metody optymalizacji regulacji parametrów utrzymania komfortu

Optymalizacja sterowania przepływem powietrza, Komfort klimatyczny
Budownictwo niskoenergetyczne i pasywne
Sterowanie ciągłe i dyskretne regulatorami VAV i CAV,
Systemy regulacji zdecentralizowanej.
Kamil SZKARŁAT*
Tomasz MRÓZ**
METODY OPTYMALIZACJI REGULACJI PARAMETRÓW
UTRZYMANIA KOMFORTU KLIMATYCZNEGO
W ZDECENTRALIZOWANYM SYSTEMIE WENTYLACYJNOOGRZEWCZYM
W referacie przedstawiono metody optymalizacji regulacji parametrów utrzymania komfortu
klimatycznego w budynkach niskoenergetycznych oraz pasywnych. Analizę przeprowadzono
dokonując regulacji parametrów temperatury oraz stężenia ditlenku węgla w zdecentralizowanym
systemie
wentylacyjno-ogrzewczym.
Przeprowadzone
badania
teoretyczno-symulacyjne
potwierdzone zostały szeregiem praktycznych pomiarów na fizycznym obiekcie budynku pasywnego
z modyfikowanym układem instalacji. Przedstawione wyniki badań są porównaniem i oceną różnych
systemów sterowania przy stałym i zmiennym przepływie powietrza (regulatory CAV i regulatory
VAV) oraz ich integracji z centralą wentylacyjną. Każdą analizę i optymalizacje przeprowadzono pod
kątem integracji dwóch kryteriów: minimalizacji zużycia energii oraz zachowania optymalnych
warunków klimatycznych w danych pomieszczeniach z uwzględnieniem działających na nie
wszelkich obciążeń zewnętrznych i wewnętrznych.
1. WPROWADZENIE
Ciągła modernizacja budynków, związana przede wszystkim z wprowadzeniem
certyfikacji energetycznej, doprowadziła do dynamicznego rozwoju technologii
budownictwa niskoenergetycznego. W budynkach tego typu (np. budynki pasywne)
dzięki zapewnieniu dobrej izolacji termicznej oraz szczelności, możliwe jest
wyeliminowanie tradycyjnych systemów ogrzewania, na rzecz zintegrowanych
__________
* Zakład Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Adama Mickiewicza, Collegium Polonicum
ul. Kościuszki 1, 69-100 Słubice.
** Instytut Inżynierii Środowiska, Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań.
systemów wentylacyjno-ogrzewczych. Optymalny mikroklimat w danych
pomieszczeniach budynków niskoenergetycznych możliwy będzie do utrzymania
tylko w zintegrowanych i wyposażonych w inteligentne sterowanie systemach [7].
1.1. OKREŚLENIE KOMFORTU KLIMATYCZNEGO
Jedną z głównych składowych wyznaczających komfort klimatyczny jest komfort
termiczny. Stanowi on idealny stan temperaturowy pomieszczenia, gwarantujący
przebywającym w nim osobom zachowanie zrównoważonego bilansu cieplnego.
Dodatkowo kolejnym składnikiem jest czystość samego powietrza, określana
najczęściej poprzez stężenie CO2 Parametry te w połączeniu z poziomem hałasu
i prędkością przepływu powietrza są istotnym elementem pozytywnego odbioru
otaczającego środowiska. W związku z tym odpowiednie sterowanie w budynku
pasywnym powinno uwzględniać szereg czynników prowadzących do utrzymania
komfortu klimatycznego w pomieszczeniach oraz zapewnienie parametrów powietrza
w taki sposób, aby przebywanie w nich nie prowadziło do zaburzeń zdrowotnych (np.
zespół chorego budynku SBS, Sick Building Syndrome) [3].
2.PARAMETRY PROJEKTOWO-SYMULACYJNE
Przy projektowaniu urządzeń wentylacyjnych, które zapewnić mają
w pomieszczeniu założoną temperaturę, wilgotność względną oraz czystość powietrza
niezależnie od zmian warunków zewnętrznych i zjawisk zachodzących
w pomieszczeniu, które symbolicznie przedstawione zostały na rysunku nr 1, strumień
powietrza wentylującego oblicza się na podstawie bilansu ciepła całkowitego
z uwzględnieniem entalpii powietrza w danym pomieszczeniu.
Rys. 1. Schemat blokowy przepływu sygnałów w
systemie utrzymania komfortu klimatycznego [9]
Fig. 1. Block scheme of signal-flow in a maintenance system of climate comfort [9]
Obliczenia odpowiedniego, dostarczanego strumienia powietrza można
przeprowadzać, na szereg sposobów. Jedną z możliwości jest wyznaczanie tzw.
obciążeń zewnętrznych i wewnętrznych, które bazować mogą na normach ISO13790,
czy VDI2078 [2,4,8]. Bilans ciepła całkowitego obejmuje strumienie energii cieplnej
wywołujące jawny skutek zmiany temperatury oraz energię wnoszoną do powietrza
w wyniku parowania wody. Chcąc nie dopuścić do zmiany entalpii w pomieszczeniu
od założonego poziomu należy podać strumień powietrza bazujący na równaniach
entalpicznych, który będzie niezbędnym do usunięcia jawnych i utajonych zysków
ciepła.
2.1.TEMPERATURA
Chcąc utrzymać temperaturę pomieszczenia na określonym poziomie uwzględnić
należy mające na nią wpływ obciążenia danego pomieszczenia oraz jakość powietrza
nawiewanego. Temperatura powietrza nawiewanego nie powinna być zbyt niska, gdyż
może wystąpić wrażenie przeciągu lub suchego powietrza. W zależności od rodzaju
nawiewników oraz sposobu organizacji wymiany powietrza w pomieszczeniu różnica
między temperaturą powietrza w pomieszczeniu i temperaturą powietrza
nawiewanego winna wynosić ∆θ=5-12K. Strumień powietrza wyznaczyć można
z zależności (1):
•
V=
•
 m3 
Qzc
 
ρ ⋅ (hw −h n )  h 
(1)
gdzie:
•
V – strumień powietrza wentylującego,
•
Qzc
– zyski ciepła całkowitego,
ρ – gęstość powietrza,
hw – entalpia powietrza wywiewanego (entalpia powietrza w pomieszczeniu),
hn – entalpia powietrza nawiewanego
2.2.STĘŻENIE DITLENKU WĘGLA
Regulacja, dla której parametrem głównym jest stężenie ditlenku węgla, powinna
uwzględniać przede wszystkich stężenie CO2 emitowanego przez człowieka oraz
zanieczyszczenie samego powietrza w kanale nawiewnym. Uwzględniając te czynniki
wyznaczenie strumienia powietrza wentylującego będzie miało postać (2):
•
V = Φ⋅
gdzie:
C
 m3 
k w − kn  h 
(2)
•
V – strumień powietrza wentylującego,
kn – stężenie CO2 w powietrzu nawiewanym,
kw – stężenie CO2 w powietrzu wywiewanym,
C – ilość stężenia CO2 emitowanego przez człowieka.
2.3.BADANIA SYMULACYJNE
Dokonując szeregu obliczeń oraz badań symulacyjnych wyznaczono odpowiednie
strumienie dla budynku i jego odpowiednich stref. Przykładowe zestawienie
symulacyjne przebiegu strumienia oraz jego odpowiedzi regulacji z regulatorami typu
P, PI oraz PID przedstawiono na rysunku nr 2.
Rys. 2. Symulacja strumienia powietrza z regulacją: a) P, b) PI oraz c) PID.
Fig. 2. Simulation air-stream with control: a)P, b) PIS and c) PID.
3.BADANY OBIEKT
Rzeczywisty obiekt badawczy budynku pasywnego znajduje się na terenie
kampusu Politechniki Poznańskiej. Jest on parterowym, wolnostojącym budynkiem
z podpiwniczeniem, w którym została zainstalowana centrala wentylacyjna. Posiada
on 5 pomieszczeń biurowych, łazienkę, toaletę oraz hall. Poziom parteru po
modernizacji samego budynku wykonany został w technologii budownictwa
pasywnego, spełniając wszelkie wymogi związane z ociepleniem i uszczelnieniem [1].
Symboliczny schemat sterowania w układzie regulacji strefowej z regulatorami VAV
przedstawiony został na rysunku nr 3.
Rys. 3. Sterowanie w układzie regulacji strefowej z regulatorami VAV.
Fig. 3. Control in multi-zone control system with VAV.
4.WYNIKI BADAŃ
Po przeprowadzonych analizach teoretyczno-symulacyjnych, zaprogramowano
algorytmy optymalnego sterowania. Przykładowe wyniki przebiegu (uśrednione
wartości miesięczne) temperatury oraz stężenia CO2 przedstawione są na rysunku nr 4.
Rys. 3. Sterowani w układzie regulacji strefowej z regulatorami VAV.
Fig. 3. Control in multi-zone control system with VAV.
5.WYNIKI BADAŃ
Z przeprowadzonych analiz wnioskować można, że optymalne wyregulowanie
zapewniające komfort klimatyczny w każdej osobnej strefie regulacji, możliwe jest
poprzez zastosowanie systemu zdecentralizowanego z regulatorami VAV oraz
sprzężonego z samoadaptacyjnymi algorytmami sterowania. Podczas badań
stwierdzono dodatkowo, że bez zastosowania dodatkowych elementów systemu
nawilżających powietrze, przy ogrzewaniu powietrzno-wentylacyjnym, nie ma
możliwości regulacji ze względu na wilgotność względną panującą w danych strefach
regulacji.
LITERATURA
[1] BASIŃSKA M., KRZYŻANIAK G., Zintegrowany układ grzewczo-chłodzący z wymiennikiem gruntowym. Koncepcja stanowiska doświadczalnego; Chłodnictwo tom XLIII 2008r
nr 11,
[2] PEŁECH A. Wentylacja i klimatyzacja - podstawy, Politechnika Wrocławska, Wrocław
2008,
[3] SUDOŁ_SZOPIŃSKA I.., CHOJNACKA A.: Określenie warunków komfortu termicznego
w pomieszczeniach za pomocą wskaźników PMV i PPD; Bezpieczeństwo pracy 5/2007,
[4] SZKARŁAT K., MRÓZ T., Analiza porównawcza metod optymalizacji regulacji temperatury w budynku pasywnym na podstawie wyznaczenia obciążeń, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Zeszyt nr 57, 4/2010,
[5] SZKARŁAT K., MRÓZ T., Strategia optymalnego sterowania układami utrzymania komfortu klimatycznego w budynku pasywnym”, INSTAL 6/2009, Warszawa 2009,
[7] SZKARŁAT K., MRÓZ T., Wpływ systemów zarządzania budynkiem (BMS) na charakterystykę energetyczna budynku, Energia i Budynek nr 8/2010,
[8] VDI-2078. Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kuhllastregeln), Düsseldorf 1996,
[9] ZAWADA B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji. Od klimatyzatorów indywidualnych po systemy VAV (część 1 i 2), Chłodnictwo&Klimatyzacja 4/5/2004,
ABSTRACT
THE OPTIMIZATION METHODS OF CONTROL OF INDOOR CLIMATE COMFORT
PARAMETERS IN A DECENTRALIZED HEAT-VENTILATION SYSTEM.
This article presents the methods of optimal control of indoor climate comfort in low energy and passive buildings. The analysis was done by the control of temperature and carbon dioxide concentration
parameters in a decentralized heat-ventilation system. Theoretical analysis and simulations were verified
by numerous measurements in a physical object of a passive building with a modifiable installation system. The presented results are the comparison and evaluation of various control systems at constant or
variable air flow (CAV and NAV controllers) and their integration with the ventilation center. Each analyzes and optimization was made using two criteria: first to minimalize energy dissipation second to set
up optimal climate condition in chambers looking at indoor and outdoor environment changes.