Schematy ideowe regulacji systemów VAV

Regulacja przepływu
Najprostszym systemem regulacyjnym jest układ składający się z dwóch regulatorów VAV (nawiewnego i wywiewnego) z kontrolą płynącego wydatku powietrza, zarządzanych jednym sygnałem od sterownika pomieszczeniowego.

Najczęściej sterownikiem pomieszczeniowym jest regulator temperatury lub jakości powietrza (CO2), wyposażony w odpowiedni czujnik oraz pokrętło (lub panel dotykowy) do nastawienia wartości zadanej. Sterownik pomieszczeniowy, na podstawie bieżących odczytów wartości mierzonej (np. temperatury lub stężenia CO2), porównuje wyniki z nastawą i w zależności od odchyłki wysyła do urządzeń VAV sygnał „zwiększ” lub „zmniejsz” ilość powietrza nawiewanego. Sygnał wysyłany do regulatora VAV nazywamy sygnałem sterującym i najczęściej jest to wystandaryzowany sygnał napięciowy 2-10 V DC lub 0-10 V DC, jednak w zaawansowanych układach regulacji może to być również sygnał cyfrowy. Regulatory firmy TROX dostosowane są do współpracy zarówno z analogowymi sygnałami sterującymi (napięciowe), jak i różnymi protokołami cyfrowymi (np. MP-bus, Modbus, LonWorks, KNX, SLC).

Podsumowując dotychczas omawiane zagadnienia (patrz artykuł w IR 4/2018), widzimy, że do odpowiedniego wyboru regulatora konieczne jest zarówno określenie typu przetwornika ciśnienia (dynamiczny/statyczny), jak i zdefiniowanie sygnału sterującego. Dla układów regulacji przepływu dedykowane są przetworniki dynamiczne, jednak w przypadku powietrza zanieczyszczonego przetwornik dynamiczny należy zastąpić przetwornikiem statycznym.

Ułatwieniem dla projektanta w poruszaniu się po skomplikowanych algorytmach doboru automatyki do regulatorów VAV jest program Easy Product Finder. Definiując w odpowiednim polu, jakość powietrza: czyste („not contaminated”) lub „zanieczyszczone („contaminated”), następnie sposób regulacji: kontrola przepływu („modulating signal VAV”) oraz protokół komunikacji (np. BC0 = MP-Bus) program automatycznie generuje kod zamówieniowy urządzenia z uwzględnieniem odpowiednich komponentów jak rodzaj przetwornika czy karty komunikacyjnej z BMS.
Dalsze pola odpowiadają za wybór dodatkowych, opcjonalnych funkcji i rodzaju wykonania jak np. szybki siłownik, automatyczne zamknięcie regulatora przy braku zasilania, wykonanie przeciwwybuchowe, zamiana materiału na stal nierdzewną etc.

Regulator VAV sprawdza aktualny przepływ powietrza, porównuje jego wartość z sygnałem sterującym i w razie potrzeby dokonuje korekt położenia przepustnicy tak, aby osiągnąć wartość przepływu zgodną z narzuconą przez sterownik pomieszczeniowy. Zmianie ilości powietrza nawiewanego powinna towarzyszyć analogiczna zmiana w układzie wywiewnym i choć wydaje się to oczywiste, to w realizacji tak proste być nie musi i wymaga odpowiedniej współpracy obu urządzeń regulacyjnych: nawiewnego i wywiewnego.

Kody zamówieniowe komponentów automatyki opisywane są w formie tabelarycznej również w katalogach technicznych urządzeń TROX. Tabele odzwierciedlają podstawowy podział na układy regulacji przepływu i ciśnienia, uwzględniają jakość powietrza oraz pozostałe cechy i funkcje a także umożliwiają wybór innych, dodatkowych wymagań.

Schemat regulacji przepływu – układ równoległy (autonomiczny)

Najczęściej spotykanym układem regulacji jest układ regulacji równoległej, nazywany również autonomicznym. Zasadę działania przedstawia załączony obok schemat. Sygnał sterujący wysyłany ze sterownika pomieszczeniowego (czerwony) kierowany jest równolegle do regulatora nawiewnego i wywiewnego (niebieskie). W przedstawionym przykładzie sterownikiem pomieszczeniowym jest regulator temperatury, lecz może to być dowolny sterownik (np. regulator jakości powietrza z czujnikiem CO2), którego sygnał sterujący jest zgodny z określonym dla urządzenia VAV (analogowy lub cyfrowy).
Obydwa regulatory VAV odbierają tę samą wartość sygnału sterującego (np. z zakresu 0-10 V) jednak nie mają możliwości komunikowania się między sobą, a efekt współpracy nie może być w żaden sposób weryfikowany. W przypadku nieprawidłowego działania jednego z regulatorów VAV (rzeczywista wartość nawiewana jest różna od wartości wynikającej z bieżącego sygnału sterującego) może dojść do zaburzenia bilansu powietrza, a w efekcie znacznego wzrostu nadciśnienia lub podciśnienia w danym pomieszczeniu.
Problem braku współpracy między regulatorami można rozwiązać, stosując regulację nadążną, określaną również jako regulacja master – slave.

Schemat regulacji przepływu – układ nadążny (master – slave)

Podobnie jak w poprzednim układzie zapotrzebowanie na ilość powietrza dostarczanego (wywiewanego) do pomieszczenia generowane jest przez sterownik pomieszczeniowy i przekazywane jest w formie sygnału sterującego dalej do regulatorów VAV.
Z regulacją nadążną mamy do czynienia wtedy, gdy tylko jeden z regulatorów – wiodący (master) otrzymuje sygnał sterujący od sterownika pomieszczeniowego, natomiast drugi z regulatorów – nadążny (slave) prowadzony jest sygnałem rzeczywistej wartości przepływu powietrza, pomierzonego i generowanego w regulatorze wiodącym.
W ten sposób przepływ powietrza w regulatorze „slave” nadąża za przepływem rzeczywistym w jednostce „master” nawet, gdy ten ostatni nie osiągnął wartości zadanej. Innymi słowy, regulator nadążny informowany jest o efekcie działania regulatora wiodącego i dostosowuje swoją pracę do stanu rzeczywistego, zachowując bilans powietrza i ciśnienia w obrębie regulowanej strefy.
Rozwiązanie to sprowadza się do odpowiedniego okablowania obu regulatorów i właściwego ustawienia na nich wartości granicznych Vmin. i Vmax.

Ustawiając nieco przesunięte zakresy pracy Vmin. i Vmax. w regulatorze wiodącym i nadążnym, spowodujemy utrzymanie stałego dodatniego lub ujemnego bilansu powietrza między urządzeniami, a tym samym możemy celowo wpływać na utrzymanie nadciśnienia lub podciśnienia w pomieszczeniu. Regulacja ciśnienia przeprowadzana w ten sposób nie jest jednak precyzyjna. W przykładzie prezentowanym za załączonym schemacie rolę regulatora wiodącego powierzono jednostce nawiewnej, a nadążnego jednostce wywiewnej, jednak możliwe jest również odwrotne ustawienie funkcji regulatorów.
Dlaczego tak istotne jest zachowanie właściwego bilansu powietrza nawiewanego w stosunku do wywiewanego? Przede wszystkim nieodpowiednie zrównoważenie instalacji wentylacji grozi wystąpieniem niekontrolowanej różnicy ciśnienia między sąsiadującymi pomieszczeniami, która w skrajnych przypadkach, może powodować trudności z otwarciem drzwi. Skutkiem nieprawidłowego zbilansowania powietrza mogą być również nieprzyjemne hałasy w szczelinach drzwiowych lub niepożądana infiltracja powietrza zewnętrznego przez okna.
Z drugiej strony, ustawiając świadomie odpowiednie proporcje między ilością powietrza nawiewanego i wywiewanego możemy celowo utrzymywać niewielkie wartości nadciśnienia chroniące pomieszczenie przed infiltracją lub podciśnienia, które ograniczy nam wydostawanie się zapachów.

Regulacja ciśnienia

Zaawansowane układy wentylacji lub pomieszczenia o specjalnych wymaganiach i ostrzejszym rygorze mogą wymagać utrzymania i kontroli nadciśnienia (podciśnienia) jako konkretnej wartości wyrażanej w paskalach [Pa]. W takim przypadku kontrola ilości przepływającego powietrza nie wystarczy, a działanie systemu regulacji musi opierać się na pomiarze i kontroli wielkości, jaką jest ciśnienie. Systemy z kontrolą ciśnienia wymagają, aby jeden z pary regulatorów (np. nawiewny) odpowiadał za kontrolę przepływu, natomiast drugi za stabilizację różnicy ciśnienia między danym pomieszczeniem a przestrzenią odniesienia. Regulator odpowiedzialny za utrzymanie różnicy ciśnienia będzie wyposażony w statyczny przetwornik różnicy ciśnienia i nie będzie wykorzystywał elementów pomiarowych umieszczonych w strudze powietrza, jak ma to miejsce w układach regulacji wydatku powietrza, natomiast rurki impulsowe będą łączone z przestrzeniami względem których regulowane będzie ciśnienie.

Przykład regulacji ciśnienia w pomieszczeniu prezentuje zamieszczony obok schemat. Regulator umieszczony na nawiewie stabilizuje nadciśnienie w sali operacyjnej. Rurka impulsowa wysokiego ciśnienia doprowadzona jest do przetwornika z kubatury sali natomiast rurka impulsowa niskiego ciśnienia powinna łączyć powietrznie przestrzeń w stosunku do której utrzymywane jest nadciśnienie. W regulatorze nawiewnym wykorzystany będzie przetwornik statyczny (membranowy). O ilości powietrza wentylacyjnego będzie decydował drugi regulator, z kontrolą przepływu, nastawiony na konkretną wartość, umieszczony na wywiewie (nie jest pokazany na schemacie), natomiast regulator nawiewny będzie kompensował wywiew z pewną nadwyżką, która ucieknie przez nieszczelności pomieszczenia. Im szczelniejsze pomieszczenie, tym różnica w ilości powietrza nawiewanego i wyciąganego przez oba regulatory będzie mniejsza. Do realizacji funkcji regulacji przepływu może być również zastosowany regulator CAV, np. typu RN lub EN, dodatkowo wyposażony w siłownik dwupozycyjny, utrzymujący wydatek projektowy Vmax. w czasie pracy pomieszczenia oraz Vmin. w czasie, gdy pomieszczenie nie jest używane lub gdy chcemy ograniczyć do minimum stopień jego wentylacji.

Regulacja ciśnienia w przewodzie jest częścią systemu rozdziału powietrza w instalacjach wentylacyjnych budynków.
W budynkach o długich korytarzach i wielu jednakowych pomieszczeniach zadanie regulacji można zredukować do regulacji ciśnienia statycznego w danym odcinku sieci przewodów. Zamiast regulatorów w każdym pomieszczeniu stosuje się wtedy przepustnice statyczne. Regulację ciśnienia w przewodzie przeprowadza regulator VAV, wyposażony w przetwornik statyczny.

Podobnie jak to miało miejsce w układach regulacji przepływu, wybór regulatora powinien uwzględniać dodatkowe cechy definiowane jego zastosowaniem, czyli np. zakres różnicy ciśnienia, w jakiej będzie pracował przetwornik („room” = kontrola ciśnienia w pomieszczeniu) lub („duct” = kontrola ciśnienia w kanale ), szybki siłownik, automatyczne zamykanie lub otwieranie regulatora w przypadku braku zasilania.

Podsumowanie

Dobór regulatora dla prostych aplikacji nie jest sprawą bardzo skomplikowaną, a koncentracja wysiłku będzie ograniczać się do kontroli zakresu jego pracy i hałasu, jaki wytwarza on w instalacji. Temat ten omówiony został w artykule „regulatory VAV – zasady doboru” w IR 3/2018. Do takich aplikacji firma TROX przewidziała zastosowanie regulatorów z automatyką „Easy”. Automatyka „Easy” służy wyłącznie do regulacji przepływu powietrza, zawiera przetwornik dynamiczny, a sygnałem wiodącym jest wystandaryzowany, analogowy sygnał napięciowy w zakresie 0-10 V DC. Całość automatyki: przetwornik, sterownik siłownik, mieszczą się w jednej kompaktowej obudowie niewielkich rozmiarów. Z regulatorów „Easy” można budować układy regulacji indywidualnej („single”) oraz nadążnej („master-slave”) z możliwością odczytu wartości przepływu rzeczywistego (sygnał napięciowy 0-10 V DC)

W zależności od potrzeb użytkownika firma TROX dostosowuje automatykę swoich urządzeń do wymagań systemu instalacyjnego, oferując szeroki wachlarz sterowników od prostych, kompaktowych po indywidualnie konfigurowane z dodatkowymi funkcjami np. bezpieczeństwa, szybkimi siłownikami, przeznaczone do powietrza zanieczyszczonego lub środowiska zagrożonego wybuchem oraz możliwością komunikacji z systemem BMS.

Warto również zwrócić uwagę na rosnącą rolę zastosowania komunikacji cyfrowej w systemach wentylacji i klimatyzacji obiektów (MP-bus, Modbus, LonWorks, KNX i inne). Pozwala ona na dwukierunkową komunikację nie tylko między poszczególnymi regulatorami, ale również pomiędzy wszystkimi elementami systemu, łącznie z centralą wentylacyjną, zaworami regulacyjnymi, czujnikami CO2, czujnikami ruchu etc. umożliwiając kompleksową obsługę systemu wraz z optymalizacją jego pracy i zużycia energii. Zadanie integracji systemu, zarządzania i wymiany informacji realizują sterowniki X-AIRCONTROL zaprojektowane do sterowania poszczególnymi pomieszczeniami X-AIRCONTROL-ZONE, jak i całością systemu X-AIRCONTROL-MASTER, dla których doskonałym uzupełnieniem mogą być naścienne panele dotykowe X-AIR-CP, jak i czujniki temperatury, wilgotności, jakości powietrza i inne X-SENS.

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