Kamil SZKARŁAT* Tomasz MRÓZ** Optymalizacja sterowania przepływem powietrza, Komfort klimatyczny Budownictwo niskoenergetyczne i pasywne Sterowanie ciągłe i dyskretne regulatorami VAV i CAV, Systemy regulacji zdecentralizowanej. METODY OPTYMALIZACJI REGULACJI PARAMETRÓW UTRZYMANIA KOMFORTU KLIMATYCZNEGO W ZDECENTRALIZOWANYM SYSTEMIE WENTYLACYJNO- OGRZEWCZYM W referacie przedstawiono metody optymalizacji regulacji parametrów utrzymania komfortu klimatycznego w budynkach niskoenergetycznych oraz pasywnych. Analizę przeprowadzono dokonując regulacji parametrów temperatury oraz stężenia ditlenku węgla w zdecentralizowanym systemie wentylacyjno-ogrzewczym. Przeprowadzone badania teoretyczno-symulacyjne potwierdzone zostały szeregiem praktycznych pomiarów na fizycznym obiekcie budynku pasywnego z modyfikowanym układem instalacji. Przedstawione wyniki badań są porównaniem i oceną różnych systemów sterowania przy stałym i zmiennym przepływie powietrza (regulatory CAV i regulatory VAV) oraz ich integracji z centralą wentylacyjną. Każdą analizę i optymalizacje przeprowadzono pod kątem integracji dwóch kryteriów: minimalizacji zużycia energii oraz zachowania optymalnych warunków klimatycznych w danych pomieszczeniach z uwzględnieniem działających na nie wszelkich obciążeń zewnętrznych i wewnętrznych. 1. WPROWADZENIE Ciągła modernizacja budynków, związana przede wszystkim z wprowadzeniem certyfikacji energetycznej, doprowadziła do dynamicznego rozwoju technologii budownictwa niskoenergetycznego. W budynkach tego typu (np. budynki pasywne) dzięki zapewnieniu dobrej izolacji termicznej oraz szczelności, możliwe jest wyeliminowanie tradycyjnych systemów ogrzewania, na rzecz zintegrowanych * Zakład Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Adama Mickiewicza, Collegium Polonicum ul. Kościuszki 1, 69-100 Słubice. ** Instytut Inżynierii Środowiska, Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań.
systemów wentylacyjno-ogrzewczych. Optymalny mikroklimat w danych pomieszczeniach budynków niskoenergetycznych możliwy będzie do utrzymania tylko w zintegrowanych i wyposażonych w inteligentne sterowanie systemach [7]. 1.1. OKREŚLENIE KOMFORTU KLIMATYCZNEGO Jedną z głównych składowych wyznaczających komfort klimatyczny jest komfort termiczny. Stanowi on idealny stan temperaturowy pomieszczenia, gwarantujący przebywającym w nim osobom zachowanie zrównoważonego bilansu cieplnego. Dodatkowo kolejnym składnikiem jest czystość samego powietrza, określana najczęściej poprzez stężenie CO 2 Parametry te w połączeniu z poziomem hałasu i prędkością przepływu powietrza są istotnym elementem pozytywnego odbioru otaczającego środowiska. W związku z tym odpowiednie sterowanie w budynku pasywnym powinno uwzględniać szereg czynników prowadzących do utrzymania komfortu klimatycznego w pomieszczeniach oraz zapewnienie parametrów powietrza w taki sposób, aby przebywanie w nich nie prowadziło do zaburzeń zdrowotnych (np. zespół chorego budynku SBS, Sick Building Syndrome) [3]. 2.PARAMETRY PROJEKTOWO-SYMULACYJNE Przy projektowaniu urządzeń wentylacyjnych, które zapewnić mają w pomieszczeniu założoną temperaturę, wilgotność względną oraz czystość powietrza niezależnie od zmian warunków zewnętrznych i zjawisk zachodzących w pomieszczeniu, które symbolicznie przedstawione zostały na rysunku nr 1, strumień powietrza wentylującego oblicza się na podstawie bilansu ciepła całkowitego z uwzględnieniem entalpii powietrza w danym pomieszczeniu. Rys. 1. Schemat blokowy przepływu sygnałów w systemie utrzymania komfortu klimatycznego [9] Fig. 1. Block scheme of signal-flow in a maintenance system of climate comfort [9]
Obliczenia odpowiedniego, dostarczanego strumienia powietrza można przeprowadzać, na szereg sposobów. Jedną z możliwości jest wyznaczanie tzw. obciążeń zewnętrznych i wewnętrznych, które bazować mogą na normach ISO13790, czy VDI2078 [2,4,8]. Bilans ciepła całkowitego obejmuje strumienie energii cieplnej wywołujące jawny skutek zmiany temperatury oraz energię wnoszoną do powietrza w wyniku parowania wody. Chcąc nie dopuścić do zmiany entalpii w pomieszczeniu od założonego poziomu należy podać strumień powietrza bazujący na równaniach entalpicznych, który będzie niezbędnym do usunięcia jawnych i utajonych zysków ciepła. V = ρ ( hw hn ) gdzie: V strumień powietrza wentylującego, 2.1.TEMPERATURA Chcąc utrzymać temperaturę pomieszczenia na określonym poziomie uwzględnić należy mające na nią wpływ obciążenia danego pomieszczenia oraz jakość powietrza nawiewanego. Temperatura powietrza nawiewanego nie powinna być zbyt niska, gdyż może wystąpić wrażenie przeciągu lub suchego powietrza. W zależności od rodzaju nawiewników oraz sposobu organizacji wymiany powietrza w pomieszczeniu różnica między temperaturą powietrza w pomieszczeniu i temperaturą powietrza nawiewanego winna wynosić θ=5-12k. Strumień powietrza wyznaczyć można z zależności (1): Q zc Q zc m 3 (1) zyski ciepła całkowitego, ρ gęstość powietrza, h w entalpia powietrza wywiewanego (entalpia powietrza w pomieszczeniu), h n entalpia powietrza nawiewanego h 2.2.STĘŻENIE DITLENKU WĘGLA Regulacja, dla której parametrem głównym jest stężenie ditlenku węgla, powinna uwzględniać przede wszystkich stężenie CO 2 emitowanego przez człowieka oraz zanieczyszczenie samego powietrza w kanale nawiewnym. Uwzględniając te czynniki wyznaczenie strumienia powietrza wentylującego będzie miało postać (2): gdzie: C V = Φ k w k n h m 3 (2)
V strumień powietrza wentylującego, k n stężenie CO 2 w powietrzu nawiewanym, k w stężenie CO 2 w powietrzu wywiewanym, C ilość stężenia CO 2 emitowanego przez człowieka. 2.3.BADANIA SYMULACYJNE Dokonując szeregu obliczeń oraz badań symulacyjnych wyznaczono odpowiednie strumienie dla budynku i jego odpowiednich stref. Przykładowe zestawienie symulacyjne przebiegu strumienia oraz jego odpowiedzi regulacji z regulatorami typu P, PI oraz PID przedstawiono na rysunku nr 2. Rys. 2. Symulacja strumienia powietrza z regulacją: a) P, b) PI oraz c) PID. Fig. 2. Simulation air-stream with control: a)p, b) PIS and c) PID. 3.BADANY OBIEKT Rzeczywisty obiekt badawczy budynku pasywnego znajduje się na terenie kampusu Politechniki Poznańskiej. Jest on parterowym, wolnostojącym budynkiem z podpiwniczeniem, w którym została zainstalowana centrala wentylacyjna. Posiada on 5 pomieszczeń biurowych, łazienkę, toaletę oraz hall. Poziom parteru po modernizacji samego budynku wykonany został w technologii budownictwa pasywnego, spełniając wszelkie wymogi związane z ociepleniem i uszczelnieniem [1].
Symboliczny schemat sterowania w układzie regulacji strefowej z regulatorami VAV przedstawiony został na rysunku nr 3. Rys. 3. Sterowanie w układzie regulacji strefowej z regulatorami VAV. Fig. 3. Control in multi-zone control system with VAV. 4.WYNIKI BADAŃ Po przeprowadzonych analizach teoretyczno-symulacyjnych, zaprogramowano algorytmy optymalnego sterowania. Przykładowe wyniki przebiegu (uśrednione wartości miesięczne) temperatury oraz stężenia CO 2 przedstawione są na rysunku nr 4. Rys. 3. Sterowani w układzie regulacji strefowej z regulatorami VAV. Fig. 3. Control in multi-zone control system with VAV. 5.WYNIKI BADAŃ Z przeprowadzonych analiz wnioskować można, że optymalne wyregulowanie zapewniające komfort klimatyczny w każdej osobnej strefie regulacji, możliwe jest
poprzez zastosowanie systemu zdecentralizowanego z regulatorami VAV oraz sprzężonego z samoadaptacyjnymi algorytmami sterowania. Podczas badań stwierdzono dodatkowo, że bez zastosowania dodatkowych elementów systemu nawilżających powietrze, przy ogrzewaniu powietrzno-wentylacyjnym, nie ma możliwości regulacji ze względu na wilgotność względną panującą w danych strefach regulacji. LITERATURA [1] BASIŃSKA M., KRZYŻANIAK G., Zintegrowany układ grzewczo-chłodzący z wymiennikiem gruntowym. Koncepcja stanowiska doświadczalnego; Chłodnictwo tom XLIII 2008r nr 11, [2] PEŁECH A. Wentylacja i klimatyzacja - podstawy, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2008, [3] SUDOŁ_SZOPIŃSKA I.., CHOJNACKA A.: Określenie warunków komfortu termicznego w pomieszczeniach za pomocą wskaźników PMV i PPD; Bezpieczeństwo pracy 5/2007, [4] SZKARŁAT K., MRÓZ T., Analiza porównawcza metod optymalizacji regulacji temperatury w budynku pasywnym na podstawie wyznaczenia obciążeń, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Zeszyt nr 57, 4/2010, [5] SZKARŁAT K., MRÓZ T., Strategia optymalnego sterowania układami utrzymania komfortu klimatycznego w budynku pasywnym, INSTAL 6/2009, Warszawa 2009, [7] SZKARŁAT K., MRÓZ T., Wpływ systemów zarządzania budynkiem (BMS) na charakterystykę energetyczna budynku, Energia i Budynek nr 8/2010, [8] VDI-2078. Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kuhllastregeln), Düsseldorf 1996, [9] ZAWADA B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji. Od klimatyzatorów indywidualnych po systemy VAV (część 1 i 2), Chłodnictwo&Klimatyzacja 4/5/2004, ABSTRACT THE OPTIMIZATION METHODS OF CONTROL OF INDOOR CLIMATE COMFORT PARAMETERS IN A DECENTRALIZED HEAT-VENTILATION SYSTEM. This article presents the methods of optimal control of indoor climate comfort in low energy and passive buildings. The analysis was done by the control of temperature and carbon dioxide concentration parameters in a decentralized heat-ventilation system. Theoretical analysis and simulations were verified by numerous measurements in a physical object of a passive building with a modifiable installation system. The presented results are the comparison and evaluation of various control systems at constant or variable air flow (CAV and NAV controllers) and their integration with the ventilation center. Each analyzes and optimization was made using two criteria: first to minimalize energy dissipation second to set up optimal climate condition in chambers looking at indoor and outdoor environment changes.