Fakulteta za strojništvo
Popis karakteristike ventilatorskega konvektorja
Mihael Blatnik
Ljubljana, avgust 2021
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje
Strojništvo
‒Razvojno raziskovalni program
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Popis karakteristike ventilatorskega konvektorja
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo
‒Razvojno raziskovalni program
Mihael Blatnik
Mentor: izr. prof. dr. Uroš Stritih, univ. dipl. inž. str.
Ljubljana, avgust 2021
Zahvala
Na prvem mestu bi se rad zahvalil Laboratoriju za ogrevalno, sanitarno in solarno tehniko ter klimatizacijo na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani, njegovem vodji in mojemu mentorju izr. prof. dr. Urošu Stritihu, ki so mi omogočili dostop do laboratorijskih prostorov ter potrebne merilne opreme.
Zahvala gre tudi podjetju Danfoss Trata d. o. o. za vzpostavitev komore za namene izvajanja tovrstnih meritev ter mentorju pri podjetju, Dejanu Burji za vse predano teoretično znanje ter usmerjanje pri izvedbi meritev ter analizi le-teh.
Izpostavil pa bi predvsem pomoč asistenta Roka Koželja, ki je bil v laboratoriju vedno na voljo za strokoven pogovor ter si je vedno vzel čas za pomoč pri vzpostavitvi ustreznih parametrov in nastavitev komore.
Izredna zahvala gre tudi družini, ki mi je študij omogočala, me spodbujala in me na tej poti podpirala, da sem uspešno opravil vse izpite, napisal zaključno delo ter uspešno diplomiral na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani. Brez njihove podpore danes ne bi bil oseba, kakršna sem, za kar sem jim neizmerno hvaležen.
Izvleček
UDK 697.35+697.97(043.2) Tek. štev.: UN I/1493
Popis karakteristike ventilatorskega konvektorja
Mihael Blatnik
Ključne besede: ventilatorski konvektor, karakteristika,
toplotna moč,
vodni ogrevalni krog, regulacija.
Človeško življenje in delo dandanes največ poteka v notranjih prostorih, zato je treba zagotavljati ustrezno standardno kakovost bivanja, ki pa je izredno odvisna od temperature samih prostorov. Konvektor je naprava, ki nam omogoča ogrevanje, hlajenje in razvlaževanje prostorov in so zaradi podobnih principov priprave tople ali hladne vode kakor pri radiatorjih, postali eni izmed najpopularnejših načinov ogrevanja in hlajenja, skupno s prezračevanjem tako v novih, kot tudi v starih stavbah. Največkrat pa so uporabljeni v stavbah poslovnega tipa, kjer je potrebno občasno srednje do visoko hlajenje in kjer ni potrebna natančna kontrola vlažnosti ali pa so uporabljeni zgolj zaradi estetskega vidika. V zaključni nalogi smo se spoznali z vrstami ventilatorskih konvektorjev ter popisali karakteristiko izbranega ventilatorskega konvektorja. Pripravljeno je bilo eksperimentalno preizkuševališče z vso potrebno merilno opremo ter opremo za pripravo hladne in tople vode za konvektor kot tudi za stenske radiatorje same komore. Na podlagi izmerjenih podatkov smo nato določili karakteristiko ventilatorskega konvektorja, ki je prikazana kot graf toplotne grelne ali hladilne moči v odvisnosti od prostorninskega pretoka vode, ki teče skozi konvektor. Rezultate smo na koncu primerjali s teoretičnimi karakteristikami izbranega konvektorja ter določili vzroke za odstopanja in napake.
Abstract
UDC 697.35+697.97(043.2) No.: UN I/1493
Determination of Fan-coil characteristics
Mihael Blatnik
Key words: fan-coil, characteristics, thermal power,
hydronic heating circuit, regulation.
Human’s life, work and activity nowadays mostly takes place indoors. That is why it’s important to ensure correct standard and quality of living, which is extremely dependent on the temperature of interior spaces. Fan-coil is a device, which allows heating, cooling and even dehumidification of spaces. Due to similar principles of hot or cool water preparation as for radiators it became one of the most popular methods of heating or cooling together with ventilation in new and old buildings. However, it is mostly used in builds of business type where occasional medium to high cooling is required and where precise humidity control is not required. Fan-coils can also be solely used for aesthetic reasons. In this thesis we researched different types of fan-coils and determined characteristics of selected fan-coil.
Experimental setup was prepared with every needed measuring instruments and equipment for hot and cool water preparation for our fan-coil as for chamber’s wall radiators. Based on experimental measurements we determined fan-coil characteristics, which is presented as a graph of thermal heating or cooling power as a function of the volumetric flow of water, flowing through the fan-coil. Finally, the results were compared with the theoretical characteristics of the selected fan-coil upon which we determined causes of deviations and errors.
Kazalo
Kazalo slik ... xi
Kazalo preglednic ... xiii
Seznam uporabljenih simbolov ... xiv
Seznam uporabljenih okrajšav ... xv
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ... 1
1.2 Cilji ... 2
2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3
2.1 Vrste in delovanje ventilatorskih konvektorjev ... 4
2.1.1 Talni konvektorji ... 4
2.1.2 Ventilatorski konvektorji pritrjeni na stene, strop ali tla ... 6
2.1.3 Komponente ventilatorskega konvektorja ... 6
2.1.3.1 Ventilator ... 6
2.1.3.2 Prenosnik toplote – register ... 7
2.1.3.3 Regulacijske komponente ... 9
2.1.3.4 Ostale komponente ... 10
2.2 Prenos toplote znotraj konvektorjev ... 11
2.2.1 Konvekcija ... 11
2.3 Regulacija in nadzor delovanja ... 15
2.3.1 Vodni ogrevalni krog ... 15
2.3.1.1 Regulacijski ventili z aktuatorji ... 16
2.3.1.2 Ventilator ... 16
2.3.1.3 Temperaturna zaznavala ... 16
2.3.2 Regulacijski načini ... 17
2.3.2.1 Regulacija vklop/izklop ... 17
2.3.2.2 PID regulacija ... 17
2.3.3 Karakteristike ... 19
2.3.3.1 Karakteristika ventilatorskega konvektorja ... 19
2.3.3.2 Karakteristika sistema ... 20
2.3.3.3 Karakteristika ventila ... 21
3 Metodologija raziskave ... 23
3.1 Standard prEN 1397:2020 ... 23
3.1.1 Hladilna moč konvektorja ... 24
3.1.2 Grelna moč konvektorja ... 24
3.2 Eksperimentalno preizkuševališče ... 25
3.2.1 Eksperimentalna komora ... 25
3.2.1.1 Konvektorska enota ... 26
3.2.1.2 Regulacijski ventil volumskega pretoka AB-QM, NovoCon S ... 28
3.2.1.3 Merilnik razlike tlaka HubaControl ... 28
3.2.1.4 Merilnik volumskega pretoka OPTIFLUX 1000 ... 29
3.2.1.5 Obtočna črpalka Wilo-VeroLine-IP-E ... 30
3.2.1.6 Temperaturna zaznavala ... 31
3.2.2 Hladilni režim ... 34
3.2.2.1 Pretočni hladilnik OMEGA AIR ... 34
3.2.2.2 Obtočna črpalka NMT Mini Plus ... 35
3.2.2.3 Grelci vode ... 36
3.2.2.4 Merilnik energije SonoSelect 10 ... 36
3.2.2.5 Obtočna črpalka Wilo-Stratos MAXO ... 37
3.2.3 Grelni režim ... 38
3.2.3.1 Grelci vode ... 38
3.2.3.2 Toplotna črpalka ... 39
3.3 Opis poteka merjenja ... 40
3.3.1 Centralna nadzorna enota ... 40
3.4 Preliminarni izračuni ... 42
3.4.1 Teoretična hladilna karakteristika ... 42
3.4.2 Teoretična grelna karakteristika ... 44
4 Rezultati in diskusija ... 46
4.1 Hladilna karakteristika ... 46
4.1.1 Analiza hladilne karakteristike ... 51
4.2 Grelna karakteristika ... 53
4.2.1 Analiza grelne karakteristike ... 56
5 Zaključki ... 57
Literatura ... 58
Priloga A ... 61
Priloga B ... 62
Kazalo slik
Slika 2.1: Primer talnega konvektorja z naravno konvekcijo [3] ... 5
Slika 2.2: Primer talnega konvektorja s prisilno konvekcijo [3] ... 5
Slika 2.3: Primeri prostostoječih, stenskih, stropnih in stropno vgrajenih konvektorjev [5] ... 6
Slika 2.4: Ventilatorske palube [1] ... 7
Slika 2.5: Register prenosnika toplote [1] ... 8
Slika 2.6: Koncentrični prenosnik toplote: (a) paralelni tok, (b) protismerni tok [6]... 8
Slika 2.7: Vrste prenosnikov: (a), (b), (c) Olameljene cevi, (c) Lamelne plošče za enojni prehod, (d) Lamelne plošče za večkratni prehod [6] ... 9
Slika 2.8: Način uporabe preklopnega ventila za hladilni in ogrevalni režim [8] ... 9
Slika 2.9: Preklopni ventil s šestimi priključki Danfoss ChangeOver 6 z NovoCon-om [9] ... 9
Slika 2.10: Elektronski regulator z displejem in programsko kartico Danfoss ECL 296 [8] ... 10
Slika 2.11: Filtri zraka [1] ... 10
Slika 2.12: Primer konvekcije [6] ... 11
Slika 2.13: Laminaren in turbulenten tok [6] ... 13
Slika 2.14: Vodni ogrevalni krog. (a) Slikovni diagram, (b) Shematski diagram [13]. ... 15
Slika 2.15: Shematski prikaz regulacije s PID regulatorji [15] ... 18
Slika 2.16: Odzivi P, PI in PID regulatorjev [16] ... 19
Slika 2.17: Karakteristike in dober nadzor sistema [18] ... 21
Slika 2.18: Končne karakteristike [18] ... 21
Slika 2.19: Nihanje temperature pri navadnih tlačno odvisnih in novih tlačno neodvisnih ventilih [18] ... 22
Slika 3.1: Energijska bilanca konvektorja [19] ... 23
Slika 3.2: Eksperimentalno preizkuševališče – komora ... 25
Slika 3.3: Izbran ventilatorski konvektor AERMEC FCZI 300 UFBV [5] ... 26
Slika 3.4: Dimenzije konvektorja [20] ... 26
Slika 3.5: Konvektorska enota ... 27
Slika 3.6: Tlačno neodvisno regulacijski ventil AB-QM s pogonom NovoCon S [21] ... 28
Slika 3.7: Merilci diferencialnega tlaka Tip 692 HubaControl ... 29
Slika 3.8: Notranjost merilnika volumskega pretoka OPTIFLUX 1000 [24] ... 29
Slika 3.9: Merilnik volumskega pretoka OPTIFLUX 1000 [24] in pretvornik signala IFC 100 ... 30
Slika 3.10: Črpalki Wilo VeroLine-IP-E za ogrevalni režim (zadaj) in hladilni režim (spredaj) .... 31
Slika 3.11: Naležna in surova temperaturna zaznavala ... 33
Slika 3.12: Prikaz ventilov za vstop in izstop vode v radiatorske stene komore ... 34
Slika 3.13: Pogled na pretočni hladilnik in zalogovnik s sprednje in zadnje strani ... 35
Slika 3.14: Obtočna črpalka IMTPUMPS NMT Mini Plus [30] ... 35
Slika 3.15: Grelci vode za radiatorske stene v hladilnem režimu ... 36
Slika 3.16: Merilnik porabe energije Danfoss SonoSelect 10 [31] ... 37
Slika 3.17: Obtočna črpalka za toplo radiatorsko vodo Wilo Stratos MAXO [32] ... 37
Slika 3.18: Električni grelci za toplo vodo za konvektor v grelnem režimu konvektorja ... 38
Slika 3.19: Sistem za pripravo hladne vode za radiatorske stene v grelnem režimu konvektorja .... 39
Slika 3.20: Obtočna črpalka Grundfos za hladno vodo za radiatorje pri grelnem režimu konvektorja ... 39
Slika 3.21: Grafični vmesnik centralne nadzorne enote s prikazom celotne hidravlične sheme sistema ... 40
Slika 3.22: Grafični vmesnik centralne nadzorne enote s prikazom okna z grafi ... 41
Slika 3.23: Primer izračuna teoretične hladilne karakteristike v programskem okolju MS Excel® . 42 Slika 3.24: Primer izračuna teoretične grelne karakteristike v programskem okolju MS Excel® ... 44
Slika 4.1: Primer uporabe internetne aplikacije tabel o lastnostih vode [33] ... 46
Slika 4.2: Primer uporabe kalkulatorja izdelanega v programskem okolju MS Excel® ... 47
Slika 4.3: Primer datoteke zajetih najpomembnejših podatkov ... 48
Slika 4.4: Shematski prikaz pravilne izvedbe testne komore [19] ... 52
Kazalo preglednic
Tabela 3.1: Moči za izris teoretične hladilne karakteristike konvektorja pri različnih hitrostih
ventilatorja ... 43
Tabela 3.2: Moči za izris teoretične grelne karakteristike konvektorja pri različnih hitrostih ventilatorja ... 44
Tabela 4.1: Rezultati meritev – hladilna moč konvektorja v [W] ... 48
Tabela 4.2: Električne moči ventilatorja konvektorja ... 48
Tabela 4.3: Izračun električnih moči ventilatorja po funkciji ... 49
Tabela 4.4: Popravljene hladilne moči konvektorja v [W] ... 49
Tabela 4.5: Rezultati meritev - grelna moč konvektorja v [W] ... 53
Tabela 4.6: Popravljene grelne moči konvektorja v [W] ... 54
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
v m/s hitrost
𝑇∞ K temperatura fluida
𝑇𝑠 K temperatura telesa
𝐴𝑠 m2 površina telesa
𝑑𝐴𝑠 m2 diferencial površine telesa
𝑞̇ W/m2 gostota toplotnega toka
h W/m2·K lokalni koeficient toplotne prestopnosti ℎ̅ W/m2·K povprečni koeficient toplotne prestopnosti
Δ𝑇𝑙𝑚 K srednja logaritmična temperaturna razlika (LMTD) 𝛥𝑇0 K razlika temperatur zraka med eno in drugo stranjo
prenosnika toplote
Δ𝑇𝑖 K razlika temperatur medija toplote, ki teče skozi prenosnik toplote
k W/m2·K koeficient specifične celotne toplotne prehodnosti
𝑅𝑡 m2·K/W toplotna upornost
𝜆 W/m·K koeficient toplotne prevodnosti
𝑐𝑝 J/kg·K izobarna specifična toplotna kapaciteta
𝜌 kg/m3 gostota fluida
𝜇 / koeficient trenja
L m karakteristična dimenzija
Nu / Nusseltovo število
𝑁𝑢̅̅̅̅ / Povprečno Nusseltovo število
Pr / Prandtlovo število
Re / Reynoldsovo število
𝑘𝑣 m3/h Pretočnost oz. karakteristika ventila
𝑃𝐶 W hladilna moč konvektorja
𝑃𝐻 W grelna moč konvektorja
𝑞𝑚𝐿 g/s masni pretok vode
h kJ/kg specifična entalpija vode
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 W totalna električna moč
m kg masa
p Pa, bar tlak
U V napetost
B Vs/m2 gostota magnetnega polja
D m premer
𝑅Ω Ω električna upornost
t °C temperatura
𝑒𝑡 merilni pogrešek
P W moč
V m3, L prostornina
Q L/h prostorninski pretok
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
CIBSE Chartered Instutution of Building Services Engineers Fan-coil Ventilatorski konvektor
PLC/PLK Programmable Logic Controller /Programljivi Logični Krmilnik PID kontroler Proporcionalno Integralno Diferencialni kontroler
PM10, PM2,5 Trdni delec velikosti 10 μm in 2,5 μm COVID-19 Pandemija Koronavirusa SARS-CoV-2
H Tovarniška nastavitev HIGH – najvišja hitrost ventilatorja konvektorja oz. največji volumski pretok vode skozi konvektor.
M Tovarniška nastavitev MEDIUM – srednja hitrost ventilatorja konvektorja oz. srednji volumski pretok vode skozi konvektor L Tovarniška nastavitev LOW – najnižja hitrost ventilatorja
konvektorja oz. najmanjši volumski pretok vode skozi konvektor.
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Ustrezna temperatura bivalnih ali delovnih prostorov je izrednega pomena za zagotavljanje ustreznega standarda in kakovosti bivanja. Le-to pa lahko zagotovimo z uporabo ustreznih grelnih in hladilnih sistemov, po možnosti tudi ventilacijskih, s katerimi omogočimo človeku mirno bivanje in delo.
Ena od naprav, ki nam učinkovito omogoča ogrevanje, hlajenje in razvlaževanje prostorov, je ventilatorski konvektor, ki je zadnje čase ena od vodilnih naprav, ki se jih vgrajuje predvsem v stavbe poslovnega tipa. Cilj uporabnika izdelka je, da z napravo ne bo imel težav, zato mora konvektor zagotavljati temperaturo prostora brez večjih nihanj, prav tako pa mora biti ravno pravšnja za delo ali bivanje.
Za ustrezno zagotavljanje take temperature pa moramo poznati karakteristiko celotnega sistema, le-ta pa je odvisna od karakteristike ventilatorskega konvektorja ter karakteristike ventila oz. aktuatorja za regulacijo prostorninskega pretoka. Dobra končna karakteristika sistema je linearna, da pa dobimo to karakteristiko, se moramo z ventilom za uravnavanje prostorninskega pretoka prilagoditi glede na karakteristiko konvektorja, ki pa je stalna za neko vrsto režima oz. obratovalno točko.
Navsezadnje pa je mogoče z dobro karakteristiko učinkovito uporabiti napredne tehnologije regulacije, skupaj s črpalkami, aktuatorji in zaznavali, ki še dodatno omogočijo boljši nadzor želene temperature. S tem je omogočeno tudi varčevanje, s katerim lahko nadgradimo obstoječe sisteme z dodatnimi nadgradnjami ali pa se odločimo za nove investicije.
1.2 Cilji
V zaključni nalogi se bomo ukvarjali z določevanjem in popisom grelne in hladilne karakteristike izbranega ventilatorskega konvektorja, s katerim lahko nato gradimo celotno pot do linearno uravnoteženega sistema. Glede na poznavanje teoretičnega ozadja bomo lahko določili metodologijo same raziskave ter ustrezno pripravili eksperimentalno preizkuševališče. Na podlagi podatkov, ki jih pridobimo z eksperimenti in meritvami, bomo na podlagi pregledane teorije in standardov določili karakteristiko ventilatorskega konvektorja za dva režima delovanja – grelni in hladilni. Za zaključek bomo rezultate primerjali in komentirali v primerjavi s teoretičnimi karakteristikami ventilatorskih konvektorjev.
V poglavju Teoretične osnove in pregled literature bodo predstavljene vrste in delovanje ventilatorskih konvektorjev ter najpomembnejše in največkrat uporabljene komponente le- teh. Predstavljeni bodo tudi mehanizmi prenosa toplote, ki se pojavljajo znotraj konvektorjev ter za konec nekaj o regulaciji in nadzoru delovanja vodnih ogrevalnih krogov in samih karakteristikah, da dobimo linearen odziv sistema. V poglavju Metodologija raziskave bodo predstavljeni standard, ki se bo uporabljal za določitev karakteristike ventilatorskega konvektorja, definicija in vsa oprema ter instrumenti eksperimentalnega preizkuševališča ter postopek izvedbe eksperimenta z določenimi teoretičnimi karakteristikami ventilatorskega konvektorja. V zadnjem poglavju Rezultati in diskusija bodo predstavljeni rezultati, izračuni in grafični prikazi pridobljenih rezultatov, ki bodo ustrezno komentirani in argumentirani na podlagi teoretičnih karakteristik ventilatorskega konvektorja.
2 Teoretične osnove in pregled literature
Konvektor je naprava, ki nam omogoča ogrevanje, hlajenje in razvlaževanje prostorov. V napravo se dovaja toplo ali hladno vodo iz nekega vira ogrevanja ali hlajenja. Voda, ki kroži preko registra, nato okoliškemu zraku oddaja ali odvzema toploto, odvisno od tega, ali konvektor prostor ogreva ali hladi.
Ventilatorski konvektorji so v zadnjih letih postali eni izmed najpopularnejših načinov ogrevanja in hlajenja skupno s prezračevanjem tako v novih kot tudi starih stavbah.
Največkrat uporabljeni so v stavbah, kjer je potrebno občasno srednje do visoko hlajenje in kjer ni potrebna natančna kontrola vlažnosti. Gre za stavbe poslovnega tipa, kjer so zgradbe z velikimi steklenimi fasadnimi površinami in kjer zaradi estetskih vzrokov radiatorjev ni mogoče vgraditi [1].
Večina naprav se pritrjuje na strop in s tem zavzamejo malo prostora, ki ga že tako primanjkuje. V primerih, ko morajo ostati ogrevala iz arhitektskih razlogov skrita, pa predstavljajo konvektorji zelo dobro rešitev, saj obstajajo tudi izvedbe, pri katerih je naprava vgrajena v strop ali tla.
Uporaba ventilatorskih konvektorjev je tako razdeljena v 4 glavne podskupine [2][3][4]:
• prostostoječi ventilatorski konvektorji,
• stenski ventilatorski konvektorji,
• talni ventilatorski konvektorji:
▪ v plitvem kanalu,
▪ v globokem kanalu,
• stropni konvektorji,
▪ pritrjeni na strop,
▪ vgrajeni v strop.
Osnovni razlog za namestitev ventilatorskih konvektorjev je enostavno zagotavljanje udobja in razmer v določenem okolju/prostoru. Čeprav gre po svoji naravi za nezapleten sistem, lahko kljub temu povzroči številne težave, kot so hrup, toplotna moč, prepih ipd. Vse možne težave se poizkuša upoštevati že pri izdelavi in oblikovanju samega konvektorja kot tudi pri izbiri primernega za posamezen prostor in montaži le-tega.
Prednosti, ki jih zagotavlja ventilatorski konvektor, so naslednje [1]:
• bistveno manjša prezračevalna naprava in razdelilni vod za zrak v primerjavi s klimati za stavbno ventilacijo – velja v primeru, ko imamo skozi ventilatorski konvektor napeljano tudi ventilacijo,
• visoka hladilna in grelna toplotna kapaciteta in s tem povezano hitro odzivno ogrevanje, hlajenje ali kombinacija obeh,
• sorazmerno nizki stroški nakupa in montaže opreme,
• omogoča individualni nadzor temperature območja stavbe ali posameznega prostora, če je vgrajen ustrezen krmilni element,
• prilagodljivost prihodnjim spremembam in prostorskim postavitvam.
2.1 Vrste in delovanje ventilatorskih konvektorjev
Obstaja veliko vrst ventilatorskih konvektorjev in zasnovo le-teh vsak proizvajalec predstavlja po svoje, v osnovi pa so si zelo podobni. Vsak konvektor ima nekatere osnovne komponente, ki so ventilator, ohišje in prenosnik toplote (register).
Vodič za ogrevanje in hlajenje CIBSE predstavlja ventilatorski konvektor kot »zapakirana enota, ki obsega ogrevalne in hladilne registre, zbiralnik kondenzata, ventilator in filter zraka vse v enem ohišju«.
Velika značilnost in hkrati prednost konvektorjev je hitra odzivnost na temperaturna nihanja v prostoru. Prostor lahko v relativno kratkem času segrejemo ali shladimo na določeno temperaturo, hkrati pa zaradi vpihovanja zraka ustvarjamo kroženje le-tega po prostoru.
Zgoraj smo že omenili, da poznamo talne in stropne konvektorje, kakor tudi ventilatorske konvektorje pritrjene na tla, steno ali strop. Med njimi obstajajo nekatere bistvene razlike, predvsem na način vpihovanja zraka.
2.1.1 Talni konvektorji
Pri talnih konvektorjih gre za naprave za ogrevanje in hlajenje novejšega in sodobnega tipa.
Le-te so vgrajene v tla in jih montiramo v prostorih z velikimi steklenimi površinami, kjer zaradi estetskih razlogov ne želimo vidnih grelnih ali hladilnih teles, in tam, kjer ne moremo z običajnimi grelnimi ali hladilnimi napravami zagotoviti toplotnega ugodja v prostoru.
Delujejo lahko na principu naravne ali prisilne konvekcije zraka. Še največkrat so uporabljeni na principu naravne konvekcije, saj na podlagi le-te preprečujejo rosenje steklenih površin. Skozi reže oken in steklenih površin lahko velikokrat začne vdirati tudi hladen zunanji zrak, ki pa ga lahko enostavno preprečimo z vgradnjo talnih modelov konvektorjev s prisilno konvekcijo zraka. Zaradi vseh teh prednosti se tovrstne konvektorje vgrajuje v trgovine, hotele, salone in poslovne prostore, priporočljivi pa so tudi za zimske vrtove.
Talne konvektorje imamo možnost priključiti na enocevni sistem ogrevanja, kjer konvektorje vežemo zaporedno, ali klasičen dvocevni sistem ogrevanja. Med seboj pa konvektorje delimo še na dvocevne in štiricevne. Dvocevni konvektorji imajo eno dovodno
in eno povratno cev, medtem ko ima štiricevni dve dovodni in dve povratni cevi. Prednost slednjega je, da nam omogoča ločeno ogrevanje in hlajenje, brez ventila, ki bi nam preklapljal tople in hladne dovode ter povratke. Še posebej je to uporabno v stavbah v prehodnih obdobjih, kjer želimo ob nekem času določen prostor segrevati, drugega pa hladiti [2][3].
Slika 2.1: Primer talnega konvektorja z naravno konvekcijo [3]
Slika 2.2: Primer talnega konvektorja s prisilno konvekcijo [3]
2.1.2 Ventilatorski konvektorji pritrjeni na stene, strop ali tla
Pri tovrstnih ventilatorskih konvektorjih imamo dve možni različni izvedbi. Ena je v prostoru popolnoma vidna, kjer so naprave montirane na stene, tla ali pod strop. Druga možna izvedba pa je podobna principu talnih konvektorjev, kjer je naprava skrita v dvojnem oz. spuščenem stropu ali temu primernem jašku. Tudi v tem primeru je poskrbljeno za estetiko, pomembna pa je primerna montaža. Odvodna rešetka kot tudi dovodni difuzor morata biti nameščena v stropu tako, da je do njiju možen relativno enostaven dostop, ter tako, da ti rešetki nista preblizu ali celo združeni.
Za razliko od večine talnih konvektorjev tovrstni ventilatorski konvektorji delujejo na principu prisilne konvekcije zraka, kjer zrak kroži skozi prenosnik toplote s pomočjo ventilatorja. Zaradi prisilne konvekcije učinkovito in prijetno oddajajo toploto in imajo tako boljšo učinkovitost kot navadni radiatorji – količina potrebne ogrevalne ali hladilne vode je manjša, so manjših dimenzij in manjše teže, so bolj varčni ter s sistemom za uravnavanje hitrosti ventilatorja ter prostorninskega pretoka grelne ali hladilne vode dosegamo toplotne potrebe prostora. Medtem ko pozimi prostor grejemo, ga lahko poleti, podobno kakor s klimatsko napravo, učinkovito tudi hladimo. Potrebna je le priprava hladne vode, potrebne za hlajenje zraka.
Tudi v tem primeru imamo možnost priklopa konvektorjev na enocevne ali dvocevne ogrevalne sisteme in prav tako jih lahko med seboj razdelimo na dvocevne in štiricevne.
Ventilator, ki je vgrajen v konvektor, lahko pri višjih hitrostih povzroča precej hrupa, po drugi strani pa je pri uravnoteženi hitrosti skoraj neslišen [2][4].
Slika 2.3: Primeri prostostoječih, stenskih, stropnih in stropno vgrajenih konvektorjev [5]
2.1.3 Komponente ventilatorskega konvektorja 2.1.3.1 Ventilator
Ventilator v konvektorju služi za proizvajanje prostorninskega pretoka zraka skozi cevni register in s tem omogoča prenos toplote ter posledično kroženje zraka po prostoru. Večina ventilatorjev je centrifugalnih; tj. takih, ki imajo lopatice zakrivljene naprej. Večina ventilatorjev je vgrajenih v ventilatorske palube ali pa so vgrajeni samostojno s svojim
elektromotorjem. Ohišja ventilatorjev so izdelana iz aluminijaste ali pocinkane pločevine, velikokrat pa se pojavljajo tudi plastična ohišja, narejena iz polimernih materialov (najlon, polipropilen). Elektromotorji ventilatorjev so dvo- ali štiripolni, izmeničnega toka, z močmi tudi do 200 W. Hitrost le-teh lahko nadzorujemo s potenciometrom 0‒ 10 V, to napetost pa s transformatorjev spravimo na ustrezno.
V ventilatorskih palubah so ventilatorji skupaj z elektromotorjem postavljeni v vrsto po dva ali tri in si delijo skupno gred. Možnost je tudi vgraditve dodatnih elektromotorjev.
Slika 2.4: Ventilatorske palube [1]
Ventilatorji, ki pa so vgrajeni s svojim elektromotorjem, pa so veliko bolj kompaktni. Večina proizvajalcev ventilatorskih konvektorjev uporablja to izvedbo, saj lahko dodajajo število ventilatorjev po želji. Edina slabost te izvedbe je, da motor, ki je vgrajen v notranjosti zmanjša učinkovitost, ker deluje kot ovira zraka, ki teče skozi. To lahko povzroči zmanjšan prostorninski pretok zraka ter hrup. Velika prednost te izvedbe pa je, da če en motor zataji, lahko naprava deluje še naprej, sicer z manjšo učinkovitostjo – velikokrat uporabniki tega sprva sploh ne opazijo, saj naprava še vedno zagotavlja dovolj dobro učinkovitost [1].
2.1.3.2 Prenosnik toplote – register
Prenosnik toplote znotraj ventilatorskega konvektorja se nanaša na prenos toplote iz prenosnega medija toplote (fluid), na zrak, ki potem ogreva prostor, v katerem se nahajamo.
Poznana je tudi možnost izvedbe, kjer so v prenosnik vgrajeni električni grelci, vendar se v praksi bolj uporablja prva izvedba. Registri so običajno izdelani iz bakrenih cevi ter aluminijastih reber/lamel, ki so pričvrščene oz. natisnjene na že omenjene cevi.
Prenosnik je običajno povezan z vodnim hladilnim oz. grelnim sistemom tako, da skozi prenosnik teče prenosni medij toplote (voda), preko aluminijastih reber pa ventilator potiska zrak, ki odnaša toploto vode in jo vnaša v prostor. Takemu principu prenosa toplote pravimo prisilna konvekcija. Pri ventilatorskih konvektorjih gre največkrat za kompaktne prenosnike toplote, za katere je značilna velika površina in velik prenos toplote na enoto volumna, majhni tokovni prehodi ter laminaren tok. [7]
Prenosniki toplote so lahko namenjeni tako gretju, kakor tudi hlajenju prostora. V primeru gretja, ki ga uporabljamo v bolj mrzlih mesecih leta (pozimi), skozi prenosnik pošiljamo toplo/vročo vodo, v primeru hlajenja, ki pa ga uporabljamo v toplejših mesecih (poleti) pa hladno/mrzlo vodo. To vodo moramo že prej ustrezno pripraviti z ostalimi načini gretja oz.
hlajenja vode. Za višjo dinamiko celotnega sistema je možnost tudi mešanja tople in hladne
vode z ustreznim regulacijskim ventilom. Prostorninski pretok vode skozi prenosnik ustvarja črpalka oz. črpalki za vodo.
Proizvajalci ventilatorskih konvektorjev velikokrat vgradijo kar dva prenosnika toplote.
Vsak je namenjen svojemu režimu delovanja: en prenosnik toplote je namenjen gretju prostora, drug pa hlajenju. V tem primeru ni potrebnega regulacijskega ventila, ki bi kontroliral vrsto vode, ki bi tekla skozi prenosnik. Potrebna je ustrezna regulacija črpalk, ki ustvarjajo različne prostorninske pretoke tople ali hladne vode skozi prenosnika toplote [1].
Slika 2.5: Register prenosnika toplote [1]
Prenosniki toplote se med seboj razlikujejo po načinu toka toplotnega medija skozi prenosnik. Poznamo prenosnike, kjer tok medije teče paralelno (istosmerno) ali pa protismerno.
Slika 2.6: Koncentrični prenosnik toplote: (a) paralelni tok, (b) protismerni tok [6]
Med seboj jih lahko razlikujemo tudi po obliki cevi in reber. Poznamo prenosnike z olameljenimi cevmi ali lamelnimi ploščami. Pri olameljenih ceveh poznamo kombinacije ploščatih ali okroglih cevi s kontinuiranimi ploščnimi lamelami ali okroglimi lamelami. Pri prenosnikih z lamelnimi ploščami pa imamo paralelne plošče z valovitimi rebri, med seboj pa se razlikujejo po tem, ali so namenjeni za enoji ali večkratni prehod.
Slika 2.7: Vrste prenosnikov: (a), (b), (c) Olameljene cevi, (c) Lamelne plošče za enojni prehod, (d) Lamelne plošče za večkratni prehod [6]
2.1.3.3 Regulacijske komponente
Komponente, s katerimi nadzorujemo prostorninski pretok vode skozi konvektor, so regulacijski ventili in aktuatorji. Za ročno regulacijo se uporabljajo navadni, ročni regulacijski ventili, če pa želimo dinamičen in izredno odziven ter prilagodljiv sistem, pa brez aktuatorjev tega ne moremo doseči.
Če želimo dvocevni porabnik, v našem primeru konvektor, priključiti na štiricevni sistem, potrebujemo preklopni ventil s šestimi priključki. Ta se lahko uporablja v kombinaciji s tlačno neodvisnim ventilom za hidravlično uravnoteženje. Način uporabe takšnega ventila je prikazan na spodnji sliki:
Slika 2.8: Način uporabe preklopnega ventila za hladilni in ogrevalni režim [8]
Slika 2.9: Preklopni ventil s šestimi priključki Danfoss ChangeOver 6 z NovoConom [9]
V primeru štiricevnega porabnika pa takšna regulacija ni potrebna. V takem primeru pa potrebujemo navaden regulacijski ventil za vsako vejo – hlajenje ali ogrevanje, s katerim nato reguliramo prostorninski pretok vode skozi konvektor. Na vsak regulacijski ventil lahko načeloma dodamo tudi aktuator, s katerim zagotovimo samodejno regulacijo.
Naslednja vrsta regulacije je preko kontrolorjev, ki pa so pogosto že vključeni poleg aktuatorjev. Gre namreč za različne PLC- in PID-kontrolorje, na katere vežemo tipala, ki jih razporedimo znotraj stavbe in prostor kot tudi zunaj stavbe. Kontrolorji omogočajo nadzor enega ali več porabnikov oz. konvektorjev, omogočajo pa tudi programljivost različnih režimov delovanja ob določenih pogojih.
Slika 2.10: Elektronski regulator z displejem in programsko kartico Danfoss ECL 296 [8]
2.1.3.4 Ostale komponente
Pod ostale komponente pa spadajo tiste komponente, ki zagotavljajo nemoteno delovanje ventilatorskih konvektorjev. Te so odtočni pladenj in črpalka za kondenzat. Te dve komponenti sta še posebej pomembni, če je konvektor nastavljen na režim delovanja tako gretja kot hlajenja. V takih primerih se začne nabirati kondenzat, ki ga moramo ustrezno odvajati v odtok. Ustrezno predpostavljeni morajo biti tudi filtri, ki filtrirajo zrak. Ti so še posebej pomembni, če skozi konvektor vnašamo svež zrak iz okolice in ga ne jemljemo neposredno iz prostora. Filtri preprečujejo vdor manjših delcev PM10 in PM2,5. V primeru pandemije, kot jo poznamo zdaj (COVID-19), mora biti zagotovljena ustrezna ventilacija prostorov, ki je predpisana po standardih.
Slika 2.11: Filtri zraka [1]
2.2 Prenos toplote znotraj konvektorjev
Prenos toplote predstavlja toplotno energijo, ki prehaja zaradi temperaturne razlike. Ta toplotna energija je lahko povzročena s translacijo, rotacijo in vibracijo ter elektronskim stanjem atomov in molekul, ki pa so gradniki same snovi.
Prenos toplote znotraj ventilatorskega konvektorja poteka predvsem na konvektiven način, torej s pretokom zraka preko prenosnika toplote (registra). Prenos toplote poteka deloma tudi s sevanjem.
2.2.1 Konvekcija
Konvekcija oz. prestop toplote je mehanizem prenosa toplote, sestavljena iz dveh drugih mehanizmov, in sicer kombinacije, vpliva snovnega gibanja (advekcije) ter naključnega gibanja na atomarnem nivoju (prevoda toplote – difuzije) [6][11].
Če poenostavimo: če obstaja površina, ki je toplejša od okoliškega zraka, ki to površino obdaja, toplota prestopa iz površine na zrak. Podobno se zgodi, ko je zrak v prostoru toplejši in odda toploto površini, ki je hladnejša.
Konvekcijo delimo na:
• naravno konvekcijo,
• prisilno konvekcijo.
Do naravne konvekcije pride zaradi razlik v gostoti zraka, ki se pojavljajo na različnih delih v prostoru. Različne gostote zraka pa so posledica različnih temperatur zraka in površin, okoli katerih ali nad katerimi teče zrak [12].
Prisilna konvekcija pa se kot mehanizem prenosa toplote pojavi v primeru gibanja toka fluida okoli površine, ki ga ustvarimo z mehanskimi napravami, kot so ventilatorji ipd. Ta vrsta prenosa toplote tudi prevladuje v našem primeru ventilatorskega konvektorja.
Slika 2.12: Primer konvekcije [6]
Če predpostavimo pogoje, predstavljene na Slika 2.12, fluid temperature 𝑇∞ obteka telo 𝐴𝑠 s hitrostjo 𝑣. Temperatura telesa je predpostavljena kot uniformna 𝑇𝑠, pri čemer temperaturi fluida in telesa nista enaki 𝑇𝑠 ≠ 𝑇∞. Zaradi razlike v temperaturi vemo, da pride do konvekcije. Celoten prenos toplote 𝑞 lahko dobimo z integriranjem lokalne gostote toplotnega toka 𝑞̇ preko celotne površine 𝐴𝑠 [6]:
𝑸 = ∫ 𝒒̇ 𝒅𝑨𝒔
𝑨𝒔
(2.1) Pri konvekciji upoštevamo Newtonov zakon hlajenja med površino 𝐴𝑠 temperature 𝑇𝑠 in fluidom:
𝒒̇ = 𝒉 (𝑻𝒔− 𝑻∞), (2.2)
kjer je 𝑞̇ gostota toplotnega toka (W/m2) in je proporcionalna razliki temperatur površine in fluida. Parameter ℎ je lokalni koeficient toplotne prestopnosti (W/m2⋅ K).
Celotni toplotni tok lahko zdaj zapišemo kot:
𝑸 = (𝑻𝒔− 𝑻∞) ∫ 𝒉 𝒅𝑨𝑨𝒔 𝒔, (2.3)
Ker pa se nam vzdolž površine tokovni pogoji (lokalna gostota toplotnega toka in lokalni koeficient toplote) spreminjajo, lahko celotni toplotni tok poenostavimo s povprečnim koeficientom toplotne prestopnosti:
𝑸 = 𝒉̅ ⋅ 𝑨𝒔⋅ (𝑻𝒔− 𝑻∞), (2.4)
kjer je ℎ̅ povprečni koeficient toplotne prestopnsti definiran kot:
𝒉̅ = 𝟏
𝑨𝒔∫ 𝒉 𝒅𝑨𝑨𝒔 𝒔. (2.5)
V primeru ventilatorskega konvektorja gre za tok zraka, ki obteka prenosnik toplote.
Konvekcijo prenosnika toplote po navadi računamo z metodo srednje logaritmične temperaturne razlike (LMTD). Na to izredno vplivata vstopna temperatura toplotnega medija in temperatura v prostoru.
𝚫𝑻𝒍𝒎=𝚫𝐓𝒐−𝚫𝑻𝒊
𝐥𝐧(𝜟𝑻𝒐
𝜟𝑻𝒊), (2.6)
kjer je Δ𝑇𝑙𝑚 srednja logaritmična temperatura, Δ𝑇𝑜 razlika temperatur zraka med eno in drugo stranjo prenosnika toplote in Δ𝑇𝑖 razlika temperatur medija toplote (vode), ki teče skozi prenosnik.
Newtonov zakon o hlajenju lahko za prenosnik toplote z uporabo srednje logaritmične temperaturne razlike med dvema fluidoma zapišemo kot:
𝑸 = 𝒌 ⋅ 𝑨 ⋅ 𝚫𝑻𝒍𝒎, (2.7) kjer se pojavi parameter 𝑘, ki določa koeficient specifične celotne toplotne prehodnosti. Le- ta je odvisen od velikosti in debeline reber ter premera cevi prenosnika toplote. Prehod toplote je »četrti« mehanizem prenosa toplote, gre pa za kombinacijo dveh mehanizmov prenosa toplote – konvekcije in prevoda toplote. Prehod toplote je povzročen z dvema fluidnima tokovoma zaradi vmesne trdne stene, potencialnega olameljenja na obeh straneh, površinske upornosti ter nesnage. Koeficient toplotne prehodnosti določimo z enačenjem koeficientov prehodnosti toplega in hladnega dela fluidov na zunanji in notranji strani prenosnika toplote:
𝟏 𝒌𝑨=(𝒌𝑨)𝟏
𝒄=(𝒌𝑨)𝟏
𝒉= 𝑹𝒂+ 𝑹𝒔𝒕+ 𝑹𝒘, (2.8)
kjer je 𝑅𝑎 toplotna upornost zraka na zunanji strani prenosnika, 𝑅𝑤 toplotna upornost toplotnega medija (vode) na notranji strani prenosnika ter 𝑅𝑠𝑡 toplotna upornost cevi.
Toplotni medij v prenosniku je največkrat voda, ki pa je mnogo bolj učinkovita za prenos toplote od zraka, ki obteka prenosnik. To pomeni, da za enak hladilni učinek potrebujemo večji pretok zraka in posledično obsežnejši sistem kanalov v prenosniku. Specifična toplota na kilogram vode je namreč 4,2-krat večja od specifične toplote zraka [12].
Masni pretok vode v ceveh prenosnika izberemo tako, da dosežemo želeno izstopno temperaturo pri določeni vstopni temperaturi vode. Za učinkovit prestop toplote v ceveh prenosnika pa moramo pri vseh načrtovanih razmerah zagotoviti tudi turbulentni tok, namreč pri turbulentnem toku je prestop toplote bistveno večji kakor pri laminarnem toku.
Ustrezen turbulenten tok določimo preko hidrodinamične mejne plasti – tanke plasti, pri kateri so hitrostni gradienti in strižne napetosti velike.
Slika 2.13: Laminaren in turbulenten tok [6]
Aproksimacija mejne plasti nam omogoča določiti koeficient toplotne prestopnosti ℎ, ki je funkcija različnih parametrov: ℎ = 𝑓(𝜆, 𝑐𝑝, 𝜌, 𝜇, 𝑣, 𝐿), in sicer koeficienta toplotne
prevodnosti 𝜆, izobarne specifične kapacitete 𝑐𝑝, gostote fluida 𝜌, koeficienta trenja 𝜇, hitrosti fluida 𝑣 ter karakteristične dimenzije cevi oz. ovire 𝐿.
Eksaktno je toplotno prestopnost ℎ z uporabo kontinuitetne, momentne in energijske enačbe za mejno plast izjemno zahtevno izračunati. Zato za izračun le-te uporabimo empiričen način, pri katerem si pomagamo z uporabo Buchinghamovega 𝜋 teorema in brezdimenzijskimi števili:
• lokalno Nusseltovo število – 𝑁𝑢𝑥= 𝑓(𝑥∗, 𝑅𝑒𝑥, 𝑃𝑟) → 𝑁𝑢 =ℎ𝐿
𝜆𝑓 (𝑥∗ = 𝑥/𝐿),
• povprečno Nusseltovo število – 𝑁𝑢̅̅̅̅ = 𝑓(𝑅𝑒𝐿, 𝑃𝑟) → 𝑁𝑢̅̅̅̅ =ℎ̅𝐿
𝜆𝑓,
• Prandtlovo število – 𝑃𝑟 = 𝜈
ℎ,
• Reynoldsovo število – 𝑅𝑒𝑥= 𝜌𝑢∞𝑥
𝜇 .
Za turbulentni tok velja, da je Reynoldsovo število za notranje tokove 𝑅𝑒 > 2900, za zunanje pa 𝑅𝑒 > 5 × 105, da se ustrezno vzpostavi mejna hidrodinamična plast [10].
2.3 Regulacija in nadzor delovanja
Regulacija je postopek, pri čemer želimo vplivati na določeno fizikalno veličino, bodisi tlak, temperaturo, nivo, vlažnost, energijo ipd., tako da dosežemo vnaprej načrtovano vrednost.
Pri tem ves čas zajemamo vrednosti dveh veličin – in sicer regulirno veličino ter uvajalno veličino ter ju med seboj primerjamo s prilagajanjem ene na drugo. Regulacija poteka v zaprto zančni strukturi – v zaprtem krogu regulirna veličina na poti učinkovanja regulirnega kroga neprekinjeno vpliva sama nase.
2.3.1 Vodni ogrevalni krog
V našem primeru želimo regulirati vodni ogrevalni krog – gre za ogrevalni krog, kjer se voda uporablja kot prenosni medij toplote (oz. hladu). Primer takšnega najosnovnejšega kroga je prikazan na spodnji sliki z vsemi najpomembnejšimi komponentami.
Slika 2.14: Vodni ogrevalni krog. (a) Slikovni diagram, (b) Shematski diagram [13].
V našem primeru si za porabnik toplote lahko predstavljamo konvektor. S primerno regulacijo delovanja konvektorja učinkovito reguliramo temperaturo v prostoru, za katero pa želimo zagotoviti najmanjše odstopanje od želene temperature. Za uspešno reguliranje ventilatorskih konvektorjev, moramo obravnavati in upoštevane številne veličine:
• vstopna in izstopna temperatura vode,
• izmerjena temperatura prostora,
• želena temperatura prostora,
• masni pretok vode skozi prenosnik toplote,
• število vrtljajev oz. hitrost vrtenja ventilatorja,
• zunanja temperatura.
Na podlagi teh veličin reguliramo temperaturo v prostoru s prilagajanjem osnovnih regulacijskih elementov, ki jih imamo v konvektorskem vodnem sistemu. Te osnovni elementi so:
• regulacijski ventili z aktuatorji,
• ventilator konvektorja,
• obtočna črpalka oz. regulator masnega ali volumskega pretoka,
• regulacijski kontrolerji s senzorji oz. tipali/zaznavali.
2.3.1.1 Regulacijski ventili z aktuatorji
Regulacijski ventil je na Slika 2.14 nameščen takoj za napravo, ki pripravlja toplo oz. hladno vodo. Povezan je na senzoriko, ki meri temperaturo v prostoru. Glede na vrednosti, ki jih pridobi tipalo, se ventil primerno odpira ali zapira. Voda v tem primeru steče po »bypass«
cevi v povratni vod in tako nazaj v napravo za pripravo vode.
Velikokrat, sploh v primeru ventilatorskih konvektorjev, pa se tovrstni regulacijski ventili uporabljajo za regulacijo samega masnega ali volumskega pretoka in tako nadomestijo prilagajanje obtočne črpalke in dodatnih regulatorjev pretoka.
Primarna naloga regulacijskih ventilov je torej regulacija masnega pretoka vode, ki teče skozi prenosnik toplote v konvektorju. Pretok se prilagaja s hodom ventila, le-ta pa je določen na podlagi karakteristike ventila oz. aktuatorja – 𝑘𝑣.
2.3.1.2 Ventilator
S številom vrtljajev oz. hitrostjo vrtenja ventilatorja reguliramo pretok zraka, ki obteka prenosnik toplote v konvektorju, da pride do primernega prenosa toplote s konvekcijo. Kot je bilo že omenjeno zgoraj, potrebujemo za večji grelni ali hladilni učinek večji pretok zraka.
Ventilatorji v konvektorju imajo največkrat tri tovarniške nastavitve, kar omogoča samo tri hitrosti ventilatorja. Mogoče pa je ventilator priklopiti na potenciometer od 0 do 10 V, in s tem pridobimo »neskončno mnogo« hitrosti. Hitrost ventilatorja se lahko prilagaja neposredno iz tipala, ki ga vsebuje že sam konvektor, lahko pa se regulacijo ventilatorja priključi na sobno ali centralno nadzorno enoto.
2.3.1.3 Temperaturna zaznavala
Temperaturna zaznavala/tipala/senzorji so izrednega pomena pri regulaciji, saj na podlagi teh določamo odstopke med regulirno temperaturo in želeno temperaturo prostora. Ločimo več temperaturnih zaznaval glede na to, kam so postavljena:
• temperaturna zaznavala v konvektorju,
• temperaturna zaznavala v prostoru,
• zunanja temperaturna tipala.
Pomembno je, da so temperaturna zaznavala ustrezno povezana z nadzornimi enotami – kontrolerji ter da so postavljena na primerna mesta. Notranjih zaznaval ne nameščamo na lokacije, kjer prihaja do izvorov toplote oz. hladu (poleg svetil in aparatov, vrat in oken …) ter na lokacije, kamor lahko posije sonce. Prav tako mora biti zagotovljeno zadostno kroženje zraka, zato zaznaval nikakor ne postavljamo za ovire, kot so pohištvo in zavese.
Zunanja zaznavala pa uporabljamo v primeru, ko želimo imeti vremensko vodeno regulacijo, kar pomeni, da se nam v čezmerno mrzlih oz. toplih dneh naprava za proizvodnjo tople ali hladne vode avtomatsko prižge. Nameščena morajo biti na severni ali severozahodni steni stavbe in na določeni višini, zato da hladna tla ne vplivajo na tipalo. Prav tako morajo biti
zavarovana pred vremenom in umazanijo ter ne smejo biti izpostavljena dodatni toploti ali hladu [14].
2.3.2 Regulacijski načini
Temperaturo v prostoru lahko v primeru konvektorjev reguliramo s prilagajanjem hitrosti ventilatorja in/ali odprtosti ventilov. S hitrostjo ventilatorja reguliramo velikost prenosa toplote iz toplotnega medija v prostor, s hodom ventilov pa reguliramo volumski pretok vode v prenosnik toplote v konvektorju.
Poznamo različne načine regulacije [12][15]:
• ročna regulacija,
• samodejna regulacija:
▪ on/off (vklop/izklop),
▪ časovno proporcionalni vklop/izklop,
▪ proporcionalna regulacija (P-člen)
▪ proporcionalna-integralna regulacija (PI-člen),
▪ proporcionalna-integralna diferencialna regulacija (PID-člen).
Pri ročni regulaciji sodeluje človek, ki prevzame nalogo vsaj enega člena v regulirnem krogu.
Na podlagi zajetih vrednosti in nekoliko lastne presoje in izkušenj prilagaja nastavitve.
Pri samodejni regulaciji pa vsi postopki v regulirnem krogu potekajo samodejno, brez prisotnosti človeka.
2.3.2.1 Regulacija vklop/izklop
Gre za osnovni način regulacije v kateremkoli sistemu, ki ga želimo regulirati. Pri tem načinu regulacije imamo samo dve stopnji – prva je vklop (npr. popolnoma odprt ventil – popoln prostorninski pretok toplotnega medija), druga pa izklop (npr. popolnoma zaprt ventil – ni prostorninskega pretoka toplotnega medija). Zaradi samo dveh stopenj prihaja do velikih temperaturnih oscilacij in odstopanj, saj tovrstni način regulacije ne prilagaja temperature prostora dovolj hitro želeni temperaturi.
2.3.2.2 PID-regulacija
P-člen oz. proporcionalni regulator naprave pa ima več stopenj delovanja. Namen tega je čim natančnejše uravnavanje želenih veličin. Če se spet osredotočimo na pretok skozi ventil, P-člen aktivno uravnava lego ventila in s tem tudi posledično pretok toplotnega medija na zvezen način. Ker želimo s pretokom regulirati temperaturo, se delovanje ventila prilagaja proporcionalni razliki med dejansko in želeno temperaturo v prostoru. Pri največji temperaturni razliki je tako signal največji, kar rezultira v celoti odprtem ventilu, pri manjših temperaturnih razlikah pa se tako signal kot tudi odprtost ventila sorazmerno zmanjšujeta.
Podobno je s hitrostjo ventilatorja, kadar ga imamo nastavljenega na delovanje s potenciometrom. Pri proporcionalni regulaciji vse aktuatorje in potenciometre reguliramo z nizko napetostjo 0‒ 10 V.
Proporcionalni regulator žal ne odpravi razlike med dejansko in želeno temperaturo zraka v prostoru v celoti, zato so se pojavili tudi druge vrste regulatorjev, kot je npr. PI-regulator. V
tem primeru gre prav tako za proporcionalni regulator, ki pa ima dodatno vgrajeno integralno funkcijo, ki spreminja odvisnost proporcionalnega signala tako, da v določenem časovnem intervalu zmanjša razliko med dejansko in želeno temperaturo zraka v prostoru.
Za še dodatno in boljšo natančnost so se pojavili PID-regulatorji, ki imajo dodan diferencialni člen. Le-ta nam omogoča najhitrejše odzive in s tem povezano zelo majhna nihanja temperature, če so vsi parametri pravilno nastavljeni.
Slika 2.15: Shematski prikaz regulacije s PID-regulatorji [15]
Na Slika 2.15 je prikazana regulacija s P-, PI- ali PID-regulatorji, pri kateri se pojavljajo spremenljivke 𝑥, 𝑤, 𝑦, 𝑦𝑅, 𝑟 in 𝑧. 𝑥 predstavlja regulirno veličino, 𝑤 vodilno veličino, 𝑦 izvršno veličino, 𝑦𝑅 izhodiščno regulirno veličino, 𝑟 povratno veličino in 𝑧 motilno veličino.
PID-regulatorji delujejo po enačbi [16]:
𝒙 = 𝑲 ⋅ (𝑻ž− 𝑻𝒎) +𝑲𝒊
𝑻𝒊∫(𝑻ž− 𝑻𝒎)𝒅𝒕 + 𝑲𝒅⋅ 𝑻𝒅𝒅(𝑻ž− 𝑻𝒎)
𝒅𝒕 (2.9)
Vrednost 𝑥 je torej regulirana veličina, 𝑇ž želena temperatura prostora, 𝑇𝑚 pa izmerjena temperatura v prostoru, ki jo izmeri merni organ – temperaturno zaznavalo. Enačba je sestavljena iz treh členov.
Prvi člen je proporcionalni člen P in je v primeru P-regulatorjev to edini člen, ki upravlja regulator. Parameter 𝐾 predstavlja proporcionalni dejavnik statističnega ojačanja.
Drugi člen je integralni člen I in predstavlja integralno zanko, kjer je koeficient 𝐾𝑖
𝑇𝑖 koeficient integralnega ojačanja. Člena 1 in 2 sestavljata PI-regulatorje.
Zadnji, tretji člen je diferencialni D-člen in predstavlja diferencialno zanko, kjer je 𝐾𝑑 koeficient diferencialnega ojačanja, 𝑇𝑑 pa diferencialna časovna konstanta. Vsi trije členi tako sestavijo PID-regulator.
1. člen 2. člen 3. člen
Slika 2.16: Odzivi P, PI in PID regulatorjev [16]
2.3.3 Karakteristike
Vprašanje, ki se nam zastavlja, je, kaj in kdaj je regulacija dobra in učinkovita. Odgovor je preprost, in sicer regulacija je dobra, kadar imamo popoln nadzor nad sistemom. Popoln nadzor nad sistemom pa imamo, kadar je karakteristika sistema linearna. V primeru linearne karakteristike je moč celotnega sistema proporcionalna spremembi kontrolnega signala in tako enostavno dosežemo stabilnost sistema. V primeru nelinearne karakteristike sistema pa se načeloma sistem odziva popolnoma drugače, prihaja do nestabilnosti in oscilacij v določenih področjih, samo stabilnost pa je težko doseči zaradi nenatančnosti.
Karakteristiko sistema sestavljata karakteristika ventilatorskega konvektorja in karakteristika ventila oz. aktuatorja. Prva, karakteristika ventilatorskega konvektorja, je načeloma fiksna in se nanjo s slednjo, tj. karakteristiko ventila, prilagajamo tako, da dosežemo linearno karakteristiko celotnega sistema.
2.3.3.1 Karakteristika ventilatorskega konvektorja
Karakteristika ventilatorskega konvektorja je prikazana kot graf grelne ali hladilne moči konvektorja v odvisnosti od prostorninskega pretoka vode, ki teče skozi prenosnik toplote v konvektorju. Ker ima konvektor različne nastavitve hitrosti, dobimo različne karakteristike za različne hitrosti delovanja ventilatorja.
Karakteristika opisuje, da večji kot je prostorninski pretok vode skozi prenosnik toplote v konvektorju, večja je moč, ki jo konvektor da od sebe. Prav tako večja kot je hitrost ventilatorja, večja je celotna moč ventilatorskega konvektorja.
Karakteristika se popolnoma sklada s pričakovanji mehanizma prenosa toplote – konvekcije, ki je opisana že v zgornjem poglavju. Seveda pa je sama konstrukcija naprave ključnega pomena za karakteristiko le-te. Večji kot je konvektor, večje volumske pretoke vode zahteva in s tem se poveča moč konvektorja.
Diagram 2.1: Teoretična karakteristika ventilatorskega konvektorja pri različnih hitrostih ventilatorja [17]
2.3.3.2 Karakteristika sistema
Cilj končnega uporabnika je, da bo imel zagotovljeno temperaturo prostora ali cone brez večjih nihanj in da bo temperatura okolja ravno pravšnja za delo ali bivanje. Z navadnimi komponentami v sistemu je takšne pogoje težko zadostiti, zaradi tega pa velikokrat prihaja do reklamacij. V prostorih dobivamo različne motnje:
• »Room load« ‒ motnje odvisne od zunanjih vplivov, kot so prisotnost ljudi v prostoru, sevanje sonca ipd.
• »System load« ‒ motnje odvisne od stanja v sistemu – odpiranje/zapiranje ventilov ipd.
Z odpiranjem in zapiranjem ventilov za regulacijo volumskega pretoka vode skozi ventilatorski konvektor ustvarimo spremembo tlaka v sistemu. V primeru uporabe tlačno odvisnih ventilov nam to lahko poruši ravnovesje v stavbi. Zato so bili razviti tlačno neodvisni ventili, ki prilagajajo pretok po conah tako, da je zagotovljen ravno pravšnji pretok, ki ga potrebujemo.
Da zagotovimo dobro kontrolo nad sistemom, potrebujemo linearno karakteristiko le-tega, saj je na ta način programiranje programske opreme, ki upravlja delovanje konvektorja in volumskega pretoka, enostavnejša, in sicer gledano s strani, da je odziv (𝑑𝑦
𝑑𝑥) na grafu karakteristike sistema vedno enak, ne glede na obremenitev sistema. Tovrstno karakteristiko pa lahko zagotovimo le s poznavanjem karakteristike naše ogrevalne oz. hladilne enote –
torej fan-coila. Na podlagi te lahko manipuliramo karakteristiko ventila/aktuatorja, da dobimo linearno karakteristiko sistema.
Slika 2.17: Karakteristike in dober nadzor sistema [18]
2.3.3.3 Karakteristika ventila
Slika 2.17 prikazuje osnovno karakteristiko ventilatorskega konvektorja, ki je logaritmična.
Ta se seveda spreminja glede na nastavitve le-tega, torej kakšna je razlika med vstopno in izstopno temperaturo vode Δ𝑇 in hitrostjo ventilatorja.
Kot je bilo že omenjeno, lahko na podlagi karakteristike fan-coila sklepamo karakteristiko ventila. Da dobimo linearen odziv sistema, potrebujemo ravno obratno karakteristiko ventila, kot jo ima naš konvektor. Ker se karakteristika konvektorja, kot je bilo že omenjeno, lahko spreminja, moramo tako manipulirati tudi s karakteristiko ventila, da ne pride do odstopanj.
Slika 2.18: Končne karakteristike [18]
Z ustreznimi karakteristikami, ki jih prikazuje Slika 2.18, navsezadnje pripomore pri zmanjšanju stroškov. Z uporabo primernih tlačno neodvisnih ventilov, kot je npr. Danfossov AB-QM ventil, imamo tako manj preračunov (𝑘𝑣 – kapaciteta ventila), manj komponent, ki jih je treba vgraditi (manjši stroški montaže, saj ni potrebnih ventilov za balansiranje in reguliranje) in navsezadnje imamo manjše izgube energije (manjša poraba energije črpalke, boljša učinkovitost bojlerja/chillerja, boljša nastavitev želene temperature), hkrati pa lahko natančneje nadzorujemo porabo energije.
Slika 2.19: Nihanje temperature pri navadnih tlačno odvisnih in novih tlačno neodvisnih ventilih [18]
Slika 2.19 prikazuje cono udobja človeka, ki se spreminja glede na počutje samega človeka ter glede na vremenskih podatkih okolice – temperature, vlažnosti, zračnega tlaka, sončnega obsevanja ipd. Z ventili poskušamo uravnavati volumski pretok vode tako, da je nihanje temperature čim manjše, najpomembnejše pa je, da je znotraj cone udobja človeka. Ne samo da imamo z novimi, tlačno neodvisni ventili veliko zgoraj opisanih prednosti, lahko s temi bolj učinkovito in natančno približamo želeni nastavljeni temperaturi znotraj cone udobja.
3 Metodologija raziskave
Za določitev karakteristike ventilatorskega konvektorja bomo uporabili evropski standard, ki popisuje proceduro izvajanja testiranj performanse vodnih ogrevalnih krogov s fan-coili, prEN 1397:2020. Ta standard nadgradi že obstoječi standard EN 1397:2015. V naslednjih poglavjih bodo predstavljene podrobnosti uporabe standarda, eksperimentalno preizkuševališče ter potek izvedbe meritev.
3.1 Standard prEN 1397:2020
Standard se navezuje na vodne fan-coil enote (FCU) oz. ventilatorske konvektorje, ki omogočajo funkcijo hlajenja in/ali ogrevanja prostora, ampak sami po sebi niso vir proizvajanja toplote. Prav tako se standard navezuje na vse vrste kontrole hitrosti ventilatorja, ki je vgrajen v konvektor, bodisi tri tovarniške nastavitve ali priklop na potenciometer.
Standard zahteva, da se uporablja izključno ogrevanje ali hlajenje zraka znotraj prostora brez dodatnega svežega zraka iz okolja. Če je konvektor priklopljen na zunanji sveži zrak, se mora loputa le-tega zapreti.
Ker standard zahteva izvajanja testa v zaprti komori, kjer ni vdorov ostalih virov toplote ali hladu, standard predstavi metodo, kjer se smatra energijska bilanca, prikazana na spodnji sliki:
Slika 3.1: Energijska bilanca konvektorja [19]
kjer so:
• 𝐹𝐶𝑈 – ventilatorski konvektor (Fan-Coil Unit),
• 𝐴 – dovod zraka,
• 𝐵 – odvod zrak,
• 𝐶 – dovod toplotnega medija (voda),
• 𝐷 – odvod toplotnega medija (voda),
• 𝐸 – totalna vhodna električna moč,
• 𝐹 – stopnja kondenziranja.
Energijska bilanca je pridobljena po naslednji enačbi [19]:
𝑨 + 𝑪 + 𝑬 = 𝑫 + 𝑩 + 𝑭 (3.1)
3.1.1 Hladilna moč konvektorja
Entalpijo kondenzata 𝐹 je izredno težko ovrednotiti, saj temperature ne moremo natančno meriti, prav tako pa je vrednost zelo majhna v primerjavi z ostalimi členi enačbe energijske bilance ventilatroskega konvektorja. Zato lahko predpostavimo, da člen stopnje kondenziranja pri meritvah zanemarimo.
Na podlagi te predpostavke je hladilna moč konvektorja 𝑃𝐶, merjena v Wattih [W], določena kot hladilna kapaciteta, merjena na vodni strani, od katere odštejemo totalno vhodno električno moč, ki jo porabi ventilator:
𝑷𝑪= 𝒒𝒎𝑳× (𝒉𝑳𝟐− 𝒉𝑳𝟏) − 𝑷𝒆𝒍𝒆𝒄𝑪 (3.2)
kjer je:
• 𝑞𝑚𝐿 – masni pretok vode v enotah g
s,
• ℎ𝐿2 – specifična entalpija vode na odvodnem priključku v enotah kJ
kg,
• ℎ𝐿1 – specifična entalpije vode na dovodnem priključku v enotah kJ
kg,
• 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝐶 – totalna vhodna električna moč v enotah W.
3.1.2 Grelna moč konvektorja
Grelna moč konvektorja 𝑃𝐻, merjena v Wattih [W], je določena kot grelna kapaciteta, merjena na vodni strani, ki ji prištejemo še totalno vhodno električno moč, ki jo porabi ventilator:
𝑷𝑯= 𝒒𝒎𝑳× (𝒉𝑳𝟏− 𝒉𝑳𝟐) + 𝑷𝒆𝒍𝒆𝒄𝑯 (3.3)
V enačbi nastopajo iste veličine, pri čemer pa je totalna vhodna električna moč v W, ki jo porabi ventilator, označena kot 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝐻.
3.2 Eksperimentalno preizkuševališče
Meritve so bile izvedene v prostorih Laboratorija za ogrevalno, sanitarno in solarno tehniko ter klimatizacijo (LOSK) na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani. V teh prostorih se nahaja tudi komora, v kateri smo izvajali meritve.
3.2.1 Eksperimentalna komora
Meritve karakteristike ventilatorskega konvektorja smo izvedli v komori, ki je oblazinjena z izolacijsko peno (»Armaflex«). Notranje stene komore so iz radiatorjev, ki omogočajo simulacijo zunanjih vplivov gretja ali hlajenja. V notranjosti je bil naknadno s strani podjetja Danfoss Trata postavljena konvektorska enota z vso potrebno inštalacijo – cevi, ventili, črpalke, senzorika itd. Vse meritve se beležijo na centralni nadzorni enoti, postavljeni pred komoro. Program nadzorne enote je napisan v programu LabView, enota pa omogoča tudi samodejno regulacijo s PID-i.
Slika 3.2: Eksperimentalno preizkuševališče – komora
Na sliki so s številkami označeni:
• 1 – z izolacijo oblazinjena komora,
• 2 – konvektorska enota,
• 3 – miza na in pod katero se nahajajo dovodni in povratni priključki cevi, obtočne črpalke, ventili ter senzorji za tlak,
• 4 – notranje stene, tla in stop komore iz radiatorjev,
• 5 – centralna nadzorna enota z merilno kartico in PID-i.
Komora je dimenzij dolžine 4,3 m, širine 4,1 m in višine 2,9 m, kar nanese površine 17,6 m2 oz. prostornine 51,1 m3. Poleg tega pa za izvajanje eksperimenta potrebujemo še naprave za pripravo tople ali hladne vode, vse cevne povezave ipd., tako da samo preizkuševališče zavzame precejšen del laboratorija.
3.2.1.1 Konvektorska enota
Ventilatorski konvektor, ki se uporablja za meritve karakteristike, je italijanskega proizvajalca Aermec, model FCZI 300 UFBV, za vidno namestitev stoječe ali ležeče ter omogoča priklop na 4-cevni sistem. Ima vgrajen 3-redni hladilni prenosnik z ločenim enorednim prenosnikom z možnostjo obračanja. Zrak zajema na sprednji strani ohišja, vgrajen pa ima tudi inverterski motor.
Slika 3.3: Izbran ventilatorski konvektor AERMEC FCZI 300 UFBV [5]
V komori je konvektor pritrjen ležeče na strop brez ohišja, za lažji priklop cevi in morebitne modifikacije, ki bi bile potrebne tekom meritev. Konvektor je povezan na dvocevni sistem, ogrevalni ali hladilni režim pa se spreminja s primernim tripotnim ventilom. Volumski pretok regulira tlačni ventil z aktuatorjem, ki je povezan s centralno nadzorno enoto.
Konvektor je dimenzij:
• višina – 𝐴 = 453 mm,
• širina – 𝐵 = 793 mm, 𝐶 = 753 mm,
• globina – 𝐶 = 216 mm,
• masa – 𝑚 = 14 kg.
Slika 3.4: Dimenzije konvektorja [20]
Slika 3.5: Konvektorska enota Na sliki so s številkami prikazani naslednji elementi:
• 1 – konvektor AERMEC FCZI 300 UFBV,
• 2 – dovodna cev v konvektor (označena z rdečo barvo),
• 3 – povratna cev iz konvektorja (označena z modro barvo),
• 4 – ekspanzijska posoda Zilmet 𝑉 = 8 L,
• 5 – tlačno neodvisni regulacijski ventil za volumski pretok Danfoss AB-QM z aktuatorjem Danfoss NovoCon S,
• 6 – ventil za preklop med ogrevalnim in hladilnim krogom/režimom Danfoss ChangeOver6,
• 7 – merilci razlike tlake med eno in drugo stranjo regulacijskega ventila volumskega pretoka HubaControl,
• 8 – merilnik volumskega pretoka KROHNE OPTIFLUX 1000 z »Data Logger-jem«
KROHNE IFC 100,
• 9 – obtočni črpalki (vsaka za posamezen ogrevalni ali hladilni krog – označeni z rdečo za ogrevalni in modro za hladilni režim) Wilo-VeroLine-IP-E,
• 10 – posoda za kondenzat.
