PRIMERJAVA OBRATOVANJA KONVEKTORSKEGA OGREVANJA … · 2017-11-28 · UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Renato BRODAR PRIMERJAVA OBRATOVANJA KONVEKTORSKEGA OGREVANJA IN

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Renato BRODAR

PRIMERJAVA OBRATOVANJA

KONVEKTORSKEGA OGREVANJA IN

HLAJENJA Z UPORABO NOTRANJE IN

ZUNANJE TEMPERATURE

Magistrsko delo

študijskega programa 2. stopnje

Strojništvo

Maribor, junij 2015

PRIMERJAVA OBRATOVANJA

KONVEKTORSKEGA OGREVANJA IN

HLAJENJA Z UPORABO NOTRANJE IN

ZUNANJE TEMPERATURE

Magistrsko delo

Študent(ka): Renato BRODAR

Študijski program 2. stopnje:

Strojništvo

Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo

Mentor: izr. prof. dr. Jure MARN

Maribor, junij 2015

- II -

- III -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Juretu MARNU

za pomoč in vodenje pri opravljanju magistrskega dela.

Zahvaljujem se tudi zaposlenim v podjetjih VETO

d.o.o., BOSSPLAST d.o.o. in KAGER HIŠA d.o.o., saj

so mi zmeraj priskočili na pomoč z informacijami in

strokovnimi odgovori na moja vprašanja.

Posebna zahvala velja družini, ki mi je stala ob strani na

vsakem koraku v času študija in podjetju SLADA

d.o.o., ki mi je omogočilo potrebno fleksibilnost za

dokončanje študija zaposlitvi navkljub.

- IV -

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................. 1

1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA MAGISTRSKEGA DELA ....................................................... 1

1.2 STRUKTURA MAGISTRSKEGA DELA ............................................................................... 2

2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE ...................................... 3

2.1 RAZŠIRJENOST UPORABE VENTILATORSKIH KONVEKTORJEV ........................................ 3

2.2 PROBLEMATIKA OBRATOVANJA VENTILATORSKIH KONVEKTORJEV .............................. 4

3 OBRAVNAVAN RAZISKOVALNI OBJEKT .............................................................. 5

3.1 IZBIRA OBJEKTA ............................................................................................................ 5

3.2 IZRAČUN TOPLOTNIH IZGUB IN DOBITKOV ..................................................................... 7

3.3 DIMENZIONIRANJE OGREVALNO-HLADILNEGA SISTEMA ............................................... 9

Dimenzioniranje toplotne črpalke ...................................................................... 10

Dimenzioniranje sistema za nesimetrično dobavo toplote in hladu ................... 12

Dimenzioniranje ustreznega hranilnika toplote in hladu .................................... 17

Dimenzioniranje ventilatorskih konvektorjev .................................................... 19

4 DELOVANJE KONVEKTORJEV IN PRENOS TOPLOTE .................................... 22

4.1 SPLOŠNE ZNAČILNOSTI KONVEKTORJEV...................................................................... 22

Izvedbe konvektorjev ......................................................................................... 22

4.2 NAČIN DELOVANJA VENTILATORSKIH KONVEKTORJEV ............................................... 24

Izbrani konvektorji v izvedbenem primeru ........................................................ 25

Izvedba registra toplotnega prenosnika v ventilatorskem konvektorju .............. 27

4.3 MEHANIZMI PRENOSA TOPLOTE PRI VENTILATORSKIH KONVEKTORJIH ....................... 28

Prenos toplote s konvekcijo ................................................................................ 28

Prenos toplote znotraj konvektorskega cevnega registra .................................... 30

4.4 VPLIV KONVEKTORJA NA BIVALNO UGODJE ................................................................ 32

- V -

Bivalne razmere in toplotno ugodje.................................................................... 32

Toplotne razmere ................................................................................................ 33

Vpliv ventilatorja na toplotne razmere ............................................................... 35

5 NADZOR OBRATOVANJA VENTILATORSKIH KONVEKTORJEV ................. 37

5.1 OSNOVNI ELEMENTI REGULACIJE KONVEKTORJEV ...................................................... 37

Regulacijski ventil .............................................................................................. 38

Ventilator ............................................................................................................ 38

Temperaturna tipala ............................................................................................ 38

Regulacijske nadzorne enote .............................................................................. 39

5.2 VRSTE REGULACIJE IN OBDELAVE PODATKOV VENTILATORSKIH KONVEKTORJEV ...... 40

Osnovni način regulacije vklop/izklop ............................................................... 40

Nadzor sistema s proporcionalno zanko ............................................................. 42

Nadzor sistema s proporcionalno integralno zanko ............................................ 43

Nadzor sistema s proporcionalno integralno diferencialno zanko...................... 44

5.3 PRIMERJAVA OBRATOVANJA Z UPORABO ZUNANJE IN NOTRANJE TEMPERATURE ........ 45

Nadzor obratovanja v odvisnosti od temperature v prostoru .............................. 45

Optimizacija nadzora obratovanja glede na notranjo temperaturo ..................... 46

Nadzor obratovanja v odvisnosti od zunanje temperature.................................. 48

Optimizacija nadzora obratovanja glede na zunanjo temperaturo ...................... 50

6 SKLEP .............................................................................................................................. 54

7 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ........................................................................... 56

- VI -

PRIMERJAVA OBRATOVANJA KONVEKTORSKEGA OGREVANJA IN

HLAJENJA Z UPORABO NOTRANJE IN ZUNANJE TEMPERATURE

Ključne besede: konvektor, toplotna črpalka, ogrevanje, hlajenje, regulacija, P regulator, PI

regulator, PID regulator

UDK klasifikacija: [621.577+536.2]:697+681.536(043.2)

POVZETEK

V magistrskem delu smo na podlagi rezultatov izračuna toplotnih izgub in dobitkov

dimenzionirali ogrevalno-hladilni sistem s toplotno črpalko zrak/voda in ventilatorskimi

konvektorji. Pri obravnavi sistema smo se osredotočili predvsem na dimenzioniranje sistema

nesimetrične dobave toplote in hladu, ki se razlikuje od splošno uporabljenega projektantskega

pristopa dimenzioniranja na višjo porabo energije. Na podlagi predpostavke trajanja dnevne

ogrevalne in hladilne obremenitve ter sezone ogrevanja in hlajenja v danih podnebnih

razmerah smo potrdili pravilno dimenzioniranje toplotne črpalke na nižjo porabo. V

nadaljevanju smo obravnavali delovanje ventilatorskih konvektorjev in mehanizme prenosa

toplote pri obratovanju le-teh ter se posvetili zagotavljanju ugodnih bivalnih razmer. V ta

namen smo raziskali tudi številne možnosti nadzora obratovanja konvektorjev in izvedli

primerjavo obratovanja glede na notranjo in zunanjo temperaturo. Pri obratovanju

konvektorjev glede na notranjo temperaturo smo ugotovili, da je smiselno obravnavati izbiro

ustreznega tipa sobnega temperaturnega tipala, ki zaznava spremembo temperature na

podoben način kot človek in presodili, da je za delovanje najprimernejša regulacija s PID

zanko, ki omogoča znižanje občutljivosti sistema in minimalna temperaturna nihanja. Pri

nadzoru obratovanja sistema v odvisnosti od zunanje temperature smo ugotovili, da je v

primerjavi z nadzorom v odvisnosti od notranje temperature ta način obratovanja bolj

primeren, saj omogoča manjše pogreške in bolj stabilno delovanje sistema. Presodili smo, da

bi bil optimalen sistem nadzora v odvisnosti od zunanje temperature sistem s PI regulatorjem

ob kompenzaciji zunanje motnje, pri čemer bi bila nihanja temperature minimalna.

- VII -

COMPARISON OF CONVECTOR FAN UNIT HEATING AND COOLING

USING INDOOR AND OUTDOOR TEMPERATURE

Key words: fan coil, heat pump, heating, cooling, regulation, P controller, PI controller, PID

controller

ABSTRACT

The subject of the present Master thesis is the design of a heating-cooling system with an

air/water heat pump and fan coils based on the calculation of heat losses and gains. In selected

example, we focused on the design of a system with asymmetric supply of heat and cold, which

differs from the conventional design methods, based on dimensioning for a higher energy

consumption. Based on the assumed duration of daily heating and cooling load and heating

and cooling season in given climate conditions, we confirmed the correct sizing of the heat

pump at a lower energy consumption. In addition, we researched the functioning of fan coils

and different types of heat transfer. We tried to ensure optimal living conditions. For this

purpose we studied various controlling options of fan coils and performed a comparison of fan

coils operation according to the inside and outside temperature. When controlling fan coil

according to the inside temperature, we noted that it is reasonable to consider the selection of

the appropriate type of room temperature sensor that perceives temperature changes in a

similar way as a human and figured that PID controller is the most appropriate type of

regulation. This type of regulation reduces the sensitivity of the system and minimizes

temperature fluctuations. When controlling fan coil according to the outside temperature, we

found that compared to a controlling based on an inside temperature, the former is more

convenient, because it allows for smaller errors and more stable operation of the system. We

assessed that the optimal control system using outside temperature would be a system with PI

controller that would also be able to compensate for the external disturbance. In this manner

the temperature fluctuations would be minimal.

- VIII -

UPORABLJENI SIMBOLI

𝐴 - površina [m2]

𝐴𝑡 - skupna površina toplotnih prenosnikov [m2]

𝑐 - specifična toplota zraka [J/kgK]

𝑐𝑣 - specifična toplota vode [J/kgK]

𝑐𝑝 - specifična toplota vlage v zračnem toku [J/kgK]

C - skupna toplotna kapaciteta prostora [J/K]

𝑑 - hidravlični premer cevi [m]

𝑓𝑠 - količina dovedenega zraka iz konvektorjev [kg/h]

𝑓𝑠0 - optimalna količina dovedenega zraka iz konvektorjev [kg/h]

𝑔 - delež vlage na kilogram suhega zraka

𝑔𝑝𝑟 - delež vlage v prostoru

𝑔𝑠 - delež vlage v dovedenem zraku v prostor

ℎ𝑓𝑠 - latentna toplota izhlapevanja [J/kg]

k - toplotna prehodnost [W/m2K]

𝑚 - masa [kg]

�̇�𝑎 - masni pretok suhega zraka [kg/h]

𝑃 - potrebna ogrevalna/hladilna moč [W]

𝑃𝑎𝑖𝑟 - moč toka zraka ventilatorja [W]

𝑃𝑓𝑎𝑛 - moč ventilatorja [W]

𝑝𝑡𝑜𝑡 - skupni tlak ventilatorja [Pa]

𝑅 - skupna toplotna upornost [m2K/W]

𝑅𝑎 - termična upornost zračnega filma [m2K/W]

𝑅𝑤 - termična upornost vodnega filma [m2K/W]

𝑅𝑚 - termična upornost cevi [m2K/W]

𝑄𝐻 - skupne potrebe po toplotni moči [𝑊]

𝑄𝑐 - skupne potrebe po hladilni moči [𝑊]

𝑄𝑔ℎ - potrebna ogrevalna oziroma hladilna moč, [𝑊]

𝑄𝑡 - skupna odvzeta toplota [𝑊]

𝑄𝑠 - senzibilna toplota [𝑊]

𝑄𝑓𝑎𝑛 - proizvedena toplota ventilatorja [𝑊]

- IX -

𝑞𝑙 - toplotna obremenitev znotraj prostora [W]

𝑞𝑡ℎ - toplotna obremenitev skozi ovoj stavbe [W]

∆𝑇 - temperaturna razlika [°C]

𝑇𝑧 - zunanja temperatura [℃]

𝑇𝑛 - notranja temperatura [℃]

𝑇𝑠 - temperatura zraka na izstopu iz konvektorja [℃]

𝑇𝑣 - temperatura zraka na vstopu v konvektor [℃]

𝑡𝑤𝑎 - temperatura vode na dovodni cevi konvektorja [℃]

𝑡𝑤𝑏 - temperatura vode na odvodni cevi konvektorja [℃]

∆𝑇𝑙𝑚 - srednja logaritemska temperaturna razlika med tokom zraka, ki vstopa v

prenosnik in vodo v prenosniku [°C]

𝑇𝑟 - srednja sevalna temperatura [℃]

𝑇𝑜 - operativna sprememba temperature, [℃]

∆𝑇𝑠𝑟 - srednja logaritemska temperaturna razlika med tokom zraka, ki izstopa iz

prenosnika in temperaturo na površini prenosnikov [°C]

∆𝑇𝑠𝑚 - temperatura na površini prenosnika [°C]

𝑇𝑝𝑟 - temperatura prostora [℃]

𝑇𝑛𝑎 - nastavljena temperatura v prostoru [℃]

𝑇𝑖𝑧 - izmerjena temperatura v prostoru [℃]

𝑡 - čas [s]

�̇� - volumski pretok [m3/h]

𝑉𝐻𝑇 - prostornina hranilnika toplote [𝑙]

𝑊 - energija [𝐽]

𝜆 - toplotna prevodnost [W/mK]

𝜐 - kinematična viskoznost [m2/s]

𝛼 - koeficient toplotne prestopnosti [W/m2K]

𝛼𝑟 - koeficient sevanja pri človeku [W/m2K]

𝜌 - gostota zraka [kg/m3]

𝐹 - korekcijski faktor

𝐾 - proporcionalni faktor statičnega ojačanja

𝑆 - razmerje skupne odvedene senzibilne toplote ter skupne odvedene toplote

𝑠 - operator Laplaceove transformacije

𝑃𝑒 - Pecletovo število

- X -

𝑁𝑢 - Nusseltovo število

𝑃𝑟 - Prandtlovo število

Re - Reynoldsovo število

𝑇𝑖 - integralna časovna konstanta

𝑇𝑑 - diferencialna časovna konstanta

𝑥 - izhodna veličina regulacije

𝑦 - vhodna veličina regulacije

𝜂𝑡 - izkoristek ventilatorja

𝜃𝑒 - zunanja projektna temperatura

𝜃𝑖𝑛𝑡,𝑖 - srednja letna temperatura

𝜃𝑖𝑛𝑡,𝑖𝑝𝑜𝑙 - projektna temperatura poleti

𝜃𝑖𝑛𝑡,𝑖𝑝𝑜𝑧 - projektna temperatura pozimi

- XI -

UPORABLJENE KRATICE

HVAC - Heating, ventilation, air conditioning

KSO - Konec sezone ogrevanja

KSH - Konec sezone hlajenja

ZSO - Začetek sezone ogrevanja

ZSH - Začetek sezone hlajenja

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo

- 1 -

1 UVOD

1.1 Opis splošnega področja magistrskega dela

Področje magistrskega dela obsega ogrevanje in hlajenje stanovanjskega objekta s toplotno

črpalko zrak/voda ter ventilatorskimi konvektorji.

Predmet obravnave je bila predpostavka, da vklop ventilatorja v odvisnosti od notranjega

tipala z vidika prenosa toplote ni optimalen. V ta namen smo raziskali različne možnosti

delovanja konvektorjev in izvedli primerjavo obratovanja konvektorjev glede na zunanjo in

notranjo temperaturo.

Osredotočili smo se na zagotavljanje najugodnejših temperaturnih razmer ob kar se da

majhnih temperaturnih razlikah. Konvektorji iz vidika prenosa toplote omogočajo pri svojem

delovanju relativno majhno temperaturno diferenco, ki je lahko povrhu vsega še konstantna.

Manj ugoden je njihov vpliv na bivalne razmere zaradi učinkov ventilacije.

Želeli smo izbrati poljubne konvektorje na tržišču, ugotoviti njihovo toplotno moč in

poiskati najmanjšo temperaturno razliko glede na posamezne tipe regulacije.

Omejitve raziskave se kažejo v reprezentativnosti vzorca, saj smo izbrali zgolj en objekt,

vsa obravnava pa se je nanašala le na dotične razmere izbranega objekta. Omejitve se kažejo

tudi z vidika izbire konvektorjev. Izbira konvektorjev je na trgu precejšnja, mi pa smo se

odločili le za eno vrsto in ugotavljali razmere pri danih konvektorjih. Kritično omejitev

predstavlja dejstvo, da raziskave nismo empirično potrdili zaradi finančnih in časovnih

nezmožnosti.

Osnovno vsebino magistrskega dela predstavlja uporaba klasičnega razvoda za ogrevanje

in hlajenje s toplotno črpalko ter s tem povezanimi prihranki, pri čemer smo večjo pozornost

posvetili sistemu za nesimetrično dobavo toplote in hladu.

Po izbiri izvedbenega objekta, transmisijskem izračunu in ustreznem dimenzioniranju

sistema toplotne črpalke ter konvektorjev, smo se lotili elementov prenosa toplote v

konvektorju in vplivov le-teh na bivalne razmere. Obravnavali smo enačbo 𝑄 = 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇 z

upoštevanjem faktorja, odvisnega od ventilatorja. S primerjavo različnih možnosti nadzora

obratovanja konvektorjev glede na notranjo in zunanjo temperaturo, smo se želeli dokopati do

optimalnega načina delovanja sistema ob zagotavljanju bivalnega ugodja.


- 2 -

1.2 Struktura magistrskega dela

Po uvodnem poglavju smo na začetku magistrskega dela predstavili trenutno stanje

obravnavane problematike, kar se nanaša predvsem na razširjenost uporabe konvektorskega

načina ogrevanja in hlajenja ter osnovnimi posebnostmi, ki se pojavljajo pri tem. V naslednjem

poglavju smo izbrali izvedbeni objekt, pri katerem smo uporabili izračun toplotnih izgub in

dobitkov ter na podlagi tega dimenzionirali ustrezno toplotno črpalko in ventilatorske

konvektorje. V tem delu smo tudi namenili pozornost dimenzioniranju sistema, za katerega je

značilna nesimetrična dobava toplote in hladu. V četrtem poglavju smo uvodoma predstavili

osnovne značilnosti in način delovanja ventilatorskih konvektorjev ter se posvetili

mehanizmom prenosa toplote znotraj naprave in posledično vplivu prenosa toplote na toplotne

razmere v prostoru. V petem poglavju smo obširneje predstavili osnovne elemente in načine

regulacije konvektorjev ter izvedli primerjavo obratovanja glede na zunanjo in notranjo

temperaturo. Predstavili smo tudi ustrezne rešitve glede na različne stopnje bivalnega ugodja s

čim nižjimi razlikami temperatur. V sklepu smo navedli še glavne pomanjkljivosti dane

primerjave in predstavili smernice za nadaljnje delo.


- 3 -

2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE

Konvektorji so na področju ogrevanja prisotni že dalj časa. Prvi konvektorji so bili enostavne

izvedbe, njihovo celotno delovanje pa je temeljilo zgolj na naravni konvekciji. Tak pristop je

za premagovanje enakih toplotnih potreb posledično zahteval višje temperaturne režime.

Sodobni ventilatorski konvektorji na trgu danes predstavljajo HVAC enote, sposobne ogrevanja

in hlajenja bivalnih prostorov v povezavi s sodobnimi načini nadzora obratovanja. Uporabljamo

jih lahko kot primarni ali sekundarni sistem ogrevanja in hlajenja ter jih največkrat

dimenzioniramo v povezavi s sodobnimi viri ogrevanja (na primer toplotnimi črpalkami).

Področje uporabe se najpogosteje nanaša predvsem na stanovanjske in poslovne objekte, pestra

izbira na trgu pa omogoča izpolnjevanje energetskih zahtev tako v majhnih, kot tudi v večjih

poslopjih.

2.1 Razširjenost uporabe ventilatorskih konvektorjev

Evropski trg ventilatorskih konvektorjev je sestavljen iz približno ene četrtine dvocevnih in treh

četrtin štiricevnih konvektorjev. Najbolj prodajani so stenski konvektorji z masko (35 %),

sledijo stenski konvektorji brez maske (28 %), kasetne enote (18 %) in podstropni konvektorji

(16 %). Količino prodanih enot na evropskem trgu za leto 2010 prikazuje preglednica 2.1, več

podatkov pa je dostopnih na svetovnem spletu [19].


- 4 -

Preglednica 2.1: Količine prodanih enot na evropskem trgu v letu 2010

Države Količina prodaje po enotah Delež

Italija 409.830 32,1 %

Francija 168.028 13,2 %

Vzhodna Evropa 153.847 12,1 %

Španija 91.575 7,2 %

Rusija, Ukrajina in skupnost neodvisnih držav (SND) 87.054 6,8 %

Turčija 70.682 5,5 %

Velika Britanija in Irska 69.169 5,4 %

Nemčija 63.256 5,0 %

Skandinavija in Baltske države 39.124 3,1 %

Beneluks 33.725 2,6 %

Grčija 33.292 2,6 %

Poljska 32.987 2,6 %

Portugalska 22.957 1,8 %

Vir: Prirejeno po viru [19].

2.2 Problematika obratovanja ventilatorskih konvektorjev

Kljub precejšnji razširjenosti uporabe ventilatorskih konvektorjev se pri uporabi še zmeraj

pojavljajo določene težave. Če se osredotočimo zgolj na bivalno ugodje, problematika v

splošnem zajema predvsem:

ustrezno dimenzioniranje konvektorjev glede na toplotne in hladilne potrebe po

posameznih prostorih,

ustrezno izbiro tipov konvektorjev in njihovo primerno postavitev v prostoru,

ustrezen nadzor obratovanja konvektorjev zaradi zagotavljanja ugodnih bivalnih razmer.


- 5 -

3 OBRAVNAVAN RAZISKOVALNI OBJEKT

3.1 Izbira objekta

Izbrani izvedbeni objekt predstavlja enostanovanjska družinska hiša montažne gradnje.

Slika 3.1: Izvedbeni objekt - SV in JV stran

Vir: [6].


- 6 -

Slika 3.2: Izvedbeni objekt - JZ in SZ stran

Vir: [6].


- 7 -

3.2 Izračun toplotnih izgub in dobitkov

Izračun toplotnih izgub smo opravili po standardu SIST EN 12831:2004, toplotnih dobitkov pa

po VDI 2078.

Predvideli smo naravno prezračevanje. Tak način prezračevanja sicer ni energetsko

učinkovit, je pa dopusten in za potrebe magistrskega dela pomeni določeno poenostavitev, ki

neposredno ne vpliva na problem, s katerim smo se ukvarjali. Podatke o lastnostih objekta,

rezultate izračuna toplotnih izgub in rezultate izračuna toplotnih dobitkov prikazujejo

preglednice 3.1, 3.2 in 3.3.

Preglednica 3.1: Toplotne prehodnosti elementov

Gradbeni element Toplotna prehodnost, k [W/𝐦𝟐K]

Zasteklitev

0,50

Zunanja stena 0,15

Streha 0,14

Okna 0,91

Notranja vrata 1,60

Notranja stena 0,80

Tla na terenu 0,14

Vhodna vrata 0,90

Medetažna konstrukcija 0,70


- 8 -

Preglednica 3.2: Podatki o izvedbenem objektu

Klimatski podatki

Opis Simbol Enota Vrednost

Zunanja projektna temperatura 𝜃𝑒 ℃ -13

Srednja letna temperatura 𝜃𝑖𝑛𝑡,𝑖 ℃ 9

Podatki o prostorih

Projektna

temperatura

pozimi

Projektna

temperatura

poleti

Površina Prostornina

Ime sobe 𝜃𝑖𝑛𝑡,𝑖𝑝𝑜𝑧 𝜃𝑖𝑛𝑡,𝑖𝑝𝑜𝑙 𝐴𝑖 𝑉𝑖

℃ ℃ 𝑚2 𝑚3

P1 - Vetrolov 18

26 5,02 13,65

P2 - WC, tuš 24 26 3,49 9,49

P3 - Utility, toplotna tehnika 18 26 7,76 21,11

P4 - Kuhinja 20 26 12,44 33,84

P5 - Jedilnica 20 26 19,55 53,18

P6 - Dnevni prostor 20 26 17,36 47,22

P7 - Kabinet 20 26 9,64 26,22

P8 - Shramba 10 26 5,26 14,31

N1 - Stopnišče 20 26 5,26 14,57

N2 - Hodnik 20 26 4,09 11,33

N3 - Spalnica 20 26 17,40 48,20

N4 - Soba 20 26 17,40 48,20

N5 -Soba 20 26 19,28 53,41

N6 - Kopalnica 24 26 10,97 30,39

SKUPAJ 154,92 425,12


- 9 -

Preglednica 3.3: Rezultati transmisijskega izračuna

Prostor Potrebna ogrevalna moč

[W]

Potrebna hladilna moč

[W]

P1 - Vetrolov 259 0 (23. julij)

P2 - WC, tuš 288 0 (23. julij)

P3 - Utility, toplotna tehnika 234 0 (23. julij)

P4 - Kuhinja 476 879 (21. junij)

P5 - Jedilnica 792 1793 (21. maj)

P6 - Dnevni prostor 740 2229 (22. september)

P7 - Kabinet 439 765 (22. september)

P8 - Shramba 55 0 (23. julij)

N1 - Stopnišče 220 203 (21. junij)

N2 - Hodnik 113 63 (23. julij)

N3 - Spalnica 700 800 (21. junij)

N4 - Soba 746 1095 (23. julij)

N5 -Soba 800 1259 (22. september)

N6 - Kopalnica 682 0 (23. julij)

Potrebna ogrevalna moč objekta znaša 6.544 W (pri zunanji projektni temperaturi −13 ℃),

potrebna hladilna moč pa je za celoten objekt najvišja 23. julija in znaša 8.519 W. Ob

upoštevanju teh podatkov je potrebno dimenzionirati ogrevalni in hladilni sistem.

3.3 Dimenzioniranje ogrevalno-hladilnega sistema

Na podlagi izračuna toplotnih izgub in dobitkov smo si zastavili dimenzioniranje sistema s

kompaktno, invertersko toplotno črpalko zrak/voda in ventilatorskimi konvektorji. Toplotna

črpalka omogoča tako ogrevanje v zimskem času, kot tudi aktivno hlajenje v poletnem času.

Izbrali smo invertersko toplotno črpalko, kar pomeni, da ne obratuje po sistemu

vključeno/izključeno (ON/OFF), temveč je delovanje vodeno s frekvenčnikom, ki zmanjšuje

število vklopov in izklopov naprave, posledica česar je zmanjšanje porabe električne energije.

Delovanje inverterskega spiralnega kompresorja je brezstopenjsko v določenem frekvenčnem

območju, tudi ventilator ima vgrajeno frekvenčno regulacijo. Modulacija moči omenjene

tehnologije je razvidna iz grafa 3.1. Prednost takšne tehnologije se kaže tudi v zmanjšanem

zagonskem toku.


- 10 -

Slika 3.3: Primer izbrane toplotne črpalke zrak/voda

Vir: [16].

Dimenzioniranje toplotne črpalke

Tehnične lastnosti izbrane toplotne črpalke so zbrane v preglednici 3.4 in grafih 3.1 ter 3.2.

Preglednica 3.4: Tehnične lastnosti izbrane toplotne črpalke

TEHNIČNI PODATKI IZBRANE TOPLOTNE ČRPALKE

Višina [mm] 1045

Širina [mm] 1490

Globina [mm] 593

Masa [kg] 175

Hladivo R410 A

Toplotna moč pri A-7/W35 (EN 14511) [kW] 6,86

Grelno število pri A-7/W35 (EN 14511) 2,83

Toplotna moč pri A2/W35 (EN 14511) [kW] 4,23

Grelno število pri A2/W35 (EN14511) 3,88

Hladilna moč pri A35/W7 [kW] 7,5

Hladilno število pri A35/W7 2,41

Minimalna temperatura vode (predtok) [℃] 15

Maksimalna temperatura vode (predtok) [℃] 65

Mejna (najnižja) temperatura zunanjega zraka za

obratovanje naprave [℃] -20

Mejna (najvišja) temperatura zunanjega zraka za

obratovanje naprave [℃] 40

Nazivni volumski pretok toplotnega vira (zraka) [𝑚3

ℎ] 2.300



- 11 -

Toplotna črpalka deluje monovalentno do bivalentne točke, pod njo pa je potrebna toplota

objekta za ogrevanje objekta višja od toplote, ki jo lahko toplotna črpalka samostojno dovaja

sistemu. Pod bivalentno točko je v pomoč toplotni črpalki v napravo vgrajen stopenjski

električni grelnik. Tak sistem imenujemo bivalentni sistem toplotne črpalke in njene podpore v

obliki električnega grelnika. Za veliko večino pozimi zahtevanih toplotnih potreb zadošča

toplotna črpalka, v najbolj mrzlih zimskih dneh pa toplotna črpalka deluje bivalentno s pomočjo

električnega grelnika. To je pravilno dimenzioniranje toplotne črpalke s ciljem zagotavljanja

kontinuiranega obratovanja toplotne črpalke ob čim manj vklopih in izklopih naprave.

Povečano število vklopov in izklopov naprave negativno vpliva na obratovalno dobo

vgrajenega kompresorja.

Graf 3.1: Krivulje ogrevalne moči toplotne črpalke

Vir: [16].


- 12 -

Graf 3.2: Krivulji hladilne moči toplotne črpalke

Vir: [16].

Dimenzioniranje sistema za nesimetrično dobavo toplote in hladu

Pri sodobnih objektih, ki so dobro izolirani proti izgubi toplote, manj učinkovito pa preprečujejo

toplotne dobitke poleti zaradi toplotne sevanja, prihaja do pojava nesimetrije – večje potrebe

po hladu, kakor po toploti. Klasični projektantski pristop bi izbral napravo, sposobno dobave

toplote in hladu, pri čemer bi bila le-ta dimenzionirana na višjo porabo, torej na dobavo hladu.

Bolj smiselno pa je dimenzionirati sistem na nižjo porabo, kar pomeni tudi boljši izkoristek pri

delovanju. Povzeto po viru [12].

Ob dimenzioniranju sistema na nižjo porabo, torej potrebno toploto pozimi, se pojavi

tehnični problem zagotavljanja zadostnega hladu poleti. Rešitev predstavlja hranilnik s

primerno zalogo vode, ki jo toplotna črpalka pozimi ogreva in poleti hladi. Poleti takšen

hranilnik hladu zagotavlja hranjenje in pripravo hladu v času, ko hlajenje v resnici ni potrebno,

ali pa obratovalna moč naprave presega potrebo po trenutni hladilni moči [12]. To pomeni, da

imamo zmeraj na voljo določeno zalogo hladu za obdobja, ko toplotna črpalka zaradi velikih

potreb objekta po hladu ni sposobna sproti pripravljati dovolj velikih količin hladu. Zaradi

možnosti kondenziranja mora takšen zalogovnik biti izoliran z ustrezno parozaporno izolacijo.

Primer takšnega ogrevalno-hladilnega sistema prikazuje hidravlična shema na sliki 3.4.


- 13 -

Slika 3.4: Hidravlična shema toplotne postaje

Za izbrani izvedbeni primer je potrebno dimenzioniranje in optimizacija ustreznega

kompresorskega ogrevalno-hladilnega sistema ob neskladju potreb po toploti in hladu.

Kot smo predhodno ugotovili iz izračuna toplotnih dobitkov obravnavanega objekta,

potreba po hladilni moči objekta v danem trenutku presega razpoložljivo hladilno moč toplotne

črpalke in je le-ta torej poddimenzionirana. V izvedbenem primeru smo obravnavali izkazane

potrebe po toplotni moči v obsegu 𝑄𝐻 in po hladilni moči v obsegu 𝑄𝑐, pri čemer je 𝑄𝑐 > 𝑄ℎ,

in pri čemer sta toplotna in hladilna moč izražena v 𝑊, razmerje med toploto in hladom pa

znaša največ 3:1 in najmanj 1:3, prednostno med 1,5:1 in 1:1,5, še bolj prednostno med 1,2:1

in 1:1,2.

Kljub temu, da v konkretnem izvedbenem primeru potrebna hladilna moč presega

potrebno toplotno moč, je hlad kot integral hladilne moči enak oziroma nižji od toplote kot

integrala toplotne moči. To lahko dokažemo s primerjavo razlik zunanjih in notranjih

temperatur v zimskem in letnem obdobju, skozi preddoločeno časovno obdobje:

∑ (∫ 𝑘𝐴(𝑇𝑧 − 𝑇𝑛)

24ℎ

0

𝑑𝑡) ≤

𝐾𝑆𝐻

𝑖=𝑍𝑆𝐻

∑ (∫ 𝑘𝐴(𝑇𝑧 − 𝑇𝑛)

24ℎ

0

𝑑𝑡)

𝐾𝑆𝑂

𝑖=𝑍𝑆𝑂

, (3. 1)


- 14 -

pri čemer je z ZSH označen začetek sezone hlajenja, s KSH konec sezone hlajenja, z ZSO

začetek sezone ogrevanja, s KSO konec sezone ogrevanja, s 𝑘 toplotna prehodnost, z 𝐴

površina za prenos toplote, s 𝑇𝑧 zunanja temperatura in s 𝑇𝑛 notranja temperatura referenčnega

prostora. Povzeto po viru [12].

Pomanjkljivosti zgoraj prikazane primerjave se kažejo v nenatančnosti, saj ne obravnava

vseh parametrov (sončno sevanje, osebe v prostoru, razsvetljava,…), ki vplivajo na vrednost

toplotnih izgub in dobitkov. Za točno primerjavo integrala toplotne in hladilne moči

potrebujemo natančne podatke toplotnih dobitkov in izgub skozi posamezna obdobja:

∑ (∫ 𝑄𝑐

24ℎ

0

𝑑𝑡) ≤

𝐾𝑆𝐻

𝑖=𝑍𝑆𝐻

∑ (∫ 𝑄𝑐

24ℎ

0

𝑑𝑡)

𝐾𝑆𝑂

𝑖=𝑍𝑆𝑂

(3. 2)

kjer 𝑄𝐻 predstavlja skupne potrebe po toplotni moči in 𝑄𝑐 skupne potrebe po hladilni moči

skozi preddoločeno obdobje.

V nadaljevanju smo na izbranem primeru teoretično skušali prikazati, da je integral

hladilne moči nižji od integrala toplotne moči, kar pomeni, da smo potrdili ustrezno izbiro

naprave z nižjo obratovalno hladilno močjo, kot je potrebna hladilna moč za doseganje ugodnih

bivalnih razmer v izbranem objektu. Pravilnost našega pristopa smo preverili z izračunom

integrala dnevne hladilne moči za izbrani prostor, v katerem se na določen dan v letu pojavijo

najvišji toplotni dobitki v celotnem objektu. To je prostor P6 - DNEVNI PROSTOR. Podatki o

toplotnih dobitkih v izbranem prostoru po posameznih urah na (z vidika zagotavljanja hlajenja)

najbolj obremenjen dan v letu, so prikazani v preglednici 3.5.


- 15 -

Preglednica 3.5: Toplotni dobitki obravnavanega prostora v izbranem objektu

P6-DNEVNI PROSTOR

Vrsta prostor a (m2) 17,36

Orientacija normalno b (m) 1,00

Tip sevanja Skupno c (m) 2,72

Datum 23. 7 V(m3) 47,22

T 4,30 O(m2) 134,6

Ap(m2 17,36

Čas (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Notr. temp (°C) 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26

Zun. Temp. (°C) 18,50 17,50 16,6 16,2 15,9 17,30 20,1 22,00 24,0 25,9 27,4 28,8

Osebe (W) 0 0 0 0 0 0 0 41 530 558 572 586

Razsvetljava (W) 0 0 0 0 0 0 0 13 115 124 129 134

Stroji (W) 0 0 0 0 0 0 0 59 275 310 335 354

Prehod materiala (W) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Sos. prostori (W) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Ostalo (W) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Transmisija (W) -56 -65 -73 -76 -80 -67 -47 -32 -15 0 12 24

Sevanje (W) 0 0 0 0 7 19 34 65 169 366 582 712

Vpihovanje (W) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Skupno (W) -56 -65 -73 -76 -73 -48 -13 146 1074 1358 1630 1810

Čas (h) 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Notr. temp (°C) 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26

Zun. Temp. (°C) 30,00 30,90 31,6 32,0 31,7 31,10 29,8 27,90 25,9 24,7 23,1 21,9

Osebe (W) 599 613 619 627 634 641 647 647 0 0 0 0

Razsvetljava (W) 139 142 146 149 151 152 154 156 0 0 0 0

Stroji (W) 375 389 405 414 425 430 439 444 0 0 0 0

Prehod materiala (W) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Sos. prostori (W) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Ostalo (W) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Transmisija (W) 33 41 47 52 52 46 37 22 6 -1 -14 -27

Sevanje (W) 745 774 831 849 770 495 148 0 0 0 0 0

Vpihovanje (W) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Skupno (W) 1891 1959 2048 2091 2032 1764 1425 1269 6 -1 -14 -27

Dnevni maksimum za 23. Julij


- 16 -

Kot je razvidno iz tabele 3.5, se potreba po hladilni moči na obravnavan dan prične po

sedmi uri zjutraj, kar je posledica sončnega sevanja in človeških aktivnosti znotraj prostora ter

z njimi povezanimi toplotnimi dobitki. Dnevni maksimum za določen dan nastopi ob 16. uri,

takrat je tudi razlika med zunanjo in notranjo temperaturo najvišja. Po 21. uri toplotnih dobitkov

več ne zaznamo. Toplotne dobitke na obravnavan dan nazorneje prikazuje graf 3.3.

Za izračun integrala hladilne moči za obdobje enega dneva smo uporabili sledeč nastavek:

𝐴 = ∫ 𝑄𝐻𝑑𝑡,

24ℎ

0

(3. 3)

kjer 𝐴 predstavlja površino pod krivuljo in ustreza vrednosti integrala potrebne dnevne hladilne

moči.

Za obravnavan primer smo izračunali določen integral, katerega območje predstavlja

obdobje med 7. uro zjutraj in 21. uro zvečer (meje integrala), to je obdobje, ko imamo izraženo

potrebo po hladilni moči. Vstavili smo še podatke o celotni hladilni obremenitvi oziroma

toplotnih dobitkih po času, ki jih najdemo v preglednici 3.5 in izračunali:

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

PO

TREB

A P

O H

LAD

ILN

I MO

ČI V

WA

TTIH

ČASOVNI POTEK DNEVA PO URAH

Graf 3.3: Toplotni dobitki na obravnavan dan


- 17 -

𝐴 = ∫ 𝑄𝐻𝑑𝑡

21

7

= ∫ 20503

21

7

𝑑𝑡 = 287 𝑘𝐽. (3. 4)

Na enak način, kot je prikazan v zgornjem primeru, bi lahko izračunali tudi integral

potrebne hladilne moči za vsak prostor posebej in tako ugotovili skupno potrebno hladilno moč

za celoten objekt. V nadaljevanju bi seveda postopek nadaljevali z izračunom za celotno sezono

hlajenja. Prav tako bi izračun lahko ponovili za določitev integrala toplotne moči ter oboje med

seboj primerjali. Kljub temu, da za potreben natančen izračun vseh podatkov o toplotnih

izgubah in dobitkih za posamezno obdobje nimamo, lahko glede na podatke o podnebnih

razmerah, v katerih se izbrani objekt nahaja, s precejšnjo gotovostjo predvidevamo, da bo hlad

kot integral hladilne moči nižji od toplote kot integrala toplotne moči. To smo predpostavili

predvsem na podlagi primerjave trajanja dnevne grelne in hladilne obremenitve ter sezone

ogrevanja in sezone hlajenja, pri čemer je slednja v danem primeru precej krajša, posledično pa

je tudi integral potrebe po hladilni moči nižji.

Na ta način smo potrdili pravilno dimenzioniranje toplotne črpalke na nižjo porabo.

Obratovalna toplotna moč naprave torej zadošča toplotnim potrebam objekta, hladilne potrebe

objekta pa v danem primeru lahko presegajo obratovalno hladilno moč naprave. V ta namen k

napravi prigradimo ustrezen hranilnik hladu, ki zagotavlja dovajanje akumuliranega hladu,

kadar je potreba po hladu večja od hladilne moči naprave. Podobno se v nasprotnem primeru,

kadar obratovalna hladilna moč naprave presega potrebo po trenutni zahtevani hladilni moči

objekta, zagotavlja akumulacija viška hladu v hranilniku, hranilnik pa se na tak način ohlaja s

toplotno črpalko, sposobno hlajenja.

Dimenzioniranje ustreznega hranilnika toplote in hladu

Dimenzioniranje primernega hranilnika ogrevalne vode, ki v času ogrevalne sezone deluje kot

hranilnik toplote, je ključnega pomena za učinkovito izkoriščanje toplote, ki je na voljo na

izstopu iz toplotne črpalke. Med delovanjem sistema hranilnik toplote poskrbi za hidravlično

ločitev toplotne črpalke in primarnega ogrevalnega kroga od sekundarnega ogrevalnega kroga

ter neprekinjeno delovanje kompresorja za določen časovni interval (kar je potrebno za

optimalno delovanje ON/OFF toplotnih črpalk). Dodatna prednost akumulacije ogrevane vode

v sistemu se kaže tudi v višku toplotne energija, ki jo toplotna črpalka koristno uporabi, kadar

deluje v načinu odtaljevanja uparjalnika. Hranilnik toplote blaži nihanja v delovanju sistema in

pomaga zmanjševati (pre)pogosto vklapljanje in izklapljanje toplotne črpalke, kar posledično v

praksi pomeni blagodejno vplivanje na podaljšanje obratovalne dobe kompresorja.


- 18 -

V času sezone hlajenja hranilnik vode obratno deluje kot hranilnik hladu, ki ga toplotna

črpalka hladi z namenom akumulacije za obdobja, ko so zahtevane potrebe po hladu v objektu

višje od zmožnosti priprave hladu s toplotno črpalko. V obdobju, ko prihaja do visokih potreb

objekta po hladu, ki v danem primeru v določenem trenutku celo presegajo obratovalno hladilno

moč toplotne črpalke, se tako iz hranilnika hladu v sistem dovaja predhodno akumuliran hlad.

V izvedbenem primeru s hranilnikom hladne vode dosegamo enakomerno temperaturo

predtoka v ventilatorske konvektorje, kar zagotavlja udobje in učinkovito hlajenje sistema.

Ustrezno dimenzioniranje hranilnika toplote in hladu prikazuje spodnja enačba [2]:

𝑉𝐻𝑇 = 𝑄𝑔ℎ ∙ (20 𝑑𝑜 25 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑣)𝑜𝑧. 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎𝑙𝑛𝑜 10𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑣

𝑘𝑊, (3. 5)

kjer 𝑉𝐻𝑇 predstavlja prostornino hranilnika v litrih, 𝑄𝑔ℎ pa potrebno ogrevalno oziroma

hladilno moč v kilovatih.

V izbranem primeru znaša maksimalna potreba po hladilni moči 8.519 W. S tem

podatkom smo določili potrebno prostornino hranilnika:

𝑉𝐻𝑇 = 8,5 ∙ 25 = 212,5 𝑙. (3. 6)

Na podlagi izračuna izberemo hranilnik naslednje večje, standardne prostornine, to je

300 litrov. Kot zanimivost smo izračunali še, koliko časa s takšnim hranilnikom zadostimo

potrebam po hladu ob predpostavki, da temperaturna razlika znaša 5 K:

𝑡 =𝑚 ∙ 𝑐𝑣 ∙ ∆𝑇

𝑃, (3. 7)

kjer je 𝑚 masa vode, 𝑐𝑣 specifična toplota vode, ∆𝑇 temperaturna razlika in 𝑃 potrebna

hladilna moč. Po vstavitvi podatkov izračunamo:

𝑡 =300 ∙ 4187 ∙ 5

8500= 739 𝑠 = 12,3 𝑚𝑖𝑛. (3. 8)

Hranilnik s prostornino 300 litrov lahko pokriva celotno potrebo po hladu približno 12

minut. Takšno dimenzioniranje je ustrezno in zadostuje potrebam v izvedbenem primeru.


- 19 -

Dimenzioniranje ventilatorskih konvektorjev

Sistem smo dimenzionirali z ventilatorskimi konvektorji dvocevne izvedbe. Glede na

posamezne prostore in njihove potrebe po toploti in hladu, smo dimenzionirali ustrezne

ventilatorske konvektorje stenske izvedbe. Temperaturni režim ogrevalne vode v sistemu je

znašal 40/30 ℃, režim hladilne vode pa 7/12 ℃. Izbor konvektorjev po prostorih prikazuje

preglednica 3.6.

Preglednica 3.6: Izbor konvektorjev

PROSTOR VENTILATORSKI KONVEKTOR

P1 - Vetrolov tip 1

P2 - WC, tuš tip 1

P3 - Utility, toplotna tehnika tip 1

P4 - Kuhinja tip 1

P5 - Jedilnica tip 3

P6 - Dnevni prostor tip 3

P7 - Kabinet tip 1

P8 - Shramba tip 1

N1 - Stopnišče tip 1

N2 - Hodnik tip 1

N3 - Spalnica tip 1

N4 - Soba tip 2

N5 -Soba tip 2

N6 - Kopalnica tip 1


- 20 -

Tehnične lastnosti izbranih konvektorjev prikazuje preglednica 3.7.

Preglednica 3.7: Tehnične lastnosti konvektorjev

Model tip 1 tip 2 tip 3

Grelna moč W (max) 2010 2910 4620

W (sr.) 1460 2120 3830

W (min) 1060 1540 2890

Grelna moč (vstopna T vode = 50°C) W 1150 1700 2750

Pretok vode l/h 173 250 397

Padec tlaka kPa 1.6 3.7 10.5

Celotna hladilna moč W (max) 840 1200 2030

W (sr.) 650 950 1780

W (min) 490 690 1420

Pretok vode l/h 144 206 349

Padec tlaka kPa 1.9 4.8 11

Pretok zraka m3//h (max) 180 240 350

m3//h (sr.) 120 160 270

m3//h (min.) 80 110 190

Vsebnost vode l 0.4 0.5 0.8

Maksimalna moč motorja W 18 32 35

Maksimalni tok A 0.09 0.15 0.18


Po podatkih proizvajalca konvektorjev znaša njihova grelna moč pri temperaturnem režimu

40/30 °C po posameznih modelih:

tip 1: 820 W,

tip 2: 1130 W,

tip 3: 2190 W.


- 21 -

Z izbranimi konvektorji in določenem temperaturnem režimu smo v celoti zadostili

toplotnim potrebam po posameznih prostorih in toplotnim potrebam objekta v celoti. Podobno

izbira zadosti tudi hladilnim potrebam pri temperaturnem režimu 7/12 ℃.


- 22 -

4 DELOVANJE KONVEKTORJEV IN PRENOS TOPLOTE

V četrtem poglavju uvodoma predstavimo različne izvedbe ventilatorskih konvektorjev, ki so

trenutno v splošni uporabi, poglobimo se v ozadje delovanja konvektorjev in pri obravnavanem

načinu ogrevanja in hlajenja želimo poiskati teoretično rešitev, ki bi delovala bolje od danes

splošno uporabljenih sistemov. V ta namen smo se poglobili v različne mehanizme prenosa

toplote, ki so prisotni pri konvektorskem ogrevanju in hlajenju, s pomočjo poznavanja le-teh pa

smo raziskali možnosti optimizacije delovanja glede na predhodno izbrane konvektorje.

4.1 Splošne značilnosti konvektorjev

Konvektorski sistem ogrevanja se v današnjih časih uporablja predvsem za ogrevanje poslovnih

in trgovskih prostorov, delno tudi stanovanjskih objektov z velikimi, steklenimi površinami ali

v zgradbah, kjer so steklene površine vgrajene od tal do stropa in tako iz estetskega vidika ni

možno vgraditi pogosto uporabljenih radiatorjev. V takšne prostore se pogosto vgrajujejo talni

konvektorji. Nameščeni konvektorji omogočajo relativno hitro odzivnost na temperaturna

nihanja, ki so izrazita zaradi velikih steklenih površin in s tem pripomorejo k učinkovitim in

preprostim korekcijam temperature v prostoru. Vgradimo jih lahko v enocevne ali dvocevne

sisteme, kot pri klasičnih radiatorjih. Ločimo dvocevne in štiricevne konvektorje. Dvocevni

konvektor ima eno dovodno in eno povratno cev, štiricevni konvektor pa ima dve dovodni in

dve povratni cevi. Slednji so uporabni v primerih, ko želimo v določenem trenutku neki prostor

ogrevati in drugega hladiti (kar je pogosto v prehodnih obdobjih – spomladi ali jeseni).

S konvektorji lahko prostore v kratkem času ogrejemo ali ohladimo in dosežemo enakomerno

kroženje zraka v prostoru. Količina ogrevalne vode v konvektorjih je manjša kot pri radiatorjih,

odlikuje jih tudi majhna masa in dimenzije. Povzeto po viru [21].

Izvedbe konvektorjev

V osnovi delimo konvektorje glede na način delovanja na konvektorje z naravno in konvektorje

s prisilno konvekcijo. Slednjim je prigrajen manjši ventilator, ki intenzivira prenos toplote v

prostor.

Primer izvedbe konvektorja z naravno konvekcijo prikazuje slika 4.1.


- 23 -

Slika 4.1: Naravna konvekcija pri obratovanju konvektorja

Vir: [21].

Primer izvedbe s prisilno konvekcijo prikazuje slika 4.2.

Slika 4.2: Prisilna konvekcija pri obratovanju konvektorja

Vir: [21].


- 24 -

Različne izvedbe konvektorjev ločimo tudi glede na način vgradnje. Poznamo:

konvektorje v plitvem kanalu,

konvektorje v globokem kanalu,

prostostoječe konvektorje,

stenske konvektorje in

stropne konvektorje.

Konvektorje v kanalih uporabljamo v prostorih z velikimi steklenimi površinami, kot na

primer v zimskih vrtovih, galerijah, vhodnih prostorih in podobno. Stensko izvedbo

konvektorjev uporabljamo tam, kjer želimo grelna telesa čim bolj skriti, hkrati pa želimo

ohraniti primerni toplotni učinek.

Slika 4.3: Postavitev konvektorjev

Vir: [21].

4.2 Način delovanja ventilatorskih konvektorjev

Sodobne ventilatorske konvektorje, kakršne smo tudi dimenzionirali v obravnavanem sistemu,

uporabljamo predvsem za dvocevni ali štiricevni sistem ogrevanja in hlajenja. Dvocevni

konvektorji imajo eno dovodno in eno odvodno cev, štiricevni pa dve dovodni in dve odvodni

cevi. Slednji omogočajo, da lahko istočasno posamezne prostore v stavbi ogrevamo, druge pa

hladimo. Osnovni element konvektorja je toplotni prenosnik, ki je običajno vstavljen v ohišje

iz jeklene pločevine. Izdelan je iz bakrenih cevi, na katere so navlečene aluminijaste lamele.


- 25 -

Vloga lamel, ki so v stiku z bakrenimi cevmi, je povečanje površine za prenos toplote in

posledično intenziviranje prenosa toplote. K opremi konvektorjev spada še sprednja in zadnja

stena (zaslon), vmesne pregrade nad konvekcijskimi površinami, regulacijska oprema na vodni

strani, regulacijska oprema na strani zraka in radialni ventilator z elektromotorjem. Skozi

toplotni prenosnik teče ogrevalna ali hladilna voda. V primeru ogrevanja hladen zrak vstopa v

grelno telo, se ogreje na grelnih površinah (lamelah) in nato izstopa na zgornji strani

konvektorja. V primeru hlajenja topel zrak, ki potuje skozi cevne prenosnike, odda toploto z

mehanizmom konvekcije in izstopa pri nižji temperaturi. S pomočjo ventilatorja, ki je vgrajen

v konvektorju, se vrši sekundarni prenos toplote v prostor. S stopnjo jakosti delovanja

ventilatorja (in temperaturnim režimom medija v konvektorju) na tak način nadzorujemo

temperaturo ogrevanja oziroma hlajenja. Oddajanje toplote tako v največji meri poteka z

mehanizmom prisilne konvekcije.

Izbrani konvektorji v izvedbenem primeru

Za ustrezno ogrevanje in hlajenje prostorov smo v izvedbenem primeru v povezavi s toplotno

črpalko zrak/voda izbrali sodobne ventilatorske konvektorje, ki zadoščajo energetskim

potrebam obravnavanega objekta. Konvektorji so prostostoječe ali stenske izvedbe (odvisno od

zahtev), gre pa za dvocevni sistem. Znotraj cevnega registra kroži topla ali hladna voda.

Radialni ventilator z elektromotorjem omogoča tri stopnje hitrosti, odvisno od trenutnih potreb

po hladu ali toploti. Distribucija zraka v prostor se vrši preko posebnega elektrostatičnega filtra,

ki absorbira in zadrži prašne delce. Kadar je ventilator izklopljen, se lopute na vrhnji strani

naprave zaprejo, s tem pa se prepreči nabiranje prahu in ostalih delcev znotraj konvektorja.

Regulacija konvektorjev je možna preko digitalnega termostata na napravi ali preko CNS

(centralnega nadzornega sistema). Obravnavan konvektor v prerezu prikazuje slika 4.4.


- 26 -

Slika 4.4: Izbran konvektor

Vir: [20].

Sestavni deli izbranega konvektorja so predstavljeni na sliki 4.5.

Slika 4.5: Sestavni deli konvektorja



- 27 -

Izvedba registra toplotnega prenosnika v ventilatorskem konvektorju

Konstrukcija cevnega registra znotraj konvektorja se razlikuje glede na proizvajalca

konvektorjev in uporabljeno tehnologijo. V osnovi pa je sistem v ventilatorskem konvektorju

zasnovan po načelu, ki ga prikazuje slika 4.6 [3].

Slika 4.6: Register toplotnega prenosnika


Tok tekočine po ceveh glede na gibanje zraka je lahko vzporeden ali sotočen, kar je

prikazano na sliki 4.7, lahko je pa nasproten ali protitočen, kar prikazuje slika 4.8.

Slika 4.7: Sotočen primer prenosnika



- 28 -

Slika 4.8: Protitočen primer prenosnika


4.3 Mehanizmi prenosa toplote pri ventilatorskih konvektorjih

Kot smo pojasnili v predhodnem delu, se prenos toplote pri konvektorskih sistemih z vgrajenimi

ventilatorji, vrši pretežno s prisilno konvekcijo (deloma pa tudi z naravno konvekcijo in

sevanjem). Da bi podrobneje pojasnili delovanje konvektorjev, smo v sledečem poglavju

obravnavali mehanizme prenosa toplote, ki se odvijajo znotraj konvektorja.

Prenos toplote s konvekcijo

Pri konvekciji ali prestopu toplote je toplotni tok 𝑄, ki v določenem času 𝑡 prestopa s plinaste

ali tekoče snovi na trdno steno ali obratno, premo sorazmeren z razliko temperatur ∆𝑇 in

površino 𝐴:

𝑄

𝑡= 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇, (4. 1)

kjer je 𝑘 skupna toplotna prehodnost, ki je pri konvekciji odvisna predvsem od koeficienta

toplotne prestopnosti 𝛼. Prestop toplote je odvisen od vrste, temperature, tlaka in hitrosti plina,

pare ali kapljevine, ki oddajajo toploto trdni steni ali jo od nje prejemajo. V nadaljevanju je

toplotna prestopnost odvisna od oblike in površine stene. Toplotna prestopnost je v večini

primerov empirična vrednost, ki se jo da dosledno izračunati samo v nekaterih preprostih

primerih. V večini primerov nam dovolj natančno določanje toplotne prestopnosti omogoča


- 29 -

Nusseltova podobnostna teorija. Na podlagi te so uvedena številna brezdimenzijska števila.

Omenimo najpomembnejša za poznavanje tokovnih razmer pri konvektorjih:

Reynoldsovo število,

Prandtlovo število,

Nusseltovo število

in izraze, s katerimi jih opišemo:

𝑅𝑒 =𝜐𝑑

𝑣, (4. 2)

𝑃𝑟 = 𝜌𝑐𝑣

𝜆, (4. 3)

𝑁𝑢 = 𝛼𝑑

𝜆, (4. 4)

kjer pomenijo 𝑑 hidravlični premer cevi, 𝜐 hitrost, 𝜌 gostoto, 𝑐 specifično toploto zraka, 𝜆

toplotno prevodnost, 𝛼 toplotno prestopnost in 𝜐 kinematično viskoznost.

Najpogostejši primeri izračunov prestopa toplote z uporabo Nusseltovega števila pri

prisilnem toku kapljevin in plinov v ceveh so prikazani v nadaljevanju [10]. Za določanje

prisilnega toka plinov na os cevi nam služi korelacija:

𝛼𝑑

𝜆= 0,092 ∙ 𝑃𝑒 , (4. 5)

kjer je 𝑃𝑒 Pecletovo število, ki je funkcija 𝑅𝑒 in 𝑃𝑟 števila. Pri toku plinov skozi ravno cev

uporabljamo nastavek:

𝛼𝑑

𝜆= 0,040 ∙ 𝑃𝑒

0,75. (4. 6)

Za laminarne in turbulentne razmere pri prisilni konvekciji obravnavamo dvoje enačb.

Laminarni tok tekočin, ki se pojavlja pri tekočinah v ozkih ceveh (𝑅𝑒 < 2.320) po dolgih, ravnih

ceveh, lahko obravnavamo s korelacijo:

𝛼𝑑

𝜆= 3,65. (4. 7)


- 30 -

Pri turbulentnem toku (𝑅𝑒 > 2.320) tekočin velja upoštevati nastavek:

𝛼𝑑

𝜆= 0,0396 ∙ 𝑃𝑟 ∙

𝑅𝑒0,75

[1 + 0,35(𝑃𝑟 − 1)]. (4. 8)

Toplotna prestopnost 𝛼 se giblje:

pri plinih v območju med 14 in 40 W/m2K in

pri kapljevinah v območju med 2000 in 4000 W/m2K.

Pri turbulentnem toku so v praksi v široki uporabi empirično določene enačbe, med

najpogosteje uporabljenimi je korelacija Dittus-Boelterja. Pri prestopu s cevi na fluid velja

enačba [1]:

𝑁𝑢 = 0.0234 𝑅𝑒0.8 𝑃𝑟

0.4, (4. 9)

pri prestopu s fluida na cev pa enačba:

𝑁𝑢 = 0.0265 𝑅𝑒0.8 𝑃𝑟

0.3. (4. 10)

Enačbi sta uporabni za majhne temperaturne razlike, 𝐿

𝐷> 60 in za 0,7 < 𝑃𝑟 < 100 ter 𝑅𝑒 > 104.

Prenos toplote znotraj konvektorskega cevnega registra

Prenos toplote znotraj cevnega registra konvektorskega sistema poteka po mehanizmu,

opisanem v nadaljevanju. V cevi toplotnega prenosnika kroži ogrevalna ali hladilna voda

(odvisno od načina delovanja – ogrevanje ali hlajenje). Zunanjo stran cevi obliva zrak, ki ima

na vstopu v konvektorski sistem temperaturo okolice. To temperaturo želimo dvigniti ali

znižati, odvisno od načina delovanja. Značilni elementi, ki vplivajo na prenos toplote, so:

tekočina na zunanji strani (zrak), zunanja plast obloge, material cevi, notranja plast obloge in

tekočina na notranji strani (ogrevalna ali hladilna voda). Z njimi povezane lastnosti, ki vplivajo

na prenos toplote, so: prestopnost na zunanji strani, upornost plasti zunanje in notranje obloge,

prevodnost stene prenosnika in prestopnost na notranji strani. Uporabimo splošno enačbo:

𝑄 = 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚, (4. 11)


- 31 -

kjer 𝐴 predstavlja celotno zunanjo površino prenosnika, 𝑘 skupno toplotno prehodnost, ∆𝑇𝑙𝑚

pa srednjo logaritemsko temperaturno razliko med tokom zraka, ki vstopa v prenosnik in vodo

v prenosniku. Srednjo logaritemsko temperaturno razliko definiramo kot:

∆𝑇𝑙𝑚 =[(𝑇𝑣 − 𝑡𝑤𝑏) − (𝑇𝑠 − 𝑡𝑤𝑎)]

𝑙𝑛[(𝑇𝑣 − 𝑡𝑤𝑏)/(𝑇𝑠 − 𝑡𝑤𝑎)], (4. 12)

kjer 𝑇𝑣in 𝑇𝑠 predstavljata temperaturi toka zraka na vstopu in izstopu, 𝑡𝑤𝑎 in 𝑡𝑤𝑏 pa

temperaturo vode v dovodni in odvodni cevi prenosnika.

V realnih primerih iz prakse, kjer prenosniki niso popolnoma protitočni ali sotočni, je za

določitev srednje temperaturne razlike v toplotnih prenosnikih potrebno upoštevati še

korekcijski faktor F. V tem primeru je izraz sledeč:

∆𝑇𝑚 = 𝐹 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚, (4. 13)

kjer faktor 𝐹 odčitamo na podlagi ustreznih diagramov glede na tip prenosnika. V splošnem

naj bi veljal minimalni kriterij, ki mu je potrebno zadostiti: 𝐹 ≥ 0,8. Primer diagrama, s

pomočjo katerega izberemo ustrezni korekcijski faktor, prikazuje slika 4.9 [5].

Slika 4.9: Korekcijski faktorji

Vir: [5].


- 32 -

Skupno toplotno prehodnost je možno določiti z naslednjim izrazom:

1

𝑘= 𝑅 = 𝑅𝑎 + 𝑅𝑚 + 𝑅𝑤, (4. 14)

kjer 𝑅 predstavlja skupno toplotno upornost, ki je v danem primeru odvisna od 𝑅𝑎 - termične

upornosti zračnega filma na zunanji površini, 𝑅𝑤 - termične upornosti vodnega filma znotraj

cevi in 𝑅𝑚 - termične upornosti cevi.

4.4 Vpliv konvektorja na bivalno ugodje

Precejšnjo pozornost pri konvektorskem ogrevanju in hlajenju velja nameniti vplivu

konvektorja na bivalne razmere. Konvektorji omogočajo nagle temperaturne spremembe,

omogočajo visoki nivo odzivnosti na temperaturne dražljaje, mešanje zraka v prostoru je

intenzivno. Konvektorski HVAC sistemi z drugimi besedami omogočajo vzdrževanje skoraj

konstantne temperature prav zaradi sposobnosti naglega reagiranja in takojšnje dobave toplote

ali hladu. Zaradi naglih odzivov pa lahko pri konvektorskem ogrevanju in hlajenju prihaja do

določenih problemov v povezavi s spremembami temperature in nenazadnje faktorjev ugodja.

Ljudje smo namreč sposobni zaznavati zlasti toplotni tok in ne temperature neposredno, kar

pomeni, da smo prilagojeni na počasne temperaturne spremembe, četudi gre za visoke

temperaturne razlike. Težava pri ventilatorskih konvektorjih se lahko pojavi zaradi nagle

spremembe temperature, čeprav je ta relativno majhna. Ljudje v bivalnih prostorih to občutimo

kot določeno neugodje. V ta namen se velja poglobiti v procese prenosa toplote med

obratovanjem konvektorjev, vse z željo po izboljšanju bivalnega ugodja.

Bivalne razmere in toplotno ugodje

Bivalno toplotno ugodje lahko opredelimo kot dobro počutje človeka v določenem prostoru

glede na toplotne razmere. Z vidika rabe energije v stavbah je najpomembnejše toplotno

ugodje, ki ga določajo naslednji fizikalni pogoji, imenovani tudi splošni klimatski parametri

ali objektivni parametri [8]:

temperatura zraka v prostoru,

temperatura obodnih površin,

toplotna prevodnost površin in toplotna vpojnost talnih površin,

vlažnost in gibanje zraka.


- 33 -

Da bi se človek v prostoru počutil udobno, je potrebno zadostiti naslednjim pogojem:

temperatura zraka naj bi bila med 21 in 24 °C,

povprečna hitrost zraka v prostoru naj ne bi presegala 0,15 m/s,

relativna vlažnost naj bi se gibala med 45 in 60 %,

temperaturna razlika med temperaturo pri nogah in glavi naj ne bi presegala 1,5 °C,

temperatura pri tleh naj ne bi bila večja kot 26 °C in ne manj kot 17 °C,

nivo ogljikovega dioksida v prostoru naj ne bi presegal 0,1 % [8].

Toplotne razmere

Kadar imamo v zaprtem prostoru konstanten vir dovedenega toplotnega toka, bo temperatura v

prostoru naraščala, dokler bo toplotni tok skozi stene z določeno površino in toplotno

prehodnostjo enak viru toplote. Senzibilna oziroma občutena toplota bo v tem primeru odvisna

od:

𝑄 = 𝐴 ∙ 𝑘(𝑇𝑝𝑟 − 𝑇𝑧), (4. 15)

kjer 𝑇𝑧 predstavlja zunanjo temperaturo.

Zrak, ki ga transportiramo v prostor z namenom ogrevanja ali hlajenja prostora, je zmes

suhega zraka in vlage. Kljub temu, da zmesi suhega zraka in vlage, ki jo s konvektorji hladimo

ali ogrevamo, skupna temperatura narašča oziroma pada, bo občutena (senzibilna) toplota obeh

komponent različna, predvsem zaradi njunih različnih mas in specifičnih toplot. Predpostavimo,

da 1 kg zraka, ki vsebuje določen delež vlage, dovajamo v konvektor in hladimo ali ogrevamo

na izstopno temperaturo 𝑇𝑠 v želji po ohlajanju ali ogrevanju na želeno temperaturo v prostoru

𝑇𝑝𝑟. V tem primeru bo senzibilna toplotna bilanca sledeča:

𝑄 = (1,012 + 1,89𝑔) ∙ (𝑇𝑝𝑟 − 𝑇𝑠), (4. 16)

kjer je 𝑔 delež vlage na kilogram suhega zraka. Izraz (1,012 + 1,89𝑔) predstavlja približek

specifični toploti vlažnega zraka. Na tak način skušamo določiti vpliv senzibilne toplote ali

hladu v zraku, ki ga dovedemo v prostor. Na podlagi tega se lahko tudi natančneje obravnava

občutene toplotne razmere pri delovanju konvektorjev.


- 34 -

Toploto, povezano z bivalnimi razmerami v prostoru, lahko razdelimo na senzibilno in

latentno toploto. Če imamo torej znan podatek o masi suhega zraka in masi vlage v zraku,

lahko izračunamo porast vlage v prostoru glede na vpliv latentne toplote:

𝐿𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑛𝑎 𝑡𝑜𝑝𝑙𝑜𝑡𝑎 = 𝑚 ∙ (𝑔𝑝𝑟 − 𝑔𝑠) ∙ ℎ𝑓𝑠, (4. 17)

kjer je 𝑚 masni tok suhega zraka v konvektorju, 𝑔𝑝𝑟 delež vlage v prostoru, 𝑔𝑠 delež vlage v

zraku, ki ga dovajamo v prostor in ℎ𝑓𝑠 uparjalna toplota.

Pri konvektorskem hlajenju v obravnavanem primeru znaša temperatura vode, ki vstopa

v sistem, 7 °C, zapušča pa ga pri 12 °C. Konvektor tako lahko ohladi tok zraka iz začetnih

predvidenih 26 °C na izstopnih 11 °C, kar med drugim pomeni, da je v danem primeru

srednja logaritemska temperaturna razlika zgolj približno 8 °C. Pri tem toplotni prenosniki

delujejo kot razvlaževalci in hladilci zračnega toka, ki odvajajo tako latentno kot senzibilno

toploto. Pri tem je smiselno definirati razmernik S, ki predstavlja razmerje med odvedeno

senzibilno toploto in skupno odvedeno toploto:

𝑆 =�̇�𝑎 ∙ 𝑐𝑝 ∙ (𝑡1 − 𝑡2)

𝑄𝑡, (4. 18)

pri čemer je 𝑄𝑡 skupna odvzeta toplota, �̇�𝑎 masni pretok suhega zraka in 𝑐𝑝 specifična toplota

vlage v zračnem toku.

Senzibilni prenos toplote v prostor lahko definiramo na podlagi filmske upornosti

toplotnega prenosnika na zračni strani:

𝑄𝑠 = 1,25 ∙ �̇� ∙ (𝑡1 − 𝑡2) =∆𝑇𝑠𝑟 ∙ 𝐴𝑡

𝑅𝑎, (4. 19)

kjer �̇� predstavlja volumski pretok zraka, 𝐴𝑡 zunanjo skupno površino toplotnih prenosnikov,

∆𝑇𝑠𝑟 srednjo logaritemsko temperaturno razliko med tokom zraka in temperaturo na površini

prenosnikov ter 𝑅𝑎 filmsko upornost na zračni strani. Srednja logaritemska temperaturna

razlika se izrazi kot:

∆𝑇𝑠𝑟 =[(𝑇𝑣 − 𝑇𝑠𝑚) − (𝑇𝑠 − 𝑇𝑠𝑚]

𝑙𝑛[(𝑇𝑣 − 𝑇𝑠𝑚)/(𝑇𝑠 − 𝑇𝑠𝑚)], (4. 20)


- 35 -

kjer je 𝑇𝑠𝑚 temperatrura na površini prenosnika, 𝑇𝑣 temperatura toka zraka na vstopu v

konvektor in 𝑇𝑠 temperatura zraka na izstopu iz konvektorja.

Vpliv ventilatorja na toplotne razmere

Večina ventilatorjev, ki se pojavljajo v konvektorjih, je radialne izvedbe. Radialni ventilator, ki

obratuje s pomočjo elektromotorja, je mehanska naprava, ki poganja zrak iz vstopnega dela

konvektorja skozi toplotni prenosnik, skozi kanal konvektorja in skozi odprtine v prostor. Pri

tem prihaja do majhnega zvišanja tlaka. Ventilatorji torej s svojimi rotirajočimi lopaticami

pospešijo hitrost zračnega toka v konvektorju. Zrak pospešijo v radialni smeri, spreminjajoč tok

zraka, običajno za 90°. Glede na to, da je energijska bilanca delovanja ventilatorja odvisna od

hitrosti toka zraka skozi kanal, lahko vzpostavimo analogijo z Reynoldosovim številom:

𝑅𝑒 =𝜐𝑑

𝑣, (4. 21)

kjer je v danem primeru 𝜐 povprečna hitrost zračnega toka skozi konvektorski kanal, 𝑑

premer konvektorskega kanala, 𝑣 pa kinematična viskoznost zraka. Za Reynoldsovo število

pri toku po ceveh velja, da je tok laminaren, kadar je 𝑅𝑒 < 2.320, prehoden v območju 2.320 <

𝑅𝑒 < 10.000 in turbulenten, kadar je 𝑅𝑒 > 10.000.

V procesu potovanja zraka skozi konvektor prihaja do izgub zaradi turbulence pri toku

zraka skozi mehanske dele prenosnika. Pri tem je pomemben faktor moč toka zraka, ki jo

proizvede ventilator:

𝑃𝑎𝑖𝑟 = 𝑝𝑡𝑜𝑡 ∙ 𝑣,̇ (4. 22)

kjer je 𝑃𝑡𝑜𝑡 skupni tlak ventilatorja, ki predstavlja razliko tlakov med zrakom na izstopu in

vstopu v ventilator, �̇� pa volumski pretok zraka. Dejanska moč ventilatorja upošteva izgube

pri toku zraka skozi posamezne dele konvektorja zaradi trenja in turbulenc ter jo kot tako

definiramo z naslednjim izrazom:

𝑃𝑓𝑎𝑛 =𝑃𝑎𝑖𝑟

𝜂𝑡 (4. 23)

kjer 𝜂𝑡 predstavlja skupni izkoristek ventilatorja.


- 36 -

Pri delovanju ventilatorja pride torej do toplotnega dobitka in zvišanja temperature, ki je

odvisno predvsem od hitrosti delovanja ventilatorja, kar se kaže kot razlika tlakov zračnega

toka na izstopu in vstopu v ventilator. Proizvedeno dodatno toploto lahko definiramo kot:

𝑄𝑓𝑎𝑛 = �̇� ∙ 𝑐𝑝 ∙ 𝜌 ∙ ∆𝑇 (4. 24)

kjer sta 𝑐𝑝 in 𝜌 specifična toplota in gostota zraka. Spremembo temperature zaradi delovanja

ventilatorja lahko določimo kot:

∆𝑇 =𝑝𝑡𝑜𝑡

𝑐𝑝 ∙ 𝜌. (4. 25)


- 37 -

5 NADZOR OBRATOVANJA VENTILATORSKIH

KONVEKTORJEV

Pri obratovanju ventilatorskih konvektorjev je konstrukcija naprave ključnega pomena za

njihovo delovanje in učinek pri procesu ogrevanja in hlajenja. Na delovanje vpliva v veliki

meri postavitev sistema toplotnih prenosnikov in ventilatorja znotraj naprave ter kako so ti

elementi dimenzionirani. V izvedbenem primeru, kjer smo s konstrukcijo konvektorja

omejeni glede na izbiro konvektorjev na tržišču, se je bolj smiselno posvetiti predvsem vplivu

konvektorskega načina ogrevanja in hlajenja na bivalne razmere. Na omenjen pojav ima

pomemben vpliv postavitev konvektorja v prostoru in učinek prenosa toplote v prostor.

Slednji je v veliki meri odvisen od vpliva delovanja ventilatorja, zato smo se podrobneje

posvetili regulaciji in optimizaciji konvektivne ventilacije sistema ter primerjavi načinov

obratovanja glede na različne možnosti nadzora obratovanja.

5.1 Osnovni elementi regulacije konvektorjev

Osnovno načelo vseh regulacij je, da regulirano veličino primerjamo z želeno vrednostjo in jo

spreminjamo na tak način, da bi bila čim bližja želeni vrednosti. Pri ventilatorskih konvektorjih

je cilj regulacije zagotoviti minimalna odstopanja med dejansko in želeno temperaturo v

prostoru. Veličine, ki jih je smiselno pri regulaciji konvektorjev obravnavati in upoštevati, so

naslednje:

vstopna in izstopna temperatura vode v konvektor,

želena temperatura prostora,

izmerjena temperatura v prostoru,

zunanja temperatura,

masni pretok vode skozi toplotni prenosnik konvektorja,

število vrtljajev ventilatorja.

Osnovni elementi regulacije temperature pri konvektorskem ogrevanju in hlajenju so:

regulacijski ventili,

ventilator,


- 38 -

temperaturna tipala in

regulacijske nadzorne enote.

Regulacijski ventil

Regulacijski ventil je nameščen pred cevnim registrom konvektorja in je po navadi

elektromagnetne izvedbe. Ventil je v osnovi krmiljen preko termostata na konvektorju, ki

regulira njegovo stopnjo odprtosti na podlagi zaznane in želene temperature. Regulacijski ventil

tako kontrolira pretok ogrevalne ali hladilne vode skozi cevni register konvektorja. Hod ventila

oziroma njegova stopnja odprtosti je tako premo sorazmerna spremembi temperature v

prostoru. V primeru, ko ogrevanje ali hlajenje v danem trenutku ni potrebno, je naloga ventila

zaprtje dotoka ogrevalne ali hladilne vode.

Ventilator

Pri ventilatorju reguliramo predvsem njegovo število vrtljajev. Večja, kot je potreba po hladu

ali toploti, višja je hitrost ventilatorja. Tovarniška nastavitev pri izbranih konvektorjih omogoča

tri stopnje ventilacije. Število vrtljajev ventilatorja je lahko nadzorovano neposredno s pomočjo

nadzorne enote na samem konvektorju, preko sobnega termostata ali preko centralne nadzorne

enote.

Temperaturna tipala

Temperaturna tipala zaznavajo temperaturo v napravi ali prostoru, ločimo jih glede na njihovo

postavitev, v danem primeru pa obravnavamo slednja:

temperaturna tipala v konvektorju,

temperaturna tipala v prostoru in

zunanja temperaturna tipala.

Postavitev tipal v sklopu naprave spada med naloge proizvajalcev, za kakovostno nadzorovanje

obratovanja sistema pa je bistvena tudi postavitev tipal v prostoru in zunanjih tipal, kadar

upravljamo z vremensko vodeno regulacijo. Pri temperaturnih tipalih, nameščenih v prostoru,

je bistveno upoštevati določena pravila:

tipal ne nameščamo v predel prostora, kamor lahko posije sonce,

tipal ne nameščamo v bližino lokacij, kjer prihaja do izvorov toplote, kar bi lahko

vplivalo na tipalo (stenska svetila, televizijski aparati,...),


- 39 -

tipal ne nameščamo na lokacije, kjer ni zadostnega kroženja zraka (v kot prostora, za

pohištvo, za zavese,…),

tipal ne nameščamo na lokacije, kjer lahko na tipalo vpliva hladen zrak (v bližini

vhodnih vrat, oken, balkonskih vrat,...).

Pri tipalih zunanje temperature je pomembno, da:

so ustrezno zaščitena pred škodljivimi atmosferskimi vplivi (veter, umazanija, dež,...),

so nameščena na severni ali severozahodni strani stavbe in na določeni višini, da

hladna tla ne vplivajo na tipalo,

so nameščena na mesta, kjer nanje ne vpliva dodatna toplota, zaradi česar se

izogibamo bližini oken, dimnikov in podobno,

so na mestih, kjer ni dodatnega vpliva vetra (izogibamo se bližini kotov) [9].

Primer temperaturnega tipala znotraj konvektorja prikazuje slika 5.1.

Regulacijske nadzorne enote

Naloga regulacijske enote je primerjava želene vrednosti z zaznano, na podlagi česar daje

signale izvajalnim enotam (regulacijskemu ventilu, ventilatorju,…). Glede na način regulacije

konvektorjev ločimo:

lokalno regulacijo,

centralno regulacijo.

Slika 5.1: Temperaturno tipalo znotraj konvektorja

Vir: [18].


- 40 -

Lokalna regulacija v bivalnih prostorih je namenjena predvsem vzdrževanju želene

temperature v posameznih prostorih glede na potrebe in aktivnosti, ki se v njih odvijajo. V

primeru konvektorskega ogrevanja ali hlajenja predstavljajo lokalno regulacijo bodisi

termostati na sami napravi, s katerimi lahko ročno upravljamo s konvektorji, bodisi sobni

termostati, ki prilagajajo delovanje konvektorjev glede na temperaturo v posameznem prostoru.

Za optimalno delovanje sistema je v sodobnih sistemih uporabljena centralna regulacija

oziroma CNS (centralni nadzorni sistem). Naloga centralne regulacije je kar se da natančno

prilagajanje sistema trenutnim potrebam objekta po hladu ali toploti. Centralna regulacija tako

zajema nadzor celotnega ogrevalnega in hladilnega sistema stavbe, kar v našem primeru pomeni

ogrevanje in hlajenje s toplotno črpalko zrak/voda v povezavi z ventilatorskimi konvektorji.

Ključne prednosti CNS so predvsem kakovostna oskrba s podatki, upravljanje in nadzor sistema

z informacijskimi tehnologijami ter možnost poglobljenih analiz in optimizacije delovanja

sistema.

V nadaljevanju smo se posvetili predvsem različnim možnostim centralne regulacije

ventilatorskih konvektorjev.

5.2 Vrste regulacije in obdelave podatkov ventilatorskih konvektorjev

Danes se pri kompleksnih sistemih v stavbah večinoma uporabljajo sodobne regulacije v

povezavi s centralnim nadzornim sistemom. Kljub temu, da je optimizacija regulacij HVAC

sistemov področje industrijske avtomatike, smo v želji po izboljšanju delovanja konvektorjev

glede na bivalno ugodje, želeli predstaviti, primerjati in poiskati najustreznejše možnosti

obdelave podatkov centralne regulacije.

Osnovni način regulacije vklop/izklop

Želena temperatura v prostoru je pri konvektorjih regulirana glede na hitrost ventilatorja in

odprtost ventilov. Ventili regulirajo pretok vode znotraj toplotnih prenosnikov, s številom

vrtljajev ventilatorja pa je reguliran konvektivni prenos toplote v prostor. Najenostavnejši način

regulacije je po sistemu vklop/izklop. Ob znižanju ali zvišanju temperature v prostoru na neko

diferenčno vrednost, se odpre ventil za pretok vode skozi konvektor in hkrati vklopi ventilator.

Regulacija deluje tako, da ob vklopu konvektor deluje s polno močjo, ob doseženi nastavljeni

temperaturi pa se ugasne. Na ta način prihaja do velikih temperaturnih nihanj in posledično

odstopanj od nastavljene temperature, kar se odraža v neugodnih vplivih na bivalno ugodje.


- 41 -

Prav tako lahko veliko število ciklov vklop/izklop negativno vpliva na obratovalno dobo

sestavnih delov konvektorja.

Zaradi predhodno omenjenih slabosti ima večina konvektorjev tovarniško nastavljene

vsaj tri stopnje delovanja ventilatorjev, hkrati pa je možno regulirati pretok ogrevalne ali

hladilne vode skozi konvektorske toplotne prenosnike s pripiranjem oziroma dušenjem

ventilov, s čimer zmanjšujemo ali povečujemo masni pretok vode skozi konvektor.

Regulacijska enota tako nadzoruje odprtost ventilov in število vrtljajev ventilatorja s klasično

histerezo. Histereza pomeni, da se ventilatorski konvektor pri ogrevanju vklopi pri nekoliko

nižji temperaturi od želene in izklopi pri nekoliko višji. Obratno velja za hlajenje. Primer

regulacije odprtosti ventilov in hitrosti ventilatorja s klasično histerezo prikazuje slika 5.2. [4]

Način klasične regulacijske sheme s sobnim termostatom prikazuje slika 5.3.

Slika 5.2: Regulacija - klasična histereza



- 42 -

Slika 5.3: Regulacijska shema s sobnim termostatom


Nadzor sistema s proporcionalno zanko

Nadzor sistema s pomočjo P regulatorja omogoča enostavno obliko modulirane regulacije. P

regulacija zagotavlja osnovno stabilnost temperaturnih razmer v prostoru. P regulatorji delujejo

na naslednji način:

𝑥 = 𝐴 + 𝐾 ∙ (𝑇𝑛𝑎 − 𝑇𝑖𝑧), (5. 1)

kjer 𝑥 predstavlja izhodno veličino regulacije (odprtost ventilov in število vrtljajev ventilatorja),

𝐴 izhodno veličino, upoštevajoč napako (po navadi 𝐴 = 0), 𝐾 proporcionalni faktor statičnega

ojačanja, Tna nastavljeno temperaturo v prostoru, 𝑇𝑖𝑧 pa izmerjeno temperaturo ogrevanja.

Če se osredotočimo na obravnavan sistem, kjer imamo možnost regulacije treh stopenj

odprtja ventilov in treh stopenj ventilacije, je zaradi konvektorskega ogrevanja, kjer prihaja do

naglih sprememb temperature, lahko takšen način nadzora neučinkovit, predvsem z vidika

prevelikih temperaturnih odstopanj od nastavljene vrednosti.

Sistem nadzora s P regulatorjem prikazuje slika 5.4 [7].


- 43 -

Slika 5.4: Nadzor s P regulatorjem


Nadzor sistema s proporcionalno integralno zanko

Sistem nadzora s PI regulatorjem upošteva dodatno integralni člen regulacije. V primerjavi s P

regulatorjem zagotavlja zelo majhno odstopanje oziroma nihanje temperature glede na

nastavljeno vrednost. Vloga I člena je integracija napake regulirane veličine in posledično

izboljšan nadzor sistema ter v danem primeru pomeni manjša nihanja temperature:

𝑥 = 𝐾 ∙ (𝑇𝑛𝑎 − 𝑇𝑖𝑧) +𝐾

𝑇𝑖∫(𝑇𝑛𝑎 − 𝑇𝑖𝑧) 𝑑𝑡, (5. 2)

kjer 𝐾

𝑇𝑖 predstavlja koeficient integralnega ojačanja. Sistem nadzora s PI regulatorjem

prikazuje slika 5.5.


- 44 -


Nadzor sistema s proporcionalno integralno diferencialno zanko

Sistem nadzora s PID regulatorjem omogoča izboljšanje regulacije sistema z dodanim

diferencialnim členom, ki omogoča hitrejše odzive in minimalna nihanja glede na nastavljene

parametre:

𝑥 = 𝐾 ∙ (𝑇𝑛𝑎 − 𝑇𝑖𝑧) +𝐾

𝑇𝑖∫(𝑇𝑛𝑎 − 𝑇𝑖𝑧) 𝑑𝑡 + 𝐾𝑑 ∙ 𝑇𝑑

𝑑(𝑇𝑛𝑎 − 𝑇𝑖𝑧)

𝑑𝑡, (5. 3)

kjer je 𝐾𝑑 koeficient diferencialnega ojačanja, 𝑇𝑑 pa diferencialna časovna konstanta.

Opaziti je, da je nadzor sistema s PID zanko najbolj optimalen z vidika želenih bivalnih

razmer v prostoru, saj nam ustrezna nastavitev regulacije te vrste precej dobro približa

vzdrževanje konstantne temperature ob minimalnih nihanjih. Slabost nadzora s PID regulacijo

se kaže v zahtevnosti nastavitev želene obdelave podatkov in visoki ceni sistema.

Slika 5.5: Nadzor s PI regulatorjem


- 45 -

Primerjavo odzivnosti regulacije s P, PI in PID zanko prikazuje slika 5.6 [7].

5.3 Primerjava obratovanja z uporabo zunanje in notranje temperature

V predhodnih poglavjih smo obravnavali predvsem različne tipe obdelave podatkov pri nadzoru

konvektorskega načina ogrevanja in hlajenja. Primerna nastavitev in načini izvedbe le-teh so

kompleksni in spadajo v področje avtomatike, zato jim širše obravnave ne bomo posvečali. V

danem primeru se je smiselno osredotočiti predvsem na primerjavo nadzora obratovanja glede

na temperaturo v prostoru in zunanjo temperaturo ter poiskati najustreznejšo izbiro regulacije

za zastavljen sistem, ki nam omogoča tri stopnje dobave toplote in hladu z možnostjo nadzora

odprtja ventilov in stopnje ventilatorja.

Nadzor obratovanja v odvisnosti od temperature v prostoru

Pri načinu regulacije, odvisne od temperature v prostoru, je obratovanje konvektorjev

regulirano glede na temperaturno tipalo sobnega termostata. Tipalo je povezano z ustrezno

Slika 5.6: Primerjava odzivnosti P, PI in PID zanke



- 46 -

regulacijsko krmilno enoto, v kateri se izvaja primerjava med dejansko temperaturo v prostoru

in želeno temperaturo. Poenostavljen izraz za nadzor sistema, ki zajema toplotne razmere v

prostoru v odvisnosti od meritev notranje temperature (brez notranjih toplotnih dobitkov, kot

jih povzročajo svetila, gibanje ljudi,…), je v tem primeru:

𝐶𝑑𝑇

𝑑𝑡= 𝜌 ∙ 𝑐 ∙ 𝑓𝑠 ∙ (𝑇𝑘 − 𝑇𝑠) + 𝛼(𝑇𝑟 − 𝑇𝑠), (5. 4)

kjer je 𝐶 skupna toplotna kapaciteta prostora, 𝜌 gostota, 𝑐 specifična toplota zraka, 𝑓𝑠 količina

dovedenega zraka iz konvektorjev, 𝑇𝑘 temperatura zraka na izstopu iz konvektorjev, 𝑇𝑠

temperatura v prostoru, ki ga izmeri sobno tipalo, 𝑇𝑟 pa nastavljena temperatura na regulaciji.

Način nadzora obratovanja je enostaven za izvedbo, vendar pri njem prihaja do določenih

pomanjkljivosti. Prva pomanjkljivost se kaže predvsem pri zamiku med dejansko potrebno in

dovedeno toploto pri ogrevanju, saj pri padcu zunanje temperature in posledično povečanju

toplotnih potreb objekta prihaja do ogrevanja objekta z zamikom, ki ga povzroča toplotna

akumulacija. Ko se temperatura v prostoru zniža glede na nastavljeno vrednost, mora konvektor

pri vklopu pokrivati dejanske izgube in izgube akumulacije prostora, posledično je zaradi tega

temperatura lahko kar nekaj časa pod nastavljeno vrednostjo. Obratno velja tudi pri hlajenju.

Do naslednje težave pri načinu obratovanja glede na temperaturo v prostoru prihaja predvsem

pri meritvah temperature, saj so v primeru sobnih temperaturnih tipal le-te večinoma posledice

difuzije toplotnega toka in ne konvekcije. V danem primeru konvektorskega ogrevanja je tako

lahko dejanska temperatura v prostoru višja ali nižja, kakor pa jo beleži osnovno temperaturno

tipalo. Posledica tega je lahko nesimetričnost sistema in neugodni bivalni pogoji zaradi

prevelikih temperaturnih nihanj, ki so lahko v nekaterih primeru celo višja od 1,5 °C v zelo

kratkem času. Povzeto po viru [13].

Optimizacija nadzora obratovanja glede na notranjo temperaturo

V ta namen bi bilo pri tej vrsti regulacije smiselno razmisliti o nadzoru sistema s PID zanko,

saj bi v tem primeru znižali občutljivost sistema in odpravili prevelika temperaturna nihanja v

kratkem času.

Drug način optimizacije bi bila izbira ustreznega tipa sobnega temperaturnega tipala, saj

je le-ta ključnega pomena za kakovosten nadzor temperature v prostoru. Temperaturno tipalo

predstavlja prvi element v regulacijski zanki sistema. Njegova naloga bi morala biti zajemanje


- 47 -

meritev prenosa toplote, ki se vrši v prostor, na enak način, kot spremembo temperature občuti

človek. To pomeni s prevodom, sevanjem in v danem primeru predvsem s konvekcijo.

Operativno spremembo temperature (poleg kondukcije zajema še vpliv konvekcije in

radiacije) bi v tem primeru tako lahko izrazili kot:

𝑇𝑜 =(𝛼 ∙ 𝑇𝑝𝑟 + 𝛼𝑟 ∙ 𝑇𝑟)

(𝛼 + 𝛼𝑟), (5. 5)

kjer je 𝑇𝑝𝑟 temperatura zraka, 𝛼𝑟 koeficient sevanja pri človeku, 𝛼 koeficient konvekcije in 𝑇𝑟

srednja sevalna temperatura.

Srednja sevalna temperatura tako upošteva v danem primeru še vpliv konvekcije (vpliv

hitrosti zraka v prostoru) in radiacije teles v prostoru ter mora poleg dejanske izmerjene

temperature biti upoštevana bodisi pri regulaciji notranje temperature bodisi pri izbiri

ustreznega senzorja notranje temperature. To velja predvsem v primeru konvektivne

ventilacije, kjer je lokalna hitrost zraka v prostoru lahko višja od 0,2 m/s.

Da bi neposredno izmerili dejansko operativno temperaturo, je potrebno ustrezno izbrati

temperaturno tipalo, ki bi upoštevalo izmerjeno temperaturo v prostoru in vpliv srednje

sevalne temperature na enak način, kot ju občuti človek. To lahko zapišemo z naslednjim

izrazom:

(𝛼𝑟

𝛼)

𝑠𝑒𝑛𝑧𝑜𝑟= (

𝛼𝑟

𝛼)

č𝑙𝑜𝑣𝑒𝑘. (5. 6)

Za izbiro ustreznega temperaturnega tipala je tako pri prisilni konvekciji potrebno upoštevati

predvsem hitrost zraka v prostoru. Primer ustrezne izbire oblike temperaturnega tipala pri

prisilni konvekciji je prikazan na sliki 5.7. Povzeto po viru [13].


- 48 -

Slika 5.7: Izbira oblike senzorja


Prednost izbire temperaturnega tipala na podlagi operativne temperature v primerjavi z

navadnim senzorjem, ki meri neposredno samo dejansko temperaturo zraka, se kaže v

povečanem bivalnem ugodju, saj bo takšno tipalo namreč zaznalo spremembo temperature na

podoben način, kot jo zaznava človek. Ustrezno obliko in mesto postavitve je potrebno določiti

glede na lastnosti danega prostora v objektu.

Nadzor obratovanja v odvisnosti od zunanje temperature

Zaradi pomanjkljivosti, ki jih lahko ima regulacija sistema glede na temperaturo v prostoru, je

smiselno raziskati možnosti nadzora v odvisnosti od zunanje temperature. V tem primeru je na

zunanji steni objekta vgrajeno tipalo zunanje temperature, ki je povezano z ustrezno

regulacijsko krmilno napravo. Pri tem je pomembna ustrezna postavitev zunanjega tipala, kar

je opisano v poglavju 5.1.3.

Eden izmed dejavnikov, ki vplivajo na natančnost meritve zunanje temperature, je prehod

toplote iz notranjosti stavbe skozi zunanjo steno, na kateri je na zunanji strani nameščeno

temperaturno tipalo. Posledica tega je, da toplota, ki prehaja skozi steno, dviguje temperaturo

v okolici tipala in s tem vnaša v meritev pogrešek. Povzeto po viru [9].

Tako je pri nadzoru obratovanja in bivalnih razmer v odvisnosti od sprememb zunanje

temperature smiselno obravnavati matematični model z zapisom prenosne funkcije. V

matematičnem smislu prenosna funkcija reguliranega fizikalnega sistema podaja razmerje med

relativno spremembo med izhodno in vhodno veličino v Laplaceovem slikovnem prostoru.

Povzeto po viru [22]. Osnovna enačba:


- 49 -

𝐹(𝑠) =𝑥(𝑠)

𝑦(𝑠)=

∑ 𝑏𝑗𝑠𝑗𝑘𝑗=0

∑ 𝑎𝑖𝑠𝑖𝑛𝑖=0

, (5. 7)

kjer 𝑠 predstavlja operator Laplaceove transformacije (ki v poenostavljeni obliki nadomesti

operator diferenciranja 𝑑

𝑑𝑡), predstavlja osnovno prenosno funkcijo regulacije. Da bi zapisali

prenosno funkcijo, ki opisuje dejansko temperaturo v stavbi, moramo poznati veličine,

zapisane v nadaljevanju.

Osnovna energijska enačba, ki opisuje, kolikšna energija je potrebna, da se določen

prostor segreje na neko temperaturo, se zapiše z izrazom:

𝑄 = 𝑚 ∙ 𝑐 ∙ 𝑑𝑇, (5. 8)

kjer je 𝑚 masa zraka, odvisna od gostote zraka in prostornine prostora, 𝑐 specifična toplota ter

𝑑𝑇 sprememba temperature.

Moč je v danem primeru odvod energije po času:

𝑃 =𝑑𝑊

𝑑𝑡. (5. 9)

Produkt mase zraka, specifične toplote zraka in odvodom temperature po času, je enak razliki

dovedene moči in moči, ki predstavlja toplotne izgube skozi ovoj stavbe:

𝑚 ∙ 𝑐 ∙𝑑𝑇

𝑑𝑡= 𝑃 −

𝜆

𝑑(𝑇𝑛 − 𝑇𝑧). (5. 10)

Z združitvijo enačb dobimo naslednji izraz:

𝑚 ∙ 𝑐 ∙ 𝑠𝑇(𝑠) = 𝑃(𝑠) − 𝑘 ∙ (𝑇𝑛(𝑠) − 𝑇𝑧(𝑠)) (5. 11)

na podlagi katerega lahko zapišemo prenosno funkcijo:

𝑇(𝑠) =𝑃(𝑠)

𝑚 ∙ 𝑐 ∙ 𝑠 + 𝑘+

𝑘 ∙ 𝑇𝑧(𝑠)

𝑚 ∙ 𝑐 ∙ 𝑠 + 𝑘 (5. 12)


- 50 -

Enačba prikazuje prenosno funkcijo, ki opisuje dejansko temperaturo v stavbi, ta pa je odvisna

od dovedene moči ogrevalnega in hladilnega sistema 𝑃, specifične toplote zraka v prostoru 𝑐 in

koeficienta toplotne prehodnosti stavbe 𝑘, ki v danem primeru predstavlja skupno toplotno

prehodnost površin obravnavanega objekta. Povzeto po viru [9].

Da bi zagotovili optimalno regulacijo konvektorjev glede na zunanjo temperaturo,

moramo upoštevati naslednji izraz, ki upošteva optimalno nastavitev dovoda zraka iz

konvektorjev v prostor:

𝑓𝑠0 =𝑞𝑙 + 𝑞𝑡ℎ + 𝛼(𝑇𝑧 − 𝑇𝑛𝑎)

𝑐 ∙ 𝜌 ∙ (𝑇𝑟 − 𝑇𝑠), (5. 13)

kjer 𝑓𝑠0 predstavlja optimalno količino dovedenega ogrevalnega ali hladilnega zraka v prostor

s pomočjo konvektorjev, 𝑇𝑧 zunanjo temperaturo, ki jo izmeri tipalo, 𝛼 toplotno prestopnost,

𝑇𝑛𝑎 nastavljeno vrednost temperature na regulaciji in 𝑇𝑠 temperaturo dovedenega zraka iz

konvektorja v prostor. Na podlagi zgornje enačbe lahko regulacijska enota v vsakem trenutku

obratovanja izračuna zahtevano potrebo po toploti ali hladu in v danem primeru prilagaja jakost

obratovanja ventilatorskih konvektorjev oziroma stopnjo ventilacije ter položaj ventilov.

Optimizacija nadzora obratovanja glede na zunanjo temperaturo

Ugotovili smo, da je nadzor konvektorskega obratovanja glede na zunanjo temperaturo z vidika

regulacije bolj optimalen, saj pri učinkoviti in natančni obdelavi vseh parametrov omogoča

manjše pogreške ter bolj stabilen sistem v primerjavi z nadzorom obratovanja glede na notranjo

temperaturo. Za izbiro optimalne vrste nadzora delovanja je v tem primeru smiselno primerjati

predvsem vpliv PI in PID regulacije na bivalne razmere.

Primer simulacije, ki prikazuje spremembo temperature v prostoru v odvisnosti od

zunanje temperature ob konstantni toplotni moči ogrevalnega sistema, prikazuje graf 5.1.

Povzeto po viru [9].


- 51 -


Na podlagi rezultatov simulacije je smiselno regulirati moč ogrevalnega sistema za dosego

želenih temperatur v prostoru.

Prikaz nadzora sistema glede na zunanjo temperaturo prikazuje slika 5.8.

Slika 5.8: Nadzor sistema v odvisnosti od zunanje temperature

Graf 5.1: Primer simulacije, ki prikazuje spremembo temperature v prostoru ob konstantni

toplotni moči ogrevalnega sistema


- 52 -

Za optimalno izbiro nadzora obratovanja sistema je smiselno primerjati PI in PID regulator. Za

primerjavo smo izbrali primer poteka temperatur v notranjosti sistema z obema načinoma

krmiljenja [9].

Graf 5.2: Primerjava PI in PID regulatorja


Iz grafa 5.2 je razvidno, da se krivulji skoraj ujemata. Tudi v primeru, ko pride do nagle

spremembe zunanje temperature, ne prihaja do velikih odstopanj med uporabljenima

primeroma regulacij. Kljub temu, da je konvektorski način ogrevanja in hlajenja priljubljen

zaradi visoke odzivnosti na dražljaje, so na nivoju regulacije vsi HVAC sistemi relativno

počasni. Na podlagi tega dejstva lahko sklepamo, da uporaba PID regulatorja v danem sistemu

obratovanja glede na zunanjo temperaturo ni potrebna.

Optimalni način nadzora delovanja sistema, ki je na regulacijskem nivoju obširneje

predstavljen v delu [9], bi tako bila PI zanka z uvedbo kompenzacije zunanje motnje. S tem bi

dosegli, da bi sistem dobil informacijo o hitri spremembi zunanje temperature, še preden bi le-

ta lahko vplivala na temperaturo v bivalnih prostorih.

Primerjavo klasičnega PI regulatorja s PI regulatorjem, ki upošteva kompenzacijo

zunanje motnje glede na potek zunanje temperature, prikazuje graf 5.3.


- 53 -

Graf 5.3: Primerjava klasičnega PI regulatorja s PI regulatorjem, ki upošteva kompenzacijo

zunanje motnje glede na potek zunanje temperature


Zaključimo lahko, da bi v izvedbenem primeru in nadzoru delovanja glede na zunanjo

temperaturo, bil optimalen način izvedbe regulacije s PI regulatorjem, ki bi upošteval še

kompenzacijo zunanje motnje. Na ta način bi občutljivost sistema zmanjšali do te mere, da bi

bila nihanja temperature v prostoru minimalna in nemoteča.


- 54 -

6 SKLEP

V magistrskem delu smo se uvodoma posvetili določitvi izvedbenega primera objekta in

izračunu toplotnih izgub in dobitkov po veljavnih standardih. Na podlagi izračunov smo

dimenzionirali ustrezno toplotno črpalko tipa zrak/voda in ventilatorske konvektorje. Pri

obravnavi hladilnega in ogrevalnega sistema smo se osredotočili predvsem na dimenzioniranje

sistema za nesimetrično dobavo toplote in hladu, ki se razlikuje od klasičnega projektantskega

pristopa, pri čemer smo ugotovili sledeče:

ob dimenzioniranju sistema z ustreznim hranilnikom toplote ali hladu, lahko sistem

dimenzioniramo na nižjo porabo od računsko določene in z akumulacijo toplote ali

hladu v hranilniku uspešno premagujemo konično, vrhnjo porabo,

v obravnavanem primeru je hlad kot integral hladilne moči nižji od toplote kot

integrala toplotne moči, kar smo dokazali na primeru dnevne obremenitve izbranega

prostora,

na podlagi predpostavke trajanja dnevne ogrevalne in hladilne obremenitve ter sezone

ogrevanja in hlajenja v danih podnebnih razmerah, smo potrdili pravilno

dimenzioniranje toplotne črpalke na nižjo porabo.

Pomanjkljivosti predstavljenih ugotovitev in smernice za nadaljnje delo se kažejo predvsem v:

primanjkljaju izračuna integrala hladilne in ogrevalne moči za vsak prostor posebej in

posledično celotnega objekta za letno sezono hlajenja in ogrevanja.

To bi lahko izvedli samo z obsežnimi meritvami toplotnih dobitkov in izgub prostora skozi celo

leto, kar pa v našem primeru ni bilo izvedljivo zaradi časovnih in finančnih nezmožnosti.

V nadaljevanju magistrskega dela smo se posvetili predvsem ventilatorskim

konvektorjem, kjer smo po ustrezni izbiri le-teh v odvisnosti od obravnavanega sistema,

pozornost posvetili delovanju in mehanizmom prenosa toplote v sami napravi ter vplivom

konvektorskega prenosa toplote na bivalne razmere in toplotno ugodje. Obravnava se je

nanašala predvsem na vpliv ventilacije.

Na podlagi tega smo se v zadnjem poglavju lotili primerjave nadzora obratovanja

ventilatorskih konvektorjev, kjer smo predstavili osnovne tipe in načine delovanja danes

splošno uporabljenih regulacij ter se lotili primerjave nadzora obratovanja glede na notranjo in


- 55 -

zunanjo temperaturo. Omejili smo se na primerjavo nadzora v želji po optimalnih bivalnih

razmerah in pri obratovanju glede na notranjo temperaturo ugotovili sledeče:

smiselno je obravnavati izbiro ustreznega tipa sobnega temperaturnega tipala, ki

zaznava spremembo temperature podoben način kot človek,

najbolje se izkaže regulacija s PID zanko zaradi znižanja občutljivosti sistema ter

minimalnih temperaturnih nihanj.

Pri nadzoru obratovanja v odvisnosti od zunanje temperature smo ugotovili, da:

v primerjavi z nadzorom v odvisnosti od notranje temperature je ta način obratovanja

primernejši, saj omogoča manjše pogreške in stabilnejši sistem,

bi bil optimalen sistem nadzora v odvisnosti od zunanje temperature sistem s PI

regulatorjem s kompenzacijo zunanje motnje, s čimer bi bila nihanja temperature

skoraj nična oziroma minimalna.

Pomanjkljivosti pri primerjavah obeh predstavljenih nadzorov obratovanja ventilatorskih

konvektorjev in smernice za nadaljnje delo se nanašajo predvsem na:

primerjavo finančnih stroškov posameznega tipa regulacije,

primerjavo porabe energije sistema glede na različne tipe nadzora obratovanja,

primerjavo in optimizacijo sistema z brezstopenjsko regulacijo, ki bi omogočala

zvezno spremembo hitrosti ventilatorja in odprtja ventilov ter

simulacijo predstavljenih možnih načinov regulacij obravnavanega sistema v

ustreznem programskem okolju.


- 56 -

7 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] Alujevič Andro, Škerget Polde. Prenos toplote. Maribor : Tehniška fakulteta, Univerza

v Mariboru, 1990.

[2] Dimenzioniranje hranilnika toplote pri vgradnji toplotne črpalke [svetovni splet].

Dostopno na: http://gcs.gi-zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT247.htm

[16.4.2015].

[3] Fan Coil Engineering [svetovni splet]. Dostopno na: https://www.krueger-

hvac.com/file/9263/Fan_Coil_Engineering.pdf [25.4.2015].

[4] Fan Coil Unit. Example Implementation with Lonix Technologies. [svetovni splet].

Dostopno na: http://www.lonix.ru/examples/Example_FCU.pdf [25.5.2015].

[5] Hewitt Geoffrey Frederick, Shires G.L., Bott Theodore Reginald. Process heat transfer.

New York ; Walingford, UK : Behel House cop., 2000.

[6] Hiša Vita Nova [svetovni splet]. Dostopno na: www.http://vitanova.kager.si/

[15.9.2014]

[7] HVAC Control Systems [svetovni splet]. Dostopno na:

www.ce.utexas.edu/prof/Novoselac/classes/.../389H_NO_22_Control.ppt [25.5.2015].

[8] Izboljšanje bivalnega udobja [svetovni splet]. Dostopno na: http://www.ursa.si/sl-

si/trajnostni-razvoj/strani/izboljsanje-bivalnega-udobja.aspx [25.4.2015].

[9] Kos Mario. Optimizacija sistemov ogrevanja glede na transmisijske izgube, magistrsko

delo. Maribor : Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Univerza v

Mariboru, 2014.

[10] Kraut Bojan. Krautov Strojniški Priročnik. Štirinajsta slovenska izdaja. Ljubljana : Littera

picta, 2007.

[11] Levenhagen John, Spethmann Donald. HVAC controls and systems. New York :

McGraw-Hill, 1993.

[12] Marn J., Brodar R. Postopek in naprava za nesimetrično dobavo toplote in hladu, patent

SI 24549 A. Slovenija : Ministrstvo za gospodarski razvoj in tehnologijo, Urad RS za

intelektualno lastnino, 29.5.2015.

[13] Operative temperature control of radiant surface heating and cooling systems [svetovni

splet]. Dostopno na:

http://www.researchgate.net/profile/Angela_Simone/publication/257748460_Operative


- 57 -

_temperature_control_of_radiant_surface_heating_and_cooling_systems/links/0c96052

5c99fab2ee8000000.pdf [19.5.2015].

[14] Recknagel Hermann, Sprenger Eberhard, Schramek Ernst-Rudolf, Čeperkovič Zagorka.

Grejanje i klimatizacija. Vrnjačka Banja : Interklima, 2004.

[15] Regulacija centralnega ogrevanja [svetovni splet]. Dostopno na: http://gcs.gi-

zrmk.si/Svetovanje/Publikacije.URE/URE1-03.htm [17.5.2015].

[16] Stiebel Eltron Ges.m.b.H. Toplotna črpalka zrak-voda. Upravljanje in instalacija.

Holzminden : Stiebel Eltron, 2015.

[17] Takanori Yamazaki, Yuji Yamakawa, Kazuyuki Kamimura, Shigeru Kurosu. Air-

Conditioning PID Control System with Adjustable Reset to Offset Thermal Loads

Upsets [svetovni splet]. Dostopno na: http://www.intechopen.com/books/advances-in-

pid-control/air-conditioning-pid-control-system-with-adjustablereset-to-offset-thermal-

loads-upsets [19.5.2015].

[18] Temperaturno tipalo MWT110 [svetovni splet]. Dostopno na:

http://www.materm.si/Prodajni_program/Kabelska_temperaturna_tipala [31.5.2015]

[19] Ventilatorski konvektor [svetovni splet]. Dostopno na:

http://sl.wikipedia.org/wiki/Ventilatorski_konvektor [25.5.2015].

[20] Ventilatorski konvektorji AERMEC Omnia UL, navodila za instalacijo [svetovni splet].

Dostopno na:

http://planetaklimata.com.ua/instr/Aermec/Aermec_Omnia_UL_S_Installation_manual

_Eng.pdf [25.4.2015].

[21] Vgradnja konvektorjev v bivalne prostore [svetovni splet]. Dostopno na: http://gcs.gi-

zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT58.htm [16.4.2015].

[22] Župerl Uroš, Detiček Edvard. Regulacijska Tehnika za program VS. Maribor : Fakulteta

za strojništvo, Univerza v Mariboru, 2011.

ŽIVLJENJEPIS

Osebni podatki

Ime: Renato

Priimek: Brodar

Spol: Moški

Datum rojstva: 01.07.1990

Kraj rojstva: Maribor (Slovenija)

Izobraževanje

1997-2005: Zaključeno osnovnošolsko izobraževanje

Osnovna šola Ludvika Pliberška Maribor

Lackova cesta 4, 2000 Maribor (Slovenija)

2005-2009: Gimnazijski maturant

II. gimnazija Maribor

Trg Miloša Zidanška 1, 2000 Maribor (Slovenija)

2009-2012: Diplomirani inženir strojništva (UN)

Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru

Smetanova ulica 17, 2000 Maribor (Slovenija)

2012-2015: Magister inženir strojništva

Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru

Smetanova ulica 17, 2000 Maribor (Slovenija)

Kompetence:

obvladovanje računalniških orodij Microsoft Office (Word, Excel, Powerpoint,...),

obvladovanje inženirskih računalniških orodij (AutoCAD, Catia, Ansys,...),

aktivno znanje angleškega in hrvaškega jezika,

pasivno znanje nemškega in španskega jezika,

sodelovanje pri projektu Formula Student,

iznajdljivost v kriznih situacijah,

vodstvene in organizacijske izkušnje.

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

IZJAVA MAGISTRSKEGA KANDIDATA

Podpisani Renato BRODAR, vpisna številka S2002556

izjavljam,

da je magistrsko delo z naslovom: Primerjava obratovanja konvektorskega načina

ogrevanja in hlajenja z uporabo notranje in zunanje temperature

rezultat lastnega raziskovalnega dela,

da predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli

izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

da so rezultati korektno navedeni in

da nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih.

Maribor, 09.06.2015 Podpis: ___________________________

Documents

PRIMERJAVA OBRATOVANJA KONVEKTORSKEGA OGREVANJA … · 2017-11-28 · UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Renato BRODAR PRIMERJAVA OBRATOVANJA KONVEKTORSKEGA OGREVANJA IN