STRUČNO USAVRŠAVANJE

OVLAŠTENIH ARHITEKATA I OVLAŠTENIH INŽENJERA

XII. tečaj 10. i 11. veljače 2012.

TEMA:

"URAVNOTEŽENJE ZRAČNIH SUSTAVA I REGULACIJA U SVRHU

GOSPODARENJA ENERGIJOM"

Autori:

mr.sc. IVAN CETINIIĆ, dipl.ing.strojArhitektonski fakultet, Zagreb

Prof.dr.sc. PETAR DONJERKOVIĆ, dipl.ing.strojDON PROJEKT, ZagrebZDENKO VAŠATKO, dipl.ing.strojTrox Austria GmbH, Predstavništvo u RH, Zagreb

URAVNOTEŽENJE ZRAČNIH SUSTAVA I REGULACIJA U SVRHU

GOSPODARENJA ENERGIJOM

Zdenko Vašatko, dipl. ing.

Sadržaj

Uvod 3 Regulacija količine zraka unutar kanalne mreže 3 Potrošnja energije kao funkcija pada tlaka 5 – otpora sustava Individualna regulacija temperature 7 promjenom količine zraka Održavanje tlaka u kanalnom razvodu 9 Optimiranje radne točke ventilatora 11 (uređaja za kondicioniranje zraka) Zaključak 12

Uvod Ušteda energije i gospodarenje energijom gospodarska je i ekološka kategorija termotehničkih susustava ventilacije i klimatizacije. To se očituje u smanjenja pogonskih troškova, smanjenju emisije CO2 koja je poslijedica smanjenja pogonske i toplinske energije. Važnost ovog problema je multidisciplinarna i zahtijeva multidisciplinarni pristup izrade projekata kanalnog razvoda razdiobe zraka unutar građevine. Kako bismo osigurali odgovarajuću (optimalnu) količinu zraka, prilikom puštanja u pogon sustava pristupa se njegovom uravnoteženju. U kanalnim razvodima sustava za razdiobu zraka, a u svrhu uravnoteženja sustava u standardnoj su primjeni ručne žaluzine za regulaciju količine. Primjenom ručnih regulatora – žaluzina, samo je djelomično moguće izvršiti uravnoteženje, a sve zbog međusobnog utjecaja unutar kanalne razvodne mreže. Matematički razmatrano, takav složeni sustav nije moguće matematički opisati. Zbog toga su automatski upravljani regulatori protoka u širokoj primjeni u sustavima razdiobe zraka i ukoliko su odgovarajuće (pravilno) dimenzionirani, sustav se prilikom puštanja u pogon automatski podešava na željene vrijednosti odnosno sustav je uravnotežen. Regulacija količine zraka unutar kanalne mreže može se izvoditi:

- Zapornim blendama, nepromjenjive geometrije. To mogu biti ploče od lima, perforirani lim određene propusnosti itd.

- Ručnim regulacijskim žaluzinama, koje mogu biti sa mjerenjem pada tlaka ili bez mjerenja pada tlaka

Slika 1

- Regulatorima protoka bez pomoćne energije

Slika 2

- Regulatorima protoka sa pomoćnom energijom (električno, pneumatski…)

Slika 3 Potrošnja energije kao funkcija pada tlaka – otpora sustava Sa energetskog gledišta, neobično je važno projektirati sustav sa minimalnim otporima, jer to znači minimalni utrošak energije za transport zraka unutar kanalne mreže. Veza između pada tlaka i energije data je izrazom:

Gdje su količina zraka u m3/h

pad tlaka u Pa vrijeme rada sustava u h stupanj djelovanja ventilatora (od 0,55 do 0,75)

Iz gornjeg izraza je vidljiv direktan utjecaj pada tlaka i utrošene energije. Sa stanovišta regulacije, veći pad tlaka na elementima uravnoteženja

omogućuje bolje i pouzdanije uravnoteženje sustava ali istovremeno povećava potrošnju energije. Pokažimo to na primjeru utjecaj pada tlaka sustava na potrošnju pogonske energije: U sustavu kondicioniranja zraka poslovne građevine potrebno je ubaciti 50000 m3/h kondicioniranog zraka. Predviđena količina zraka tlačnog i odsisnog sustava je jednaka. (poslovni centar sa ca.1500 ljudi tijekom radnog vremena 30 m3/h osoba) Sustav je u pogonu 365 dana u godini i to 24h dnevno Projektirani potrebiti tlak u sustavu iznosi 450 Pa za sustav dovoda zraka Stupanj djelovanja ventilatora =0,68 Etlak= 80515 kWh Radi pojednostavljenja uzet ćemo pad tlaka u odsisnom sustavu jednak padu tlaka tlačnog sustava, pa slijedi ukupno potrošena energija u kWh Eodsis=80515 kWh Eukupno=161030 kWh Za proizvodnju ove količine energije iz mješovitih izvora, rezultira emisijom CO2 u atmosferu od CO2 =E x 0,55= 161030 x 0,55= 88,566 kg/god, gdje je faktor 0,55 emisija CO2/kWh Naravno takav cjelodnevni puni pogon nije gospodarski opravdan i nije u praksi pa se korekcijom radnog vremena rada sustava mogu ostvariti znatne uštede, kako slijedi: Sustav je predviđen za rad 260 dana u punom pogonu trajanja 12 sati dnevno, ostali dio godine (vikendi, noćni režim rada…) u režimu 50% količine zraka (25000 m3/h). Pri radu u smanjenom režimu zbog manje količine zraka i potrebiti tlak je manji i iznosi 112 Pa Etlak=E100%+E50% E100%=28676 kWh E50%=6451 kWh Etlak=35127 kWh, Eodsis=35127 kWh

Eukupno=Etlak+Eodsis=70255 kWh Što uzrokuje emisiju CO2 u atmosferu od 38,6 t/god Uvođenje korekcije prema predviđenom radnom vremenu nam je uštedjelo preko 50% energije potrebne za transport zraka kanalima, odnosno emisiju CO2 u atmosferu smo smanjili za više od 50% Računom je uzeta u razmatranje samo energija utrošena na transport zraka zračnim kanalima. Daljnja ušteda je ostvariva individualnom regulacijom svake pojedine prostorije. Individualna regulacija temperature promjenom količine zraka Primjenom sustava individualne regulacije za svaku prostoriju mogu se ostvariti daljnje uštede energije promjenom količine zraka po prostorijama. Sobni regulatori se namještaju na minimalnu i maksimalno potrebnu projektiranu količinu zraka. Grijanje/hlađenje može biti izvedeno samo zračnim sustavom ili kombinirano sa nekim drugim sustavom grijanja/hlađenja. Ukoliko se radi o količinskoj regulaciji temperature, tada sobni osjetnik temperature određuje potrebitu količinu zraka (između minimalne i maksimalo predviđene). U vezi sa sobnim osjetnikom se može dodatno ugraditi i osjetnik prisutnosti u prostoru, koji osigurava rad lokalnog sustava u režimu minimalne količine zraka ukoliko nema osoba u promatranom uredu.

Slika 4

Na slici je prikazan primjer regulacije količine zraka na strani kondicioniranog zraka u slijednoj vezi sa regulatorom na strani odsisanog zraka (master – slave).

Slijedna veza je uobičajena kada se želi postići usklađen rad regulatora na strani ubacivanog i odsisavanog zraka. Tako se osigurava gradacija tlaka u građevini. Regulator na strani odsisanog zraka uvijek prati rad regulatora na strani ubacivanog zraka i ukoliko iz bilo kojeg razloga, regulator nije ostvario vrijednosti tražene sobnim osjetnikom (termostatom) regulator na strani odsisa prati veličinu koju je vodeći regulator ostvario. Shematski prikaz složenog sustava regulacije više prostorija građevine

Slika 5

Primjenom individualne regulacije količine zraka, mijenjamo i uvjete u kanalnom razvodu zraka. Ukoliko bilo koji od prikazanih regulatora promjeni svoju količinu zraka, tlak u sustavu se mijenja, što znači da će svi ostali regulatori mijenjati svoj položaj i tako redom. To je složen i dinamičan proces u svakom sustavu razvoda. Primjerom ćemo prikazati što se događa prilikom zatvaranja regulatora protoka sa maksimalne na minimalnu količinu zraka.

Dijagram 1

Iz dijagrama 1 je vidljiv prirast tlaka u sustavu. Naravno na taj način smo utrošili dodatnu energiju na savladavanje otpora sustava. Smanjena količina zraka će uzrokovati smanjenje gubitaka uslijed strujanja u kanalima, ali sa druge strane uzrokuje porast pada tlaka na regulatoru količine zraka. Kao poboljšanje rada sustava sa promjenjivom količinom kondicioniranog zraka koriste se ventilatori sa kontinuiranom regulacijom broja okretaja i na taj način ostvarujemo uštedu pogonske energije sustava. Održavanje tlaka u kanalnom razvodu Uvođenjem sustava održavanja konstantnog tlaka u kanalnom razvodu, prilikom zatvaranja regulatora, u sustavu se događa prirast tlaka, ali promjenom broja okretaja ventilatora održavamo konstantan tlak i osiguravamo uštedu pogonske energije sustava, kako je to vidljivo iz dijagrama 2:

Vmin Vmax V (m3/h)

p (P

a)P1

= P

3 13

Ventilator <100%

Dijagram 2

Prilikom promjene potrebe za kondicioniranim zrakom, regulacijom konstantnog tlaka (1->3) osigurali smo smanjenje tlaka sustava (P3<P2), a s time u vezi smanjujemo potrebnu pogonsku energiju za pogon ventilatora. Općenito razmatrajući složeni sustav kanalne razdiobe zraka u građevini, sa energetskog stanovišta nam je cilj maksimalno smanjenje otpora Sustava uz zadržavanje standardizirane geometrije kanalnog razvoda. Dakle postavljaju se dva međusobno suprotna zahtijeva:

- Uravnoteženje sustava , gdje povećanje Δp na elementima sustava osigurava stabilniju regulaciju.

- Maksimalno smanjenje Δp kako bismo uštedjeli energiju za transport zraka.

Smanjenje Δp u sustavu istovremeno rezultira smanjenjem buke u sustavu što nije zanemariv čimbenik ugode i investicije. Analizom rada složenog kanalnog sustava razvoda dolazimo do zaključka da je moguće daljnje smanjenje tlaka u sustavu odnosno uštede energije.

Optimiranje radne točke ventilatora (uređaja za kondicioniranje zraka)

Kako smo smanjivali količinu zraka u sustavu a zbog smanjene brzine kroz sustav otpori su se smanjili sa kvadratom brzine. Dakle za smanjenu količinu zraka, lokalni otpori su se smanjili i daljnje smanjenje tlaka u sustavu je moguće. Promatrajući složeni sustav u ravnotežnom stanju, između Vmin i Vmax sve dok se jedan od regulatora varijabilnog sustava regulacije ne nalazi u potpuno otvorenom položaju potrebno je smanjivanje broja okretaja ventilatora, što je prikazano dijagramom 3:

Vmin Vmax V (m3/h)

1

4

Dijagram 3

Ukupna ušteda je osigurana pomicanjem radne točke 2 prema radnoj točki 4. Ukupna količina zraka je ista, a tlak i buka u sustavu su znatno smanjeni, a time i cijena rada takvog sustava.

Glede sustava automatske regulacije promjena je gotovo zanemariva, potrebno je na sustav nadzora sa svakog regulatora slati podatak o položaju zaklopke i smanjivati broj okretaja ventilatora sve dok jedan od regulatora ne postigne potpuno otvoren položaj. Ukoliko se na bilo kojem regulatoru ukaže potreba za povećanjem količine zraka, on će se početi otvarati a tlak u sustavu će padati. Istovremeno regulatori šalju podatak o prevelikoj otvorenosti i broj okretaja ventilatora se povećava. Shematski prikaz jednog takvog sustava je dan slikom:

Slika 6 1: ventilator 2: regulatori varijabilnog protoka (lokalno upravljani) 3: regulatorska jedinica 4: regulator broja okretaja ventilatora Rezultati mjerenja na više primjera pokazuju uštedu u pogonskoj energiji ventilatora do 50% godišnje u odnosu na sustav sa regulacijom tlaka u kanalu. Obzirom na prikazani rad sustava, osobitu pažnju treba obratiti na dimenzioniranje i odabir ventilatora, kako bi bio u mogućnosti zadovoljiti tražene zahtjeve za mijenjanjem radne točke. Isto tako iz energetske jednadžbe je vidljivo kako stupanj djelovanja ima direktan utjecaj na energetsku učinkovitost sustava. Zaključak:

1. Proračunom pada tlaka potrebno je optimirati geometriju kanalne mreže u funkciji brzine i veličine pada tlaka radi smanjenja potrošnje energije i smanjenja efekta buke.

2. Regulacijom promjene količine zraka sustav treba težiti održavanju konstantnog tlaka kanalne mreže uz korekciju prema otvorenosti lokalnih regulacijskih elemenata.

3. Regulacija količinskog učina sustava rješava se primjenom pogona ventilatora sa kontinuirano promjenjivim brojem okretaja.

4. Smanjenje potrošnje pogonske energije je u direktnoj vezi sa zaštitom okoliša smanjenjem emisije CO2.

5. Smanjenje emisije CO2 prema EU smjernicama povećava gospodarski učin sustava.