeny filtrov 3 mesiace, tzn. 4x ročne. Pri použití predfiltrov sania vonkajšieho vzduchu sa môže tento interval predĺžiť až na dvojnásobok. Ak nie sú filtre prevádzkované v dobrom stave, dochádza k znečisteniu potrubia, ktorého čistiteľnosť je značne obmedzená. Potrubné rozvody obsahujú regulačné a nábehové plechy vo tvarovkách, regulačné klapky a pod., ktoré delia potrubie na krátke úseky, do ktorých musí byť pri požiadavke čistiteľnosti vložený revízny otvor. Čistenie potrubia môže spôsobiť odstavenie zariadenia aj na niekoľko týždňov, preto je v odôvodnených prípadoch vhodnejšia preventívna dezinfekcia dezinfekčným a ionizačným prístrojom uloženým vo vzduchotechnickej jednotke alebo v potrubí.
Systémy merania a regulácie monitorujú chod zariadení a stav základných prevádzkových elementov, základné typy porúch sú ihneď detekované a signalizované. Pri zistení závažnej poruchy je zariadenie automaticky odstavené.
tags: #technicka #sprava #vzduchotechnika