O systemach regulacji VAV i przetwornikach ciśnienia

W poprzednim artykule poruszyliśmy sprawy związane z doborem regulatorów, zakresem ich działania oraz dokładnością regulacji, jednak zanim skupimy się na doborze wielkości samego regulatora powinniśmy zdecydować, jaki system regulacji będzie odpowiedni dla danego pomieszczenia czy obiektu. Będzie to również miało wpływ na wybór odpowiedniego wyposażenia regulatora VAV oraz jego budowę. 

Pod pojęciem „system regulacji” mam na myśli grupę urządzeń współpracujących i komunikujących się ze sobą, realizujących zadanie, jakim jest dotrzymanie określonych parametrów w pomieszczeniu, przez odpowiednią regulację ilości powietrza wentylacyjnego lub klimatyzacyjnego.
Do dyspozycji mamy kilka rozwiązań instalacyjnych, natomiast ostateczny wybór będzie zależał od wymagań i funkcji jakie chcemy realizować za pomocą systemu, sposobu komunikacji między poszczególnymi elementami systemu oraz decyzji jaki parametr fizyczny chcemy kontrolować.
Zanim przystąpimy do omówienia poszczególnych systemów regulacji kilka słów o teorii działania i budowie regulatorów.

Zasada działania regulatora VAV

Działanie regulatora VAV polega na regulacji jednego z dwóch parametrów fizycznych powietrza tj. przepływu lub ciśnienia.
Najczęściej spotykane systemy regulacji kontrolują przepływ powietrza, jednak niektóre aplikacje – szczególnie w obiektach innych niż użyteczności publicznej – mogą wymagać utrzymywania konkretnych wartości nadciśnienia lub podciśnienia, stabilizowanego np. w stosunku do sąsiadujących pomieszczeń.
Praca regulatora sprowadza się do cyklicznego porównywania wartości zadanej (przepływu lub ciśnienia) z bieżącym stanem panującym w instalacji czy pomieszczeniu.
Niezależnie czy wartością regulowaną jest przepływ, czy ciśnienie, to wartością mierzoną jest zawsze pomiar różnicy ciśnienia dokonywany w przetworniku ciśnienia i w ślad za tym w sterowniku urządzenia przebiegają dalsze procesy analizy i obliczeń, w wyniku czego przepustnica regulatora koryguje odpowiednio swoje położenie, wpływając ostatecznie na zmianę ilości płynącego przez regulator powietrza.
Regulacja przepływu powietrza następuje w zamkniętym obwodzie regulacyjnym, pomiar – porównanie – nastawianie.

Układy pomiarowe z regulowanym…

…przepływem

W układach, w których wielkością regulowaną jest przepływ powietrza, pomiar ciśnienia odbywa się wewnątrz regulatora w strudze powietrza przepływającego przez urządzenie. Mierzone jest ciśnienie całkowite oraz statyczne i na podstawie różnicy obu wartości obliczane jest ciśnienie dynamiczne, którego wielkość jest proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu, a uwzględnienie pola powierzchni przekroju regulatora pozwala na wyznaczenie płynącego przez niego strumienia objętości.

Zależność przepływu V od różnicy ciśnienia Δpw, przy znanej charakterystyce urządzenia C przedstawia wzór:

V = C ∙ √Δpw

Prędkość w przewodzie wentylacyjnym nie jest identyczna w każdym miejscu, dlatego ważne jest, aby profil prędkości w płaszczyźnie pomiaru był stabilny i odpowiadał warunkom wycechowania urządzenia.
W praktyce sytuacje takie są wyjątkowe, gdyż regulatory przepływu często montowane  są za łukiem, kolanem czy trójnikiem zaburzającym ustalony profil prędkości. W takich warunkach pomiar reprezentatywnej prędkości w pojedynczym punkcie byłby bardzo niedokładny, a odległość wymagana do przywrócenia profilu musiałaby wynosić około 8 średnic hydraulicznych od elementu zakłócającego przepływ.
Firma TROX w swoich urządzeniach stosuje różne rozwiązania techniczne pozwalające na zmniejszenie lub nawet całkowite wyeliminowanie wymaganego odcinka prostego przed regulatorem. Jedno  z rozwiązań polega na zastosowaniu siatki wielu punktów pomiarowych w przekroju poprzecznym przewodu umieszczonych na planie pojedynczego lub podwójnego krzyża (regulatory typu: TVR, TVZ, TVA, TVRK ).

Z kolei w regulatorze typu LVC pomiar ciśnienia odbywa się za pomocą dyszy pomiarowej z tworzywa sztucznego, z otworami umieszczonymi od strony napływu i wypływu powietrza po obu stronach przepustnicy regulacyjnej, co pozwala na montaż regulatora bezpośrednio za trójnikiem lub łukiem bez odcinka prostego.
Brak wymaganych odcinków prostych obowiązuje również w przypadku wyboru regulatora typu Silenzio (regulator ze zintegrowanym wytłumieniem).
Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom projektantów, firma TROX w materiałach technicznych podaje wymagane odcinki proste w zależności od typu regulatora oraz rodzaju i kierunku zaburzenia (łuk, trójniki etc.), zilustrowane odpowiednimi schematami.

Podsumowując część dotyczącą regulacji przepływu, warto nadmienić, że do regulacji przepływu w większości przypadków stosowane będą regulatory z przetwornikiem dynamicznym jednak w szczególnych przypadkach konieczne będzie zastosowanie urządzenia z przetwornikiem statycznym. Przetworniki dynamiczne i statyczne, ich budowa i zasada działania opisane są w dalszej części niniejszego opracowania.

…ciśnieniem

Poza regulacją przepływu w instalacjach wentylacji i klimatyzacji, urządzenia VAV mogą być wykorzystywane również do stabilizacji ciśnienia w pomieszczeniu lub w kanale wentylacyjnym. W takich układach prędkość powietrza przepływającego przez regulator nie ma znaczenia, a punkty pomiarowe mogą być wyniesione całkowicie poza urządzenie. Dbałość o jakość regulacji sprowadza się tu do wyszukania przestrzeni odniesienia o stabilnych warunkach ciśnieniowych, a najczęstszym problemem jest ograniczenie długości rurek impulsowych, które muszą być doprowadzone od regulatora do obu obszarów tj. kontroli ciśnienia i obszaru z ciśnieniem odniesienia. Systemy stabilizacji ciśnienia będą wykorzystywały przetworniki statyczne zwane również membranowymi.

Przetworniki ciśnienia

W poprzednim rozdziale omówiliśmy systemy regulacji bazujące na regulacji dwóch różnych wielkości fizycznych tj. przepływu i ciśnienia, przy czym w obu przypadkach do realizacji zadania wykorzystywany był pomiar ciśnienia (statycznego i/lub dynamicznego).
Za zamianę pomierzonej różnicy ciśnienia na sygnał elektryczny, wykorzystywany następnie przez układ elektroniczny sterownika regulatora, odpowiada przetwornik ciśnienia. Przetworniki ciśnienia wykorzystują jedną z dwóch metod pomiaru ciśnienia: dynamiczną lub statyczną i w zależności od metody nazywane są odpowiednio przetwornikami dynamicznymi lub statycznymi.

Przetwornik ciśnienia dynamiczny

Przy dynamicznej metodzie pomiaru przez przetwornik ciśnienia przepływa częściowy strumień powietrza. Przetwornik jest zbudowany jako miniaturowy przewód pomiarowy prędkości powietrza. Termorezystor przetwornika w zależności od prędkości omywającego strumienia powietrza traci ciepło. W ten sposób prędkość przepływu powietrza przetwarzana jest na odpowiedni sygnał  elektryczny. Ponieważ strumień częściowy jest proporcjonalny do strumienia całkowitego, mierzony sygnał może być skalibrowany w odniesieniu do przepływu całkowitego, dając w wyniku sygnał napięciowy wprost proporcjonalny do przepływu powietrza.  

Taka metoda pomiarowa jest ekonomicznym rozwiązaniem dla instalacji w budynkach biurowych lub podobnych. Przetwornik dynamiczny charakteryzuje szereg zalet w porównaniu do rozwiązania alternatywnego, jakim jest przetwornik statyczny, jest więc:  tańszy, może być zabudowany w dowolnej pozycji montażowej, nie wymaga okresowej kalibracji i ze względu na niewielkie wymiary może być zabudowany kompaktowo np. wraz ze sterownikiem i siłownikiem regulatora.
W związku z możliwością zanieczyszczenia czujnika, metoda ta nie znajdzie zastosowania przy strumieniach powietrza zapylonego lub zanieczyszczonego chemicznie.

Przetwornik ciśnienia statyczny

Statyczne (membranowe) przetworniki ciśnienia działają na zasadzie pomiaru ciśnienia statycznego. Czujnik składa się z cylinderka podzielonego membraną na dwie komory – jedna dla ciśnienia dodatniego, druga dla ciśnienia ujemnego. Membrana znajduje się w położeniu pośrednim, gdy ciśnienie po obydwu jej stronach jest jednakowe. Różnica ciśnienia powoduje ugięcie membrany w kierunku ciśnienia niższego. Odchyłka membrany jest miarą różnicy ciśnienia. Na jej podstawie powstaje sygnał napięciowy proporcjonalny do wielkości mierzonej. W tej metodzie pomiaru powietrze nie przepływa przez czujnik. Nie jest on zatem narażony na działanie pyłu. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że do membrany i komór pomiarowych mogą mieć dostęp substancje chemiczne. Obciążenie zanieczyszczeniami jest jednak znacznie mniejsze niż przy metodzie dynamicznej.

Przetwornik statyczny może być wykorzystywany do regulacji wydajności, jednak do takich aplikacji, jeśli tylko to możliwe należy stosować przetwornik dynamiczny, gdyż przetwornik statyczny obarczony jest licznymi ograniczeniami, jak np. mniejszy zakres pomiarowy (V.min – V.max), konieczność zachowania pionowego położenia montażowego membrany, czy wymóg okresowego zerowania czujnika (zalecane 1 na rok). Poza ograniczeniami technicznymi przetwornik statyczny jest również elementem droższym od przetwornika dynamicznego.

Na koniec warto zaznaczyć, że przetworniki statyczne mogą być również wymagane w systemach regulacji z kontrolą przepływu. Dzieje się tak w przypadkach, gdy mamy do czynienia z powietrzem zanieczyszczonym. Zastosowanie przetwornika dynamicznego jest wtedy wykluczone, gdyż uległby on szybkiemu zabrudzeniu lub uszkodzeniu. Przetwornik statyczny podlega jedynie działaniu impulsów ciśnienia przekazywanych za pomocą rurek impulsowych na membranę natomiast nie ma on kontaktu z przepływającą strugą powietrza.

 

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 1/2018 12/2017 4/2017