Automatyka: elektronika w wentylacji i rekuperacji cz.2 - algorytmy pracy centrali rekuperacyjnej

W niedalekiej przyszłości nowe rozporządzenia zapewne wymuszą obowiązek stosowania opisywanego systemu we wszystkich budowanych obiektach mieszkalnych i użyteczności publicznej. W tej części artykułu skupimy się na algorytmach pracy centrali rekuperacyjnej oraz pokazane zostaną możliwości wizualizacji procesów sterowania z wykorzystaniem paneli, stron internetowych, aplikacji mobilnych i zewnętrznych central automatyzacyjnych. Artykuł ten kończy część teoretyczną cyklu o wentylacji.

Budowa instalacji - centrala rekuperacyjna

Do wejść sterownika podłączonych jest szereg czujników, np.: pomiaru temperatury, odczytu stanów presostatów, termostatów mechanicznych, a w bardziej zaawansowanych konstrukcjach, czujników otwarcia okien i drzwi, czujników poziomu pyłu zawieszonego w powietrzu, stężenia dwutlenku węgla czy wilgotności. Czujniki te wykorzystywane są do dostosowania pracy centrali do aktualnie panujących warunków oraz realizacji zadanych programów temperaturowych.

Z kolei wyjścia centrali rekuperacyjnej sterują pracą nagrzewnic, chłodnic, pomp obiegowych, przepustnic i wentylatorów (wyjścia potencjałowe). Wyjścia bezpotencjałowe służą do sterowania zewnętrznymi elementami odczytującymi stan styku, takimi jak np. pompy ciepła. Moc, z jaką ma pracować dane urządzenie, zadaje się na różne sposoby, np. za pomocą sygnału napięciowego (0–10V), sygnału PWM, sygnałów prądowych (np. 4–20mA) czy cyfrowo z wykorzystaniem protokołów transmisji danych – najczęściej z wykorzystaniem standardu ModBUS RTU.

Sterowniki do central rekuperacyjnych często są dodatkowo wyposażone w wejście dwustanowe pozwalające na dostosowanie pracy do sygnałów pochodzących od centrali przeciwpożarowej. Zazwyczaj przyjmuje się, że wykrycie pożaru powinno spowodować zatrzymanie działania centrali rekuperacyjnej – jej funkcjonowanie mogłoby bowiem przyczynić się do rozprzestrzenienia się ognia.

Sterownik ecoVENT MIDI - praca centrali rekuperacyjnej

Możliwości sterowania pracą centrali rekuperacyjnej omówione zostaną na przykładzie sterownika ecoVENT MIDI firmy PLUM – fotografia 1.

Tryby pracy regulatora pod względem zastosowania:

• tryby główne -realizowane przez cały czas pracy centrali,
• tryby czasowe realizowane na żądanie użytkownika przez określony czas,
• harmonogramy pozwalające usystematyzować pracę centrali,
• tryb urlopowy (zwany też trybem ECO) – zewnętrznie wymuszany za pomocą przełącznika.

Fot.1 Sterownik ecoVENT MIDI firmy PLUM wykorzystany do sterowania pracą centrali rekuperacyjnej

Tryby główne

Spośród trybów głównych można wyróżnić cztery tryby użytkownika, z których każdy pozwala na zadanie określonej temperatury i prędkości przepływu powietrza oraz tryb postoju wykorzystywany najczęściej w sytuacjach wymagających chwilowego unieruchomienia centrali: w czasie oczekiwania na przyjazd serwisu bądź w sytuacji przewietrzania pomieszczeń z wykorzystaniem okien i drzwi.

Tryby czasowe

W przypadku trybów czasowych wyróżnić można: tryb party, tryb wietrzenie oraz tryb wyjścia. W pierwszym z opisywanych trybów czasowych centrala pracuje z większą wydajnością i obniżoną temperaturą zadaną. Tryb ten stosuje się, gdy w pomieszczeniach przebywa większa liczba osób. W trybie wietrzenia wydajność wentylatora wywiewnego jest większa niż nawiewowego. Tryb ten stosujemy podczas wietrzenia pomieszczeń. W trybie wyjście wentylatory nawiewne i wywiewne pracują z mocą minimalną. Tryb ten stosujemy, gdy opuszczamy pomieszczenie i nie ma potrzeby zapewnienia dopływu dużej ilości świeżego powietrza.

Harmonogramy czasowe

Harmonogramy czasowe pozwalają na dostosowanie pracy centrali do dobowego cyklu życia mieszkańców. Przykładowo, jeśli jesteśmy pewni, że w godzinach od 10 do 15 nie będzie w domu przebywała ani jedna osoba, możemy uruchomić harmonogram obniżający na ten czas prędkość wentylatorów, co powoduje oszczędności energii elektrycznej oraz zmniejsza zapotrzebowanie na ciepło w budynku. Dla każdego dnia istnieje możliwość zdefiniowania pięciu stref czasowych oraz kopiowania zdefiniowanych przez użytkownika harmonogramów na pozostałe dni tygodnia.

Tryb urlopowy (ECO)

Tryb ekonomiczny, zwany również urlopowym, może być realizowany na dwa sposoby: przez uruchamianie cyklicznego przewietrzania albo przez zmniejszenie prędkości obrotowej wentylatorów. W przypadku procedury cyklicznego przewietrzania użytkownik może zdefiniować zarówno prędkości wentylatorów w czasie jego trwania, czas trwania pojedynczego cyklu jak i odstępy między kolejnymi cyklami.

Najważniejsze algorytmy pracy centrali rekuperacyjnej

Ze względu na stopień komplikacji typowej centrali rekuperacyjnej użytkownikowi końcowemu udostępnione są zazwyczaj tylko ustawienia wysterowania wentylatorów oraz temperatury zadanej (wyjątkiem jest wcześniej opisana procedura cyklicznego przewietrzania). Sterownik realizuje algorytmy pracy w oparciu o nie oraz sygnały zewnętrzne z czujników.

Algorytmy - prędkość wentylatorów

Do sterowania prędkością wentylatorów stosuje się jedną z trzech strategii: regulację stałowartościową, regulację z utrzymywaniem stałego ciśnienia, regulację z utrzymywaniem stałego wydatku wentylatorów. Pierwsza z opisywanych strategii jest strategią najprostszą: nie wymaga ona żadnych sygnałów zwrotnych – zadane przez użytkownika wysterowanie wentylatorów jest wprost przekładane na prędkość obrotową wentylatorów. Algorytm ten jest prosty do zaimplementowania, ma jednak bardzo dużą wadę – nie zapewnia kompensacji zmieniających się oporów kanałowych, wynikających choćby z zabrudzenia filtrów czy różnic temperatur.

Właśnie ze względu na zmienne opory opracowane zostały pozostałe dwie strategie sterowania wentylatorami: ze stałym ciśnieniem i stałym wydatkiem. W przypadku tych dwóch algorytmów użytkownik ustawia tylko żądane ciśnienie lub wydatek wentylatorów. Sterownik mierząc te wartości (za pomocą przetworników ciśnienia; w przypadku trybu stałego wydatku dodatkowo przeliczając ciśnienie na przepływ) oraz porównując je z wartościami zadanymi, dostosowuje dynamicznie prędkość obrotową wentylatorów. Algorytmy te są zdecydowanie bardziej dokładne od regulacji stałowartościowej, mają jednak jeden poważny mankament: wymagają wykorzystania dodatkowych przetworników, których zastosowanie wydatnie podwyższa koszt całej instalacji.

Algorytm zapotrzebowania budynku na grzanie / chłodzenie

Zapotrzebowanie budynku na grzanie / chłodzenie określane jest na podstawie różnicy temperatury zadanej i z czujnika wiodącego przy uwzględnieniu temperatury źródła powietrza (zewnętrznej) determinującej tryb sezonowy (lato, zima). Czujnik wiodący umieszcza się zwykle w kanale nawiewnym bądź w kanale wyciągowym w mieszkaniu. W zależności od potrzeb załączane są chłodnice, nagrzewnice, przepustnice GWC, bypass i komory mieszania (o ile takie występują).

Przykładowo, jeśli temperatura zmierzona przez czujnik wiodący jest wyższa od temperatury zadanej, sterownik powinien przejść w tryb chłodzenia, wymuszając (w zależności od spełnionych warunków czasowych i temperaturowych) otwarcie przepustnicy bypass (o ile możliwe jest pobranie powietrza zewnętrznego o niższej temperaturze, tzw. tryb freecooling) bądź załączenie chłodnicy. Z kolei jeśli temperatura zmierzona przez czujnik wiodący jest niższa od temperatury zadanej, to sterownik powinien przejść w tryb grzania, wymuszając otwarcie przepustnicy GWC (o ile powietrze z niego ma wyższą temperaturę niż powietrze zewnętrzne) oraz uruchamiając nagrzewnicę wtórną.

Algorytmy antyzamrożeniowe

Następnymi niezwykle ważnymi algorytmami pracy centrali rekuperacyjnej są algorytmy antyzamrożeniowe, pozwalające uniknąć oblodzenia wymiennika w przypadku ujemnych temperatur zewnętrznych. Wyróżnia się dwa zestawy algorytmów antyzamrożeniowych: z płynnym ograniczaniem odzysku oraz z wykorzystaniem nagrzewnicy pierwotnej. Pierwszy algorytm polega na zmianie wysterowania wentylatorów i otwarciu przepustnicy bypass, co kosztem zmniejszenia komfortu cieplnego w pomieszczeniu umożliwi ogrzanie wymiennika.

Drugi algorytm, zdecydowanie częściej polecany i stosowany, polega na zastosowaniu dodatkowego źródła ciepła – pierwotnej nagrzewnicy elektrycznej lub glikolowej – która dodatkowo dogrzewa powietrze pobierane z zewnątrz. Moc nagrzewnicy elektrycznej regulowana jest przez zmianę stosunku czasu włączenia / wyłączenia nagrzewnicy elektrycznej za pomocą przekaźnika półprzewodnikowego. Bardzo ważną sprawą jest prawidłowe ustawienie algorytmów pracy nagrzewnicy elektrycznej.

Zdaniem autora nagrzewnica elektryczna powinna być używana jedynie do działania algorytmów antyzamrożeniowych ze względu na wysokie koszty ogrzewania za pomocą energii elektrycznej. Niższe koszty eksploatacji zapewnia droższa nagrzewnica glikolowa. Nagrzewnica ta umożliwi dodatkowo ogrzewanie powietrza wewnątrz budynku. Nie ulegnie uszkodzeniu nawet wtedy, gdy nie będziemy dostarczać do niej energii np. na skutek zaniku zasilania lub uszkodzenia sterownika, co mogłoby się zdarzyć przy ujemnych temperaturach zewnętrznych, gdybyśmy jako czynnik przekazujący ciepło zastosowali wodę. Sterownik eco-VENT MIDI został wyposażony w oba algorytmy antyzamrożeniowe, ich stosowanie i nastawy początkowe są zależne od ustawień producenta centrali wynikających z zaleceń i wskazówek firm produkujących wymienniki.

Algorytmy monitorowania stanu filtrów

Ostatnim niezwykle ważnym algorytmem są algorytmy monitorowania stanu filtrów. Zabrudzone filtry obniżają przepływ powietrza, a tym samym zmniejszają komfort przebywania w tak wentylowanych pomieszczeniach. Stosuje się dwa typy algorytmów: algorytm czasowy, który po zadanej liczbie dni zgłasza potrzebę wymiany filtrów oraz algorytmy bazujące na pomiarze ciśnienia: wykorzystujące odczyty stanu presostatów różnicowych (mechanicznych czujników różnicy ciśnień) bądź bazujące na wskazaniach elektronicznych czujników różnicy ciśnień.

Inne algorytmy centrali rekuperacyjnej

Przedstawione wyżej zestawy algorytmów są najważniejsze z punktu widzenia zadań stawianych centralom rekuperacyjnym. Poza nimi można wyróżnić także mniejsze algorytmy sterujące podzespołami centrali (pochodne algorytmu zapotrzebowania na grzanie i chłodzenia), algorytmy serwisowe związane z monitorowaniem czasu pracy centrali (wymuszające przegląd bądź blokujące pracę centrali po upływie zdefiniowanej przez serwis instalatorski liczby dni)), algorytmy czyszczenia i odwadniania wymiennika oraz algorytmy uzależniające pracę centrali od wskazań zewnętrznych czujników dwutlenku węgla, wilgotności i/lub zawartości cząstek stałych w powietrzu.

Wizualizacja stanu pracy centrali rekuperacyjnej

Producent sterowników z rodziny eco-VENT daje nam możliwość wizualizacji stanu pracy centrali na cztery sposoby: poprzez panele dotykowe, poprzez stronę internetową, z wykorzystaniem aplikacji na urządzenia mobilne, dostępnej na platformy Android i iOS oraz przez system zarządzania budynkiem (Building Managment System, BMS) – rysunek 2.

Rys.2 Sposoby wizualizacji stanu pracy centrali - sterowniki z rodziny eco-VENT 

Zdalne sterowanie przez aplikacje mobilne jest niezwykle wygodne dla użytkowników – w aplikacji zostały zawarte tylko najważniejsze informacje i parametry związane z aktualnym stanem pracy sterownika centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła.

Sterowanie przez panel i stronę internetową jest już zdecydowanie bardziej rozbudowane w stosunku do możliwości sterowania z wykorzystaniem aplikacji. Użytkownik ma dostęp do wszystkich interesujących go parametrów pracy centrali rekuperacyjnej. Dodatkowo, zarówno w oprogramowaniu panelu, jak i wizualizacji urządzenia na stronie internetowej, ukryto dodatkowe menu, zawierające nastawy instalatorskie i producenckie, co wydatnie skraca czas konfigurowania sterownika w czasie uruchamiania centrali oraz pozwala na szybkie akcje serwisowe.

Bardzo ważną funkcją regulatora, dostępną po podłączeniu urządzenia do Internetu, jest możliwość tworzenia wykresów obrazujących stan pracy centrali rekuperacyjnej. Zarówno w regulatorze jak i na stronie internetowej zapisywane są informacje na temat wszystkich stanów alarmowych, jakie wystąpiły w czasie pracy centrali rekuperacyjnej. Dodatkowo, w zależności od ustawień użytkownika, możliwe jest wysyłanie bieżących stanów alarmowych w formie powiadomienia na wskazane konto e-mailowe.

W oparciu o udostępniany przez producenta wykaz rejestrów Modbus możliwe jest skonfigurowanie części systemu BMS wizualizującego stan pracy centrali oraz umożliwiającego jego zmiany – w sterowniku zaimplementowane zostały zarówno polecenia odczytu wartości rejestrów (ramka 0x03) jak i polecenia modyfikacji wartości rejestrów (ramki: 0x06 do modyfikacji wartości pojedynczych rejestrów oraz ramka 0x10 do modyfikacji wartości ciągu rejestrów).

Na zakończenie tego cyklu artykułów autor chciałby zwrócić uwagę na potrzebę, a wręcz konieczność zapoznania się z instrukcją sterownika, przynajmniej w podstawowym stopniu. Pozwoli to na uniknięcie szeregu problemów, a także na odkrycie możliwości sterowników, których często nawet byśmy się nie spodziewali. Ważną cechą odpowiedzialnych producentów elektroniki jest zapewnienie wsparcia i serwisu dla jej użytkowników, dzięki czemu unikniemy wielu stresujących sytuacji.