Článek popisuje obecný princip funkce vzduchotechnické jednotky. Popsány jsou jednotlivé komponenty VZT jednotky a jejich funkce. Závěrem je vytvořen model VZT jednotky a algoritmus, který je implementován ve formě softwarového modulu v programovacím prostředí. Takto vytvořený modul slouží pro analýzu funkce a energetické zhodnocení chování VZT jednotky.
Článek se v úvodní části zabývá obecným popisem vzduchotechnické jednotky, kde je na konkrétním příkladu popsána funkce jednotlivých komponent této jednotky. Tento příklad je naimplementován jako zjednodušený model, na kterém je aplikován řídicí algoritmus. Druhá část článku je věnována popisu řízení vzduchotechnické jednotky. Poslední část článku se zabývá ukázkou vytvořeného modelu řízení vzduchotechnické jednotky. Výhodou použitého software je fakt, že vytvořený algoritmus lze aplikovat na reálné zařízení a využít ho tak v praxi. Vzduchotechnická jednotka je navržena tak, aby plně hradila tepelné ztráty v zimním období, slouží tedy i k teplovzdušnému vytápění.
1. Popis částí vzduchotechnické jednotky
Na úvod je popsáno složení vzduchotechnické jednotky, která je zobrazena na Obr. 1. Jedná se o model jednozónového jednokanálového klimatizačního systému. Jednozónový znamená, že vzduchotechnická jednotka upravuje stav vzduchu v jedné, popř. více prostorech, ale se stejným charakterem provozu a tepelné zátěže. Jednokanálový znamená, že jednotka upravuje a přivádí požadovaný vzduch v jednom potrubí a neslučuje konečný stav vzduchu, např. z chladného a teplého vzduchu. Model jednotky se skládá z ohřívače, chladiče, jednotky zpětného získávání tepla, směšovací komory, zvlhčovače, dvojice ventilátorů a trojice filtrů.
1.1. Popis jednotlivých zařízení tvořící vzduchotechnickou jednotku
VZT jednotka je soubor zařízení sestavený z tzv. komor, které lze uspořádat dle požadované úpravy vzduchu a prostorových požadavků. Základní funkční prvky tvořící VZT jednotku jsou klapky, filtry, jednotka pro zpětné získávání tepla, směšovací komora, chladič, ohřívač, zvlhčovač a ventilátor.
Ve VZT jednotce dochází k termodynamickým úpravám vzduchu zahrnující procesy směšování, ohřevu, chlazení, vlhčení, odvlhčování, při kterých dochází ke změnám teploty a vlhkosti vzduchu. Veličiny, které určují stav a vlastnosti vlhkého vzduchu jsou: teplota t (°C), relativní vlhkost φ (-), měrná vlhkost x (kg/kgs.v.) a entalpie h (kJ/kgs.v.). Pro termodynamické výpočty je atmosférický vzduch definován jako směs suchého vzduchu pa a vodních par pv (přehřátých, případně sytých). Tato směs se na základě Daltonova zákona chová samostatně, jako by byla v daném prostoru sama. Výsledný tlak vlhkého vzduchu p je dán součtem parciálních tlaků obou složek.
1.1.1. Klapky
V každé VZT jednotce se vyskytují klapky, které slouží k uzavření jednotky a zamezení průtoku vzduchu v momentě, kdy je vypnutý ventilátor. Dále regulační klapky, které regulují proud vzduchu. Klapky mohou být tvořeny buď jedním, nebo více listy. Listy mohou být ovládány samostatně, nebo jako celek propojeny a ovládány buď mechanicky, nebo servopohonem. Polohou listů se reguluje průtok vzduchu, popř. se přívod vzduchu může uzavřít úplně.
1.1.2. Filtry
Ve vzduchu jsou obsaženy znečišťující látky, které mohou mít formu plynů, popř. kapalných nebo pevných částic. Úkolem filtru je odlučování těchto znečišťujících částic z vnitřního i vnějšího ovzduší a snížení jejich koncentrace pod limity, které jsou dány hygienickými požadavky. Filtry mohou mít několik stupňů filtrace v závislosti na požadavku kvality vzduchu. Filtry pro odlučování částic se dělí na hrubé G1 až G4, jemné F5 až F9 a na filtry s vysokou účinností HEPA označené H10 až H14 a ULPA označené U15 až U17. Jednotlivé číslice uvádějí číslo filtrace. Pro běžné větrání se používají filtry třídy G1–F9. Tam, kde je nutné zajistit, aby se mikroorganismy nedostaly do klimatizovaného prostoru, je nutné použít filtr nejméně třídy F7. Další důležitou vlastností je tlaková ztráta filtru, která je v počátečním stavu nejnižší a v provozu narůstá. Z toho důvodu musí být na filtru umístěn snímač tlakové diference, který upozorní obsluhu na potřebu výměny filtru.
1.1.3. Ohřívač
Ohřívače rozlišujeme na vodní, parní, elektrické a chladivové. Nejrozšířenějším typem jsou vodní ohřívače. Jedná se o rekuperační výměník voda-vzduch. Teplonosnou látkou je voda s teplotním spádem např. 55/45 °C. Při ohřevu vzduchu dochází pouze ke změně entalpie, resp. teploty vzduchu, ovšem za stálé měrné vlhkosti. Pro výkon vodního ohřívače je nejdůležitější teplosměnná plocha a teplotní rozdíl mezi vzduchem a vodou. Regulace vodních ohřívačů může být buď kvalitativní, kdy se nemění průtok vody, ale mění se její teplota, nebo kvantitativní, kdy teplota zůstává konstantní, ale mění se průtok vody. Kvantitativní regulace je méně účinná, protože pro výkon výměníku je rozhodující rozdíl teploty vzduchu a vody. Celou situaci si lze představit tak, že kolem výměníku, do kterého vstupuje voda (např. o teplotě 55 °C), proudí vzduch, který se přes teplosměnnou plochu ohřívače ohřívá, tím dochází k ochlazování vody ve výměníku a výstupní voda z výměníku má nižší teplotu (např. 45 °C).
1.1.4. Chladič
Hlavním úkolem chladiče je ochlazovat vzduch. Principiálně jsou podobné jako ohřívače. U chladičů je nižší teplotní rozdíl mezi teplonosnou látkou a vzduchem než u ohřívačů, a proto potřebují větší teplosměnnou plochu než ohřívače. Chladiče jsou buď vodní, nebo přímé výparníky. U přímých výparníků je teplonosnou látkou chladivo – vzduch. Chladivo, které se vstřikuje do proudu vzduchu, který prochází výparníkem, se odpařuje a přes stěny výměníku odebírá teplo vzduchu (odtud název přímý výparník). Nevýhodou přímého výparníku je riziko namrzání a těžší regulace. Chladící proces ve vodním chladiči probíhá velice podobným způsobem jako u ohřívače. Do výměníku vstupuje voda o nízké teplotě (např. 6 °C), výměníkem proudí vzduch, který se přes jeho stěny ochlazuje a předává teplo vodě. Z toho vyplývá, že teplota vody musí být na výstupu výměníku vyšší než na jeho vstupu (např. 12 °C).
Chlazení vzduchu může být buď suché, nebo mokré. Záleží na tom, jestli při tomto procesu dochází ke kondenzaci či nikoli. U suchého chlazení je střední povrchová teplota chladiče vyšší než teplota rosného bodu (teplota vzduchu, kdy začne docházet ke kondenzaci) upraveného vzduchu. U mokrého chlazení je střední teplota chladiče nižší než teplota rosného bodu upravovaného vzduchu a dochází tak ke kondenzaci.
1.1.5. Zpětné získávání tepla (ZZT)
ZZT je zařízení využívající teplo, které je obsažené v odváděném vzduchu z prostoru. Nejčastější typy výměníků ZZT jsou regenerační a rekuperační. Regenerační ZZT obsahuje rotující hmotu, do které se akumuluje teplo z odváděného vzduchu. Jelikož hmota rotuje, tak při jejím otočení do proudu přiváděného vzduchu se předá teplo, které je ve hmotě naakumulované, vzduchu. Rekuperační ZZT předává teplo přímo přes stěnu výměníku, kde se kříží odváděný a přiváděný vzduch z a do prostoru. ZZT přenášejí buď pouze teplo citelné, nebo teplo citelné i vázané (vodní páru). Výměníky rekuperační přenášejí pouze teplo citelné, zatímco výměníky regenerační i teplo vázané.
1.1.6. Směšovací komora
Směšovací komora slouží k plynulému směšování venkovního (čerstvého) a oběhového (z interiéru) vzduchu, které se nacházejí v různých tepelně vlhkostních stavech. Obecně se směšují dva proudy vzduchu a jejich výsledný stav je dán tepelnou a vlhkostní bilancí. Poměr čerstvého a oběhového vzduchu se reguluje uvnitř směšovací komory pomocí klapek, které se ovládají nejčastěji pomocí servopohonu. Poměr čerstvého a oběhového vzduchu je možné nastavit od 100 % čerstvého venkovního vzduchu – tato varianta se doporučuje pro intenzivní provětrání, nebo jako stálé větrání pro letní provoz. Pro případ, že není potřeba větrat, je možno uzavřít přívod venkovního čerstvého vzduchu a vytápět pouze oběhovým vzduchem.
1.1.7. Ventilátor
Každá VZT jednotka obsahuje ventilátor. Je to zařízení sloužící k dopravě vzduchu do větraného prostoru. Ventilátor musí zajistit dostatečný tlakový rozdíl pro pokrytí tlakových ztrát VZT jednotky, potrubí i distribuce do prostoru. Hlavními parametry ventilátorů jsou dopravní tlak, příkon a objemové množství vzduchu. Ventilátory lze dělit na radiální, axiální, diagonální a diametrální. Nejčastěji používané ventilátory pro rozsáhlejší úpravy vzduchu jsou ventilátory radiální. Hlavní části radiálního ventilátoru jsou oběžné kolo, sací hrdlo, výtlačné hrdlo, skříň a elektromotor. Oběžné kolo obsahuje lopatkové kanály, jimiž se při otáčení nasává vzduch v axiálním směru. Výtlak vzduchu ovšem probíhá v ose kolmé na osu rotace, tedy v radiálním směru.
1.1.8. Zvlhčovač
Zvlhčovače jsou buď parní, nebo adiabatické pračky. Parní vlhčení probíhá po izotermě a během procesu se nemění teplota vzduchu. Průběh vlhčení si lze jednoduše představit tak, že do vzduchu, který prochází zvlhčovačem, je vstřikována voda ve formě malých kapiček, které se ve vzduchu odpaří a zvyšují tak jeho vlhkost. Při vlhčení vzduchu pomocí adiabatické pračky dochází ke zvyšování vlhkosti vzduchu, a zároveň k poklesu teploty vzduchu.
2. Řídicí algoritmus
V této části je popsán řídicí algoritmus, který je implementován do modelu jednotky z první kapitoly tohoto článku. Ačkoliv je vytvořený algoritmus vytvořen na modelu jednotky, tak jeho velkou výhodou je možnost aplikace na reálnou vzduchotechnickou jednotku.
2.1. Vstupní veličiny do algoritmu
Hlavní vstupní veličiny do řídicího algoritmu jsou venkovní teplota a vlhkost, vnitřní teplota a vlhkost, požadovaná teplota a koncentrace CO2. U reálného zařízení jsou tyto veličiny snímány pomocí čidel umístněných buď ve vnitřním, nebo vnějším prostředí. U modelu jednotky můžeme tyto vstupní veličiny buď náhodně simulovat, nebo použít vstupní sekvence reálných dat a sledovat její chování.
