Regulatory przepływu w wentylacji - przegląd rozwiązań

Regulatory przepływu w systemach wentylacji mechanicznej

Większość nowoprojektowanych budynków wyposażona jest w system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Zaletami takiego rozwiązania są zazwyczaj lepsze parametry powietrza nawiewanego do pomieszczeń oraz możliwość rekuperacji – odzysku energii z powietrza wentylacyjnego w okresie grzewczym. Przekłada się to bezpośrednio na podniesienie komfortu przebywania w pomieszczeniu oraz obniżenie kosztów utrzymania budynku w stosunku do rozwiązania z wentylacją grawitacyjną.

Systemy rekuperacji oparte na wentylacji mechanicznej zwiększają swoją popularność również poprzez zmiany, jakie zaszły w Ustawie Prawo Budowlane oraz rozporządzeniach wykonawczych dotyczących budynków energooszczędnych. Wymagania te można spełnić w dwojaki sposób:

• poprzez uzyskanie współczynników przenikania ciepła niższych niż wymagane;
• poprzez osiągnięcie wartości wskaźnika zużycia energii pierwotnej niższego niż dla tzw. budynku referencyjnego.

Osiągnięcie wskaźnika EP na poziomie pozwalającym sklasyfikować obiekt jako energooszczędny często nie jest możliwe bez zastosowania systemu odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego.

Na prawidłowe działanie systemów wentylacji mechanicznej ma wpływ wiele czynników. Jednym z nich jest odpowiednia regulacja wydatkiem powietrza w poszczególnych gałęziach instalacji. Dostarczenie odpowiedniej ilości powietrza świeżego oraz usunięcie tej samej ilości powietrza zanieczyszczonego to podstawowe zadanie systemu wentylacji. Aby to uzyskać, stosuje się przepustnice regulacyjne bądź regulatory przepływu. W zależności od rodzaju systemu wentylacji – ze zmiennym przepływem powietrza VAV (ang. Variable Air Volume) lub ze stałym przepływem powietrza CAV (ang. Constant Air Volume) – różną budowę mają same regulatory.

Co to jest regulator przepływu i jak działa?

Zadaniem regulatorów przepływu jest utrzymanie żądanych wydatków powietrza w poszczególnych gałęziach instalacji niezależnie od zmian ciśnienia w przewodach wentylacyjnych. Ułatwia to w znaczący sposób projektowanie całego układu, jednak ze względu na generowany hałas i oszczędności w okresie eksploatacji powinno się dążyć do stosowania niskich ciśnień wstępnych. Regulacja przepływu może się odbywać zarówno w kanałach nawiewnych, jak i wywiewnych.

Rozróżnia się kilka podstawowych typów regulatorów:

• regulatory stałego przepływu ze stałą wartością zadaną;
• regulatory przepływu powietrza z przełączaniem między dwiema zadanymi wartościami (V̇min, V̇max);
• regulatory stałego przepływu powietrza ze zmiennym nastawem wydatku;
• regulatory zmiennego przepływu powietrza VAV.

Regulacja przepływu poprzez regulator odbywa się za pomocą obrotowej przepustnicy, membrany gumowej, zmiany powierzchni blach perforowanych lub innych elementów dławiących przepływ w kanale. Prawidłowość działania regulatorów zapewniona jest zazwyczaj w określonych granicach prędkości przepływu oraz ciśnienia – typowo prędkość 2–15 m/s, różnica ciśnień 30–1000 Pa, choć wartości te mogą się różnić w zależności od budowy urządzenia.

Takie wartości prędkości przepływającego powietrza mogą być przyczyną generacji hałasu w instalacji, dlatego zastosowanie regulatora pociąga za sobą konieczność użycia tłumika akustycznego bądź tłumiącej skrzynki rozprężnej, do której podłączony jest nawiewnik. Schemat takiego podłączenia przedstawiony jest na rysunku 1.¹

Samoczynne regulatory bez zasilania energią zewnętrzną

Samoczynne regulatory bez zasilania zewnętrznego nazywane są również regulatorami bezpośredniego działania. Na rynku dominują konstrukcje o przekroju kołowym, jednak niektórzy producenci oferują również wykonanie prostokątne. Regulacja odbywa się za pomocą obrotowej przepustnicy lub innych elementów dławiących przepływ połączonych ze sprężyną przeciwdziałającą momentowi zamykającemu. Moment zamykający jest zależny od prędkości przepływającego powietrza. Żądany strumień powietrza nastawiany jest poprzez ustawienie odpowiedniego naciągu sprężyny.

Takie konstrukcje posiadają kilka wad w stosunku do regulatorów opartych na siłownikach elektrycznych. Ze względu na niewielkie siły nastawcze niemożliwe jest zastosowanie przepustnicy szczelnej, która byłaby w stanie w pełni odcinać przepływ. Nie posiadają również możliwości wysyłania sygnału zwrotnego potwierdzającego utrzymanie nastawionego wydatku. Zaletą jest brak konieczności zasilania energią zewnętrzną oraz bezpośrednio wynikająca z braku siłownika niższa cena. Zakres dokładności regulacji wynosi około 5–10% w zależności od konstrukcji oraz punktu pracy regulatora.¹

Regulatory przepływu powietrza zasilane energią z zewnątrz

W tego typu rozwiązaniach następuje pomiar wydatku powietrza, który po odpowiednim przetworzeniu trafia do siłownika sterującego przepustnicą. Obecnie najczęściej stosuje się rozwiązanie oparte na pomiarze różnicy ciśnień za pomocą krzyża pomiarowego. Pomiar może być dokonywany w dwojaki sposób:

• czujnik ciśnienia statycznego – pomiar bezpośrednio w puszce pomiarowej; ilość przepływającego powietrza jest proporcjonalna do różnicy ciśnień, a powietrze nie przepływa przez czujnik pomiarowy, co ogranicza możliwość jego zanieczyszczenia. Wadą jest dokładność zależna od umiejscowienia czujnika i wysoka cena układu;
• czujnik ciśnienia dynamicznego – część powietrza przepływa przez czujnik, a przewody pomiarowe połączone są ze sobą przewodem obejściowym; strumień powietrza jest proporcjonalny do mierzonej prędkości powietrza. Zaletą jest wysoka dokładność i niska cena. Nie może być jednak stosowany w przypadku przepływu zanieczyszczonego lub agresywnego powietrza.

Niektórzy producenci dokonują również pomiaru przy pomocy kryzy spiętrzającej i czujników ciśnienia statycznego. Takie rozwiązanie zwiększa jednak spadek ciśnienia na całym elemencie, co może być przeszkodą w zastosowaniu takiego regulatora w istniejącej instalacji, gdzie spręż wentylatora jest w pełni wykorzystany.

Sygnał z czujnika pomiarowego jest linearyzowany w samym czujniku lub w regulatorze i staje się wartością wyjściową do kolejnych operacji. Dzięki temu możliwe jest sprawdzenie, czy osiągany jest żądany strumień powietrza. Zadaną wartość przepływu może utrzymywać sam regulator, jeśli działa jako regulator stałego wydatku, lub może być ona zmieniana poprzez sygnał z innych czujników (np. temperatury, CO₂ itp.) – działanie jako regulator zmiennego przepływu VAV.

Dzięki zastosowaniu siłowników o odpowiednio wysokim momencie obrotowym możliwe jest wykonanie przepustnicy szczelnej (maksymalne przecieki do 10 m³/h powietrza przy nadciśnieniu w przewodzie 100 Pa).¹

Źródła

¹ Recknagel, H. i in. Kompendium wiedzy: ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo. Wrocław: OMNI SCALA, 2008, s. 1260–1264. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo Budowlane (z późniejszymi zmianami).