Systemy regulacji automatycznej w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych

Książka skierowana jest do projektantów oraz wykonawców instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, jak również właścicieli oraz zarządców budynków. Przybliża zagadnienia automatyki specjalistom w dziedzinie instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, a kwestie technologii wentylacji oraz klimatyzacji ekspertom z zakresu automatyki.

Dziękuję Panu Mateuszowi Targoszowi z firmy Siemens za konsultacje podczas przygotowywania tego opracowania oraz Panu Tomaszowi Romanowskiemu za przygotowanie graficzne schematów.

Andrzej Romanowski

Spis treści
Wstęp / 7

1. Podstawowe pojęcia / 8
1.1. Sterowanie i regulacja – otwarty i zamknięty obwód / 8

2. Obiekty regulacji i ich właściwości / 11
2.1. Obiekty regulacji bez wyrównania / 11
2.2. Obiekty regulacji z wyrównaniem (statyczne) / 12
2.3. Charakterystyka statyczna obiektu regulacji z wyrównaniem / 13
2.4. Charakterystyka dynamiczna obiektów regulacji z wyrównaniem / 16

3. Regulatory, ich rodzaje i charakterystyki / 22
3.1. Podział regulatorów ze względu na sposób doprowadzania energii pomocniczej / 22
3.2. Podział regulatorów ze względu na sposób zmiany wartości zadanej / 23
3.3. Podział regulatorów ze względu na własności dynamiczne / 23
3.4. Podział regulatorów ze względu na sposób generowania sygnału wyjściowego / 29
3.5. Podział regulatorów ze względu na budowę i aplikację / 33

4. Charakterystyka układów regulacji, dobór regulatorów i ich parametrów / 39
4.1. Układ z regulatorem proporcjonalnym P / 39
4.2. Układ z regulatorem proporcjonalno-całkującym PI / 41
4.3. Oscylacje / 43
4.4. Wybór rodzaju regulatora / 45
4.5. Dobór i optymalizacja nastaw regulatorów / 45

5. Elementy systemu regulacyjnego / 47
5.1. Czujniki, przetworniki i zadajniki / 47
5.2. Falowniki do regulacji prędkości obrotowej wentylatorów i pomp / 55
5.3. Przepustnice wentylacyjne / 56
5.4. Regulatory strumienia powietrza / 56
5.5. Regulatory ciśnienia powietrza / 58
5.6. Siłowniki przepustnic wentylacyjnych / 59
5.7. Zawory regulacyjne / 60

6. Podstawowe obwody regulacyjne w wentylacji i klimatyzacji / 65
6.1. Regulacja temperatury / 65
6.2. Regulacja wilgotności / 70

7. Inne obwody regulacyjne / 75
7.1. Regulacja elementów odzysku ciepła / 75
7.2. Regulacja mocy nagrzewnic elektrycznych i chłodnic freonowych / 84
7.3. Regulacja ciśnienia i strumienia powietrza / 86
7.4. Ochrona przeciwzamrożeniowa nagrzewnicy wodnej / 91

8. Regulacja wodnych systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych / 96
8.1. Regulacja wydajności cieplnej układów hydraulicznych / 96
8.2. Zawory regulacyjne, ich charakterystyki i inne parametry / 99
8.3. Autorytet zaworu regulacyjnego (kryterium dławienia) / 104
8.4. Wybór systemu dystrybucji i układu hydraulicznego oraz dobór zaworów regulacyjnych i równoważących / 107

9. Regulacja central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych / 136
9.1. Regulacja centrali wentylacyjnej z nagrzewnicą wodną i chłodnicą wodną / 136
9.2. Regulacja centrali wentylacyjnej z recyrkulacją, nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną z uwzględnieniem czujnika CO2 w pomieszczeniu / 137
9.3. Regulacja centrali wentylacyjnej z wymiennikiem krzyżowym, nagrzewnicą wodną i chłodnicą wodną / 138
9.4. Regulacja centrali wentylacyjnej z wymiennikiem obrotowym, nagrzewnicą wodną i chłodnicą wodną / 140
9.5. Regulacja centrali wentylacyjnej z wymiennikiem glikolowym, nagrzewnicą wodną i chłodnicą wodną / 141
9.6. Regulacja centrali wentylacyjnej z nagrzewnicą wodną i chłodnicą freonową / 143
9.7. Regulacja centrali wentylacyjnej z nagrzewnicą elektryczną i chłodnicą wodną / 145
9.8. Regulacja centrali z nagrzewnicą wodną i recyrkulacją – regulacja temperatury i wilgotności pomieszczeń o dużych zyskach wilgoci / 146
9.9. Regulacja centrali z wymiennikiem krzyżowym, nagrzewnicą wodną, chłodnicą, nawilżaczem parowym, możliwością nawilżania i osuszania / 147
9.10. Regulacja centrali z wymiennikiem obrotowym, nagrzewnicą wodną, chłodnicą, nawilżaczem parowym, możliwością nawilżania i osuszania / 149
9.11. Regulacja centrali z recyrkulacją, nagrzewnicą wodną, chłodnicą, nawilżaczem parowym, możliwością nawilżania i osuszania / 150
9.12. Regulacja centrali z recyrkulacją, nagrzewnicą wstępną i wtórną, chłodnicą, nawilżaczem wodnym oraz możliwością osuszania (regulacja temperatury punktu rosy) / 152

10. Pomieszczeniowe systemy regulacyjne i regulacja innych systemów wentylacyjnych oraz klimatyzacyjnych / 154
10.1. Regulacja klimakonwektorów / 154
10.2. Regulacja aparatów indukcyjnych i strefowych nagrzewnic/chłodnic / 158
10.3. Regulacja belek i sufitów chłodzących / 158
10.4. Regulacja systemów o zmiennym strumieniu powietrza VAV / 159
10.5. Regulacja nagrzewnic i kurtyn powietrznych oraz wentylatorów destratyfikacyjnych / 163
10.6. Wybór rodzaju regulatora pomieszczeniowego / 164
10.7. Systemy regulatorów pomieszczeniowych z komunikacją / 165
10.8. Regulacja centrali wentylacyjnej współpracującej z klimatyzatorem pomieszczeniowym / 173
10.9. Regulacja klimatyzatorów współpracujących z grzejnikami wodnymi 174
10.10. Regulacja instalacji wentylacyjnej zintegrowanej z systemem klimatyzacji pomieszczeniowej 174

11. Sterowniki swobodnie programowalne / 175

12. Systemy komunikacji, regulacji, zarządzania i monitorowania instalacji wentylacyjnych, klimatyzacyjnych, cieplnych oraz innych instalacji technicznych budynków BMS / 182
12.1. Określenie BMS / 182
12.2. Podstawowe funkcje BMS / 183
12.3. System Arena NX / 183
12.4. System Intelligent Manager / 190
13. Współpraca systemu regulacyjnego instalacji wentylacyjnej i klimatyzacyjnej z innymi instalacjami budynkowymi, optymalizacja zużycia energii w budynkach / 192
13.1. Obszary wpływające na możliwość optymalizacji energetycznej systemu wentylacyjnego/klimatyzacyjnego / 192
13.2. Optymalizacja zużycia energii na poziomie pomieszczeń / 192
13.3. Optymalizacja zużycia energii na poziomie central wentylacyjnych/klimatyzacyjnych / 195
13.4. Optymalizacja zużycia energii poprzez sterowanie strefami i źródłem ciepła
oraz chłodu / 196
13.5. Optymalizacja zużycia energii na poziomie systemu zarządzającego BMS / 198
13.6. Inne wymagania dotyczące funkcji systemu sterowania instalacji HVAC wpływające na energooszczędność budynku / 200

14. Wyposażenie elektryczne, dokumentacja projektowa oraz wykonanie i obsługa systemu regulacyjnego instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych / 201
14.1. Wyposażenie elektryczne instalacji wentylacyjnej i klimatyzacyjnej / 201
14.2. Dokumentacja projektowa systemu automatyki wentylacji i klimatyzacji / 202
14.3. Wykonanie i obsługa systemu regulacyjnego instalacji wentylacyjnej
i klimatyzacyjnej / 203

15. Przykłady wyposażenia regulacyjnego dla najczęściej spotykanych układów technologicznych w oparciu o sterowniki konfigurowalne POL i sterowniki swobodnie programowalne PXC firmy Siemens / 204
15.1. Centrala z nagrzewnicą wodną – regulacja temperatury pomieszczenia / 204
15.2. Centrala z nagrzewnicą elektryczną 1/2-stopniową – regulacja temperatury w pomieszczeniu z możliwością sterowania wydajnością nagrzewnicy poprzez zawór prądowy / 205
15.3. Centrala z nagrzewnicą wodną i chłodnicą wodną – regulacja temperatury w pomieszczeniu / 206
15.4. Centrala z nagrzewnicą wodną i wymiennikiem obrotowym – regulacja temperatury w pomieszczeniu / 207
15.5. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną i wymiennikiem obrotowym – regulacja temperatury w pomieszczeniu / 208
15.6. Centrala z nagrzewnicą wodną i wymiennikiem krzyżowym – regulacja temperatury nawiewu / 209
15.7. Centrala z nagrzewnicą wodną i wymiennikiem krzyżowym – regulacja temperatury
w pomieszczeniu / 210
15.8. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną i wymiennikiem krzyżowym
– regulacja temperatury w pomieszczeniu / 211
15.9. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną i wymiennikiem krzyżowym
– regulacja temperatury w pomieszczeniu z regulacją jakości powietrza / 212
15.10. Centrala z nagrzewnicą wodną i recyrkulacją – regulacja temperatury w pomieszczeniu / 213
15.11. Centrala z nagrzewnicą wodną i recyrkulacją – regulacja temperatury w pomieszczeniu z regulacją jakości powietrza / 214
15.12. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną, recyrkulacją – regulacja temperatury w pomieszczeniu z regulacją jakości powietrza / 215
15.13. Centrala z nagrzewnicą elektryczną, chłodnicą wodną, recyrkulacją – regulacja temperatury w pomieszczeniu / 216
15.14. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą freonową, recyrkulacją – regulacja temperatury wywiewu / 217
15.15. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną, recyrkulacją i wymiennikiem krzyżowym – regulacja temperatury w pomieszczeniu / 218
15.16. Centrala z nagrzewnicą wodną i wymiennikiem glikolowym – regulacja temperatury w pomieszczeniu / 219
15.17. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną i wymiennikiem glikolowym – regulacja temperatury w pomieszczeniu / 220
15.18. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną, wymiennikiem obrotowym i nawilżaczem – regulacja temperatury i wilgotności w pomieszczeniu / 221
15.19. Centrala z nagrzewnicami wodnymi wstępną i wtórną, chłodnicą wodną, wymiennikiem obrotowym i nawilżaczem – regulacja temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu / 222
15.20. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną, recyrkulacją i nawilżaczem – regulacja temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu / 223
15.21. Centrala z nagrzewnicami wodnymi wstępną i wtórną, chłodnicą wodną, recyrkulacją i nawilżaczem – regulacja temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu (poprzez regulację temperatury punktu rosy) oraz regulacja jakości powietrza / 224
15.22. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą wodną, wymiennikiem krzyżowym i nawilżaczem – regulacja temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu / 225
15.23. Centrala z nagrzewnicami wodnymi wstępną i wtórną, chłodnicą wodną, wymiennikiem krzyżowym i nawilżaczem – regulacja temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu / 226
15.24. Centrala z nagrzewnicą wodną, chłodnicą freonową, wymiennikiem glikolowym i nawilżaczem – regulacja temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu / 227
15.25. Centrala z nagrzewnicami wodnymi, chłodnicą wodną, wymiennikiem glikolowym i nawilżaczem – regulacja temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu / 228

Wykaz literatury źródłowej / 230
O Autorze / 231

Wstęp
Dążenie do zmniejszenia energochłonności budynków staje się stosunkowo powszechnie akceptowaną tendencją, niezależnie od tego, czy stoi za tym motywacja czysto ekonomiczna, czy też szczytniejsze cele, jak chęć zmniejszenia emisji CO2, dbałość o stan, w jakim przekażemy środowisko następnym pokoleniom, troska o dostęp do źródeł energii w przyszłości, a także chęć uniezależnienia kraju od nacisków politycznych związanych z dostawami paliw. Należy zauważyć, że zdecydowaną większość życia w naszych warunkach ekonomiczno-geograficznych spędzamy w pomieszczeniach zamkniętych. Ogromny wpływ na samopoczucie, stan zdrowia, ale też zdolność efektywnego wykonywania pracy mają warunki komfortu cieplnego w budynkach, w których przebywamy. Na zapewnienie warunków komfortu cieplnego decydujący wpływ ma instalacja wentylacyjna lub klimatyzacyjna. Ma ona jednocześnie swój pokaźny wkład w bilans energetyczny obiektu. Przy założeniu, że instalacja jest poprawnie wykonana pod względem technologicznym, w zależności od sposobu jej regulacji może przyczyniać się do uzyskania dużych oszczędności albo w skrajnym przypadku powodować zwiększenie sumarycznego zużycia energii i nieodczuwanie komfortu cieplnego przez użytkowników.

Duża liczba stosowanych technologii wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, a także ogromy postęp w elektronice oraz informatyce powodują bardzo szybki rozwój w dziedzinie regulacji tych instalacji. Obecnie dostępnych jest już wiele rozwiązań, których zastosowanie było kiedyś nieopłacalne. Jednocześnie właśnie systemy regulacyjne wentylacji i klimatyzacji, a także ogrzewania, są elementem działającym na styku branż technologii sanitarnej i instalacji elektrycznej, tzw. słaboprądowej, co rodzi szereg wyzwań oraz problemów komunikacyjnych, począwszy od procesu projektowania, poprzez realizację, na eksploatacji budynku skończywszy. W praktyce spotkać się można z przypadkami wyposażania stosunkowo małych instalacji w bardzo zaawansowane systemy regulacji, co na ogół oznacza, że nawet jeżeli użytkownik będzie potrafił taki system obsługiwać, ewentualne zyski z tytułu oszczędności skompensują wzrost nakładów na bogatsze wyposażenie regulacyjne dopiero po wielu latach eksploatacji.

W niniejszej książce przedstawiono najważniejsze zagadnienia z dziedziny regulacji instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych – od pojęć podstawowych, teorii automatycznej regulacji, przez najczęściej spotykane układy regulacyjne, ich elementy składowe, po możliwości, które dają systemy automatycznej regulacji, zarządzania oraz monitorowania instalacji wentylacyjnych, klimatyzacyjnych i cieplnych budynków BMS. Aby móc służyć jako użyteczny poradnik, publikacja ta zawiera gotowe schematy aplikacyjne dla najpopularniejszych rozwiązań technologicznych z zestawieniem potrzebnych elementów składowych. Dla ułatwienia komunikacji w działalności zawodowej porządkuje również stosowane potocznie i zamiennie pojęcia oraz nazwy, przywołując w wielu przypadkach wszelkie możliwe synonimy danego określenia.