Doseganje temperaturnega ugodja v prostoru z regulacijo hladilne moči ventilatorskega konvektorja

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Doseganje temperaturnega ugodja v prostoru z regulacijo hladilne moči ventilatorskega

konvektorja

Diplomsko delo Visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje STROJNIŠTVO

Matej Franetič

Ljubljana, avgust 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Doseganje temperaturnega ugodja v prostoru z regulacijo hladilne moči ventilatorskega

konvektorja

Diplomsko delo Visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje STROJNIŠTVO

Matej Franetič

Mentor: prof. dr. Uroš Stritih, univ. dipl. inž.

Ljubljana, avgust 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

v

Zahvala

Zahvalil bi se mentorju profesorju Urošu Stritihu za vso pomoč pri diplomskem delu in za njegovo hitro odzivnost pri nastalih problemih.

Za podporo, kot tudi pomoč pri meritvah, bi se rad zahvalil Dejanu Burji in Matiji Matičiču iz podjetja Danfoss Trata, s katerima smo sodelovali pri nastavitvah proge za hlajenje.

Nazadnje bi se rad zahvalil staršema in sestri za vso izkazano podporo ter spodbujanje v času študija na Fakulteti za strojništvo.

(10)

vi

(11)

vii

Izjava

(12)

viii

(13)

ix

Izvleček

UDK 697.97:536.58(043.2) Tek. štev.: VS I/914

Doseganje temperaturnega ugodja v prostoru z regulacijo hladilne moči ventilatorskega konvektorja

Matej Franetič

Ključne besede: PID regulacija

dvostopenjska regulacija hlajenje

temperaturno ugodje regulacija temperature regulacijski sistemi

Raziskovali smo vpliv načina regulacije hladilne moči na temperaturno ugodje v prostoru in na delovanje sistema za hlajenje. Na novo postavljeni progi za hlajenje in ogrevanje smo testirali razliko med zvezno in dvostopenjsko regulacijo temperature. Želeli smo ugotoviti, kakšno je nihanje temperature prostora in potreben pretok za izbrano regulacijo sistema.

Na rezultatih meritev smo pokazali boljše specifikacije zvezne regulacije tako iz vidika prihrankov na sistemu, kot iz vidika temperaturnega ugodja v prostoru. Pretok se je zmanjšal s PID regulacijo zaradi manjšega nihanja sistema. Prikazali smo vpliv notranjih toplotnih dobitkov na regulacijo in stabilnost sistema.

(14)

x

(15)

xi

Abstract

UDC 697.97:536.58(043.2) No.: VS I/914

Achieving temperature comfort in the room by regulating the cooling power of fan coil

Matej Franetič

Key words: PID regulation two-stage regulation cooling

temperature comfort temperature regulation control systems

We researched the influence of the method of cooling power regulation on the room comfort and the operation of the cooling system. We tested the difference between continuous and two-stage temperature control on the newly installed cooling and heating line. We wanted to see the fluctuation of the room temperature and the required flow for the selected system control.

The results of the measurements showed better specifications of continuous regulation both in terms of savings on the system and in terms of temperature comfort in the room. The flow was reduced with PID control, due to less system oscillation. We have shown the influence of internal heat gains on the regulation and stability of the system.

(16)

xii

(17)

xiii

Kazalo

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov ... xix

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxi

1 Uvod ... 1

1.1. Ozadje problema ... 2

1.2. Cilji ... 2

2 ON/OFF in PID regulacija ... 3

2.1. ON/OFF regulacija ... 4

2.2. PID regulacija ... 5

3 Temperaturno ugodje ... 7

4 Notranji toplotni dobitki ... 9

5 Prihranki na sistemu hlajenja... 13

5.1. Preračuni ... 15

5.2. Eksperimentalni del ... 17

5.2.1. Eksperimentalna komora ... 17

5.2.2. Izvajanja meritev ... 19

5.2.2.1. Meritve primerjav regulacij ... 22

5.2.2.2. Meritve toplotnih dobitkov ... 22

5.2.3. Določitev vhodnih parametrov ... 24

Določitev karakteristik elementov sistema ... 26

6 Izračuni ... 27

6.1. Prihranki na sistemu hlajenja ... 27

6.2. Izračun notranjih dobitkov ... 31

(18)

xiv

7 Rezultati in diskusija ... 33

7.1. Primerjava temperaturnih ugodij ... 33

7.2. Pretok medija v primerjavi regulacij ... 36

7.3. Odprtost ventila v primerjavi regulacij ... 38

7.4. Motnje sistema ... 40

7.4.1. Sprememba temperature termostata ... 40

7.4.2. Notranji toplotni dobitki ... 43

8 Zaključki ... 47

Literatura ... 49

(19)

xv

Kazalo slik

Slika 1.1: Predstavitev porabe hladilne moči objekta [1] ... 2

Slika 2.1: ON/OFF regulacija in njeni parametri [4]... 4

Slika 2.2: Zvezna regulacija in njeni parametri [4] ... 5

Slika 3.1: Občutena temperatura določenih delov človeka [7]... 8

Slika 3.2: Stopnje ugodja v prostoru ... 8

Slika 4.1: Primerjava toplotne obremenitve prostora v primeru prisotnosti grelca ali ljudi [8] ... 11

Slika 5.1: Poraba energije na sistemu hlajenja [9] ... 14

Slika 5.2: Sistem za ogrevanje in hlajenje ... 17

Slika 5.3: Shematski prikaz sistema za hlajenje ... 18

Slika 5.4: Shema procesa s PID regulatorjem [10] ... 19

Slika 5.5: Shema procesa z dvostopenjskim regulatorjem [10] ... 20

Slika 5.6: Delovanje posamezne regulacije glede na načrtovani pretok [9] ... 21

Slika 5.7: Testiranje notranjih toplotnih dobitkov ... 23

Slika 5.8: Karakteristike elementov sistema hlajenja [10] ... 26

Slika 6.1: Odčitane vrednosti izkoristka črpalke Willo-VeroLine-IP-E [18] ... 28

Slika 7.1: Nihanje temperature prostora ... 34

Slika 7.2: Nihanje temperature vpiha zraka ... 35

Slika 7.3: Pretok medija v ventilatorskem konvektorju za dvostopenjsko regulacijo ... 36

Slika 7.4: Pretok medija v ventilatorskem konvektorju za zvezno regulacijo ... 37

Slika 7.5: Odprtost regulacijskega ventila pri dvostopenjski regulaciji ... 38

Slika 7.6: Odprtost regulacijskega ventila pri zvezni regulaciji ... 39

Slika 7.7: Sprememba nastavljene temperature prostora ... 40

Slika 7.8: Sprememba temperature vpiha zraka v prostor ... 41

Slika 7.9: Sprememba pretoka medija skozi konvektor ... 42

Slika 7.10: Sprememba odprtosti regulacijskega ventila ... 42

Slika 7.11: Nihanje temperature prostora pri notranjih toplotnih dobitkih ... 43

Slika 7.12: Nihanje temperature vpiha pri notranjih toplotnih dobitkih ... 44

Slika 7.13: Krivulja nihanja pretoka medija pri notranjih toplotnih dobitkih ... 44

Slika 7.14: Krivulja nihanja odprtosti ventila pri notranjih toplotnih dobitkih ... 45

(20)

xvi

(21)

xvii

Kazalo preglednic

Preglednica 4.1: Vrednost oddaje toplotne moči na površino uporabnika [8] ... 12

Preglednica 5.1: Notranji toplotni dobitki na meritvah ... 23

Preglednica 5.2: Parametri za nastavitev sistema hlajenja (ventilatorski konvektor) ... 24

Preglednica 5.3: PID parametri za regulacijo ventila ... 24

Preglednica 5.4: Parametri za nastavitev ... 24

Preglednica 5.5: PID parametri za regulacijo temperature sten komore ... 25

Preglednica 5.6: Tovarniške histereze za dvostopenjske regulatorje/termostate ... 25

Preglednica 5.7: Primeri hitrosti zapiranja ventilov ... 26

Preglednica 6.1: Povprečne vrednosti hitrosti pretoka ... 27

Preglednica 6.2: Rezultati izračuna moči obtočne črpalke ... 29

Preglednica 6.3: Rezultati izračuna energije obtočne črpalke ... 29

Preglednica 6.4: Povprečne vrednosti temperatur za dvostopenjsko regulacijo ... 30

Preglednica 6.5: Povprečne vrednosti temperatur za zvezno regulacijo ... 30

Preglednica 6.6: Toplotna oddaja človeka [6] ... 31

Preglednica 6.7: Referenčne vrednosti toplotne oddaje osebnih računalnikov [6] ... 32

Preglednica 6.8: Rezultati izračuna notranjih toplotnih dobitkov ... 32

Preglednica 7.1: Povprečne temperature prostora v primerjavi regulacij ... 33

Preglednica 7.2: Povprečne temperature vpiha zraka v primerjavi regulacij ... 35

Preglednica 7.3: Povprečna vrednost pretoka medija pri dvostopenjski regulaciji ... 36

Preglednica 7.4: Povprečna vrednost pretoka medija pri zvezni regulaciji ... 37

Preglednica 7.5: Povprečna vrednost odprtosti ventila pri dvostopenjski regulaciji ... 38

Preglednica 7.6: Povprečna vrednost odprtosti ventila pri zvezni regulaciji ... 39

(22)

xviii

(23)

xix

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A m² površina

cp J/(kg K) specifična toplota

𝐶 W konvekcija

𝑑 m premer cevi

E klux osvetlitev

E W izhlapevanje

f / istočasnost

g m/s² gravitacijski pospešek

H l

m /

črpalna višina delež svetil

𝐿 m dolžina cevi

𝑚̇ kg/s masni pretok

M W metabolizem

n / število ljudi

n / število namiznih svetil v prostoru

p W/(m²klux) specifična osvetlitev

𝑃_𝑁𝐿 W nazivna moč svetila

P W moč obtočne črpalke

P W nazivna moč naprave

𝑃_𝑆𝑉𝐸 W moč svetil

R W oddajanje toplote s sevanjem

𝑆_𝑖 / faktor hladilnega dela

t s čas

v m/s povprečna hitrost medija

𝑉̇ l/h volumski pretok

𝑞̇_𝐿𝐽 W specifična toplota ljudi

𝑄_𝑆 W občutena oddaja toplote

𝑄_𝐿𝐽 W oddaja toplote ljudi

𝑄_𝐿 W latentna oddaja ljudi

𝑄̇_𝐿𝐽 W toplotna oddaja ljudi

𝑄̇_𝑁𝐿 W toplotna moč svetila

𝑄̇_𝑅 W moč svetil

𝑄̇_𝐴 W toplotna moč

W W delo

∆𝑝 Pa tlačni padec sistema

∆𝑧 m višina

∆𝑐 m izgube v cevi

∆S J/K sprememba entropije oz. sprememba oddane toplote

𝜀 / koeficient lokalnih uporov

𝜂 % izkoristek črpalke

𝜆 / koeficient linijskih uporov (hrapavost – trenje)

(24)

xx

Oznaka Enota Pomen

𝜇 / faktor za hlajena svetila

𝜌 kg/m³ gostota medija

Indeksi

NPSH neto pozitivna sesalna višina

(25)

xxi

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

ON vklop, vrsta signala

OFF izklop, vrsta signala

PID NPSH

vrsta regulacije

neto pozitivna specifična višina

(26)

xxii

(27)

1

1 Uvod

Ugodje v prostoru predstavlja vse bolj aktualno temo na področjih strojništva in gradbeništva. Doseganje ugodja za uporabnika vse bolj vpliva na konstruiranje komponent prostora. Iz gradbenega vidika na to vplivamo:

 z orientacijo prostora;

 z zasteklitvijo in posledično ustrezno zasenčitvijo steklenih površin;

 s sestavo zunanjih sten in tlakov (izolativnost, materiali itd.).

Strojni del konstruiranja prostora posredno deluje na ugodje, saj z različnimi sistemi vplivamo na temperaturo, vlažnost, hitrost zraka itd. Sistemi so lahko del prostora in so vidni ali vgrajeni v gradbene elemente prostora:

 ogrevanje;

 hlajenje;

 prezračevanje.

Z vsemi zgoraj naštetimi elementi lahko poleg ugodja izboljšujemo energetsko učinkovitost stavbe. Strojne sisteme v veliki večini posodabljamo ali izboljšamo v želji zagotovljanja boljših pogojev za delovanje sistemov.

Slika 1.1 prikazuje porabo hladilne moči v enem dnevu. Graf ni izrisan na dejanskih vrednostih iz prakse, temveč je prikazan običajen primer porabe hladilne moči za stanovanjski objekt. Zajete so vse obremenitve, ki vplivajo na količino porabljene energije:

 zunanje obremenitve;

 notranje obremenitve oziroma dobitki (ljudje, naprave, razsvetljava itd.);

 zunanji zrak – prezračevanje.

Po določitvi hladilne moči za posamezno zvrst obremenitve lahko izrišemo skupno obremenitev in posledično porabo hladilne moči za posamezen objekt.

(28)

Uvod

2

Slika 1.1: Predstavitev porabe hladilne moči objekta [1]

1.1. Ozadje problema

Sistemi za hlajenje so vse bolj pomembni za objekte oziroma prostore. Sisteme se lahko optimizira na več načinov, npr. z ventili, črpalkami, izolacijo posameznih elementov, regulacijo sistema, bolj kakovostnimi viri toplote oziroma hladu itd. Prihranek energije pri hlajenju in ugodje v prostoru med delovanjem sistema sta problematiki, ki ju lahko optimiziramo s pravilno regulacijo.

1.2. Cilji

Teoretični del bo vseboval poglavitna ozadja praktičnega dela diplomskega dela. Predstavili bomo razliko med ON/OFF in zvezno regulacijo tlačno neodvisnega regulacijskega ventila.

Za vsako regulacijo bomo navedli poglavitne lastnosti. Temperaturno ugodje bo naslednja tema, pri kateri se bomo osredotočili na nihanje temperature v prostoru in vpih hladnega zraka sistema hlajenja. Predstavili bomo izračune in osnovno teorijo za notranje toplotne dobitke ter prikazali možnost prihrankov na sistemu za hlajenje ali ogrevanje.

V praktičnem delu diplomskega dela se bomo naučili ravnati z novo postavljeno progo za ogrevanje in hlajenje komore. Vnaprej bomo določili parametre za obremenitev komore.

Pridobili bomo parametre za nastavitev vseh elementov hlajenja in jih preučili. Na opravljeni analizi bomo parametre poizkusno testirali in ugotovili odziv senzorjev temperature in preostalih parametrov. Naredili bomo osnovno primerjavo merjenih parametrov ON/OFF in zvezne regulacije tlačno neodvisnega regulacijskega ventila ter naredili analizo dobljenih rezultatov. Glede na dobljene podatke bomo izračunali prihranke na obtočni črpalki in ventilatorskem konvektorju. Z ustreznimi parametri za zvezno regulacijo bomo izvedli meritve z motnjami sistema. V tem primeru sta mišljeni spremenjena temperatura termostata in dodatni notranji dobitki.

(29)

3

2 ON/OFF in PID regulacija

Regulacijo sistema za temperaturo si razlagamo na osnovnih primerih, kjer ne uporabljamo krmilnih sistemov, temveč imamo primer uporabe mrzle in tople vode za umivanje v kopalnici. Ventili na pipah so regulacijski ventili, ki delujejo na ročni pogon, torej na pipi preprosto odpremo ventila za hladno ali toplo vodo. Naš občutek za dotik skozi površino kože roke posreduje informacijo o temperaturi vode skozi periferni živčni sistem v možgane.

Možgani odločijo, ali se trenutna temperatura vode ujema z želeno vrednostjo temperature vode. Če obstaja razlika med želeno temperaturo in dejansko temperaturo, se možgani odločijo in prek živčnega sistema pošljejo mišicam ukaz, naj spremenijo razmerje med toplo in hladno vodo na ventilih pipe. V tem primeru imamo regulacijo glede na zaznavanje uporabnika, kar je povratni signal za sistem. Naloga regulacije je pridobiti neko fizično velikost, npr. tlak, nivo tekočine, temperaturo, vlago, material ali energijo količinsko opredeljene količine, ki vpliva in povzroča spremembe stanja glede na želene vrednosti. V našem primeru dosežemo želeno temperaturo prostora z reguliranjem regulacijskega ventila [2].

Regulacija temperature je eden izmed najpogosteje reguliranih parametrov v praksi. V procesnem strojništvu lahko reguliramo več različnih temperatur. Vsak sistem, v katerem moramo regulirati temperaturo, ima drugačne zahteve o natančnosti regulacije oziroma zahteve o odstopanju temperature od nastavljene vrednosti. Vrsto regulacije prilagodimo sami zahtevi. Poznamo dve glavni podvrsti regulacije:

 zvezna ali PID regulacija;

 ON/OFF ali dvostopenjski sistem regulacije.

Regulacijo temperature prikažemo v grafu v odvisnosti od časovne enote. V tem primeru je razvidno odstopanje merjene vrednosti od nastavljene vrednosti. Prikažemo lahko urna, dnevna ali daljša obdobja nihanja temperature v prostoru. Tako so razvidne potreba po hlajenju prostora in časovne luknje v primerih, ko ugasnemo hladilni sistem.

(30)

ON/OFF in PID regulacija

4

2.1. ON/OFF regulacija

Pri stopenjsko delujočih regulatorjih lahko zavzame regulirana veličina dve ali največ tri različne vrednosti, tako da pogosto govorimo o:

 dvopoložajnih (ON-OFF) in

 tropoložajnih regulatorjih [3].

Stopenjski regulatorji se zaradi enostavnosti in cenenosti pogosto uporabljajo v industriji, pa tudi v raznih hišnih napravah (regulacija temperature s termoakumulacijsko pečjo, regulacija temperature v likalniku, regulacija nivoja tekočine v WC izplakovalniku itd.) S pomočjo dodatne povratne zveze okoli preklopnega elementa lahko dinamične lastnosti še izboljšamo [3].

Na sliki 2.1 so prikazani vsi parametri, ki definirajo ON/OFF regulacijo. Graf prikazuje nihanje temperature glede na določeno časovno enoto. Predstavljeno je osnovno gibanje merjene vrednosti glede na nastavljeno.

Slika 2.1: ON/OFF regulacija in njeni parametri [4]

Nastavljena vrednost – tako imenovana »SET temperatura«. Vrednost nastavimo na željeno temperaturo prostora, katera ostaja enaka do spremembe nastavitev.

Merjena vrednost – v našem primeru je merjena vrednost temperatura. Vrednost niha v območju nastavljene vrednosti.

Histereza – je območje preklopa nastavitvene regulacije. Poznamo tako zgornjo mejo kot spodnjo mejo, obe ločuje nastavljena vrednost regulatorja (termostata).

Izhodno stanje – nam prikaže stanje regulacije. Razvidno je, kdaj natančno se regulacija zamenja iz vklopa v izklop ali obratno.

(31)

5

2.2. PID regulacija

Zvezno delujoči regulatorji imajo lastnost, da lahko regulirana veličina v določenem območju, ki mu pravimo regulirno območje, zavzame katero koli vrednost. Obravnavali bomo regulatorje, za katere velja linearna zveza med pogreškom in regulirano veličino.

Večina industrijskih regulatorjev glede na vgrajene algoritme, ki določajo zvezo med pogreškom in regulirano veličino, pripada enemu naslednjih tipov ali kombinaciji tipov regulatorjev:

 proporcionalno delujoči regulatorji (P regulatorji);

 integrirno delujoči regulatorji (I regulatorji);

 diferencirno delujoči dodatki regulatorjev (D regulatorji) [3].

Slika 2.2 prikazuje parametre za zvezno regulacijo. Vrednost narašča proti nastavljeni vrednosti in v prvem koraku zaniha. Velikost in dolžino prenihaja določajo naslednji parametri, katere predhodno določimo glede na metode izračuna:

 proporcionalni člen (Kp);

 integrirni člen (Ti);

 diferencialni člen (Td).

Umiritev krivulje in stabilnost merjene vrednosti je pogojena s posameznimi vrednosti parametrov PID regulacije. V kolikor parametri niso ustrezni za pogoje delovanja, lahko merjena vrednost v principu niha kot dvostopenjska regulacija.

Slika 2.2: Zvezna regulacija in njeni parametri [4]

Izhodno stanje – stanje regulacije določa krmilnik. Ta izklaplja ali vklaplja regulacijski element sistema glede na povratni signal iz prostora.

(32)

6

(33)

7

3 Temperaturno ugodje

Izraz sistem hlajenja se običajno uporablja v omejenem smislu, v pomenu hlajenja, vendar v svojem širšem pomenu pomeni kondicioniranje zraka na željeno raven s hlajenjem, vlaženjem, razvlaževanjem, čiščenjem in odišavljanjem. Namen klimatskega sistema stavbe je zagotoviti popolno toplotno udobje za svoje uporabnike. Zato moramo razumeti termične vidike človeškega telesa, da bi oblikovali učinkovit sistem hlajenja [5].

Toplotno ugodje v prostoru definira več parametrov, kateri tvorijo besedo »ugodje«. V prostoru moramo upoštevati naslednjih šest parametrov:

‐ temperatura zraka v prostoru;

‐ srednja sevalna temperatura;

‐ vlažnost;

‐ obleka;

‐ relativna hitrost zraka;

‐ aktivnost ljudi.

Pomemben parameter je temperatura zraka v prostoru, katera neposredno vpliva na uporabnika. S temperaturo vplivamo na oddajo toplote uporabnika, kot tudi na njegovo temperaturno ugodje.

Oddana toplota je v veliki meri odvisna od metabolizma človeka, ta vrednost pa se spreminja glede na pogoje. Na vrednost vpliva tako delo uporabnika prostora kot izhlapevanje.

Seštevek vrednosti konvekcije in sevanja moramo odšteti od končnega rezultata. To je predstavljeno v enačbi (3.1) [6].

∆𝑆 = 𝑀 − 𝑊 − 𝐸 − (𝑅 + 𝐶) (3.1)

Kjer je:

∆𝑆 sprememba entropije oz. sprememba oddane toplote 𝑀 metabolizem

𝑊 delo

𝐸 izhlapevanje

𝑅 oddajanje toplote z sevanjem 𝐶 konvekcijo

(34)

Temperaturno ugodje

8

Razlikovati in poznati moramo posamezna ugodja. V temperaturnem ugodju se osredotočimo na različne temperature zraka v prostoru, katere neposredno vplivajo na uporabnika prostora. Temperatura prostora ima največji vpliv na končno občuteno temperaturo človeka, kot tudi na temperaturno ugodje. V večini primerov sistemov za hlajenje je končni prenosnik hladu vpih zraka v prostor. Temperatura vpiha zraka je pomembna zaradi občutene temperature uporabnika, ki je prisoten v prostoru med delovanjem sistema. Obe temperaturi lahko občutimo zelo drugačne od dejanske temperature, v kolikor so v sistemu prisotne oscilacije temperature. Nihanje temperatur prostora uporabnika povzroči nelagodje, saj posledično niha tudi občutena temperatura.

Slika 3.1 prikazuje izrisane krivulje temperature za štiri dele človeškega telesa. V raziskavi so z lokalno enoto hladili ali ogrevali ozračje prostora. Razvidno je, da telesa različno zaznavajo temperaturo zraka v prostoru tako pri ogrevanju kot tudi pri hlajenju.

Slika 3.1: Občutena temperatura določenih delov človeka [7]

Na sliki 3.2 smo prikazali sedemstopenjsko lestvico ugodja v prostoru. Želimo imeti prostor, v katerem bo uporabnik v nevtralnem območju. Na lestvico vplivajo vsi parametri ugodja in ne zgolj temperatura prostora.

Slika 3.2: Stopnje ugodja v prostoru

(35)

9

4 Notranji toplotni dobitki

Prostor se skozi časovno obdobje segreva in ohlaja zaradi dejavnikov, imenovanih toplotni dobitki. Prisotni so kot zunanji dejavnik ali dejavnik, prisoten v prostoru. Ti oddajo toplotno moč prostoru, zaradi katerega se sistem ogrevanja ali hlajenja odziva drugače. Toplotne dobitke delimo na:

 notranje toplotne dobitke;

 zunanje toplotne dobitke.

Notranji dobitki v okolju niso zaznani in nam posledično dajo občutek, da ne oddajo toplotne moči. Vsak element, ki je v prostoru, lahko v danem trenutku delovanja odda toploto v prostoru. To moramo specificirati pri konstruiranju sistemov za hlajenje in ogrevanje.

Notranje toplotne dobitke razdelimo na različne podskupine, katere izračunamo po različnih postopkih:

 ljudje in živali;

 razsvetljava prostora;

 naprave;

 toplotni dobitki oziroma izgube zaradi sosednjih prostorov.

Enačba (4.1) prikazuje izračun toplotne moči za delujoče naprave v prostoru. Toplotno moč enačimo z nazivno močjo naprave. Posebnost je računalnik, za katerega lahko za dane nazivne moči dobimo toplotne moči.

𝑄̇𝐴= 𝑃 (4.1)

Kjer je:

𝑄̇_𝐴 toplotna moč [W]

𝑃 nazivna moč naprave [W]

(36)

Notranji toplotni dobitki

10

Prostori so po svoji površini opremljeni z različnimi svetili. Zaradi svoje sestave elementi med delovanjem oddajo toplotno moč. Ločimo predvsem stenska, industrijska in namizna svetila, katera imajo za svoj namen različne nazivne moči. Toplotno oddano moč izračunamo za vsak tip svetila na drugačen način.

Enačbi (4.2) in (4.3) prikazujeta izračun moči toplotne oddaje svetil. Prva enačba izračuna moč glede na oba parametra osvetlitve in površino prostora. V drugi enačbi pa pomnožimo rezultat s faktorji, da dobimo željeni rezultat za posamezen opremljen prostor.

𝑃_𝑆𝑉𝐸 = 𝐸 ∙ 𝐴 ∙ 𝑝 (4.2)

𝑄̇_𝑅 = 𝑃 ∙ 𝑆_𝑖 ∙ 𝑙 ∙ 𝜇 (4.3)

Kjer je:

𝑃_𝑆𝑉𝐸 moč svetil [W]

𝐸 osvetlitev [klux]

𝐴 površina [m²]

𝑝 specifična osvetlitev [W/(m² klux)]

𝑄̇_𝑅 moč svetil (upoštevani vsi faktorji) [W]

𝑆_𝑖 faktor hladilnega dela [/]

𝑙 delež svetil [/]

𝜇 za hlajena svetila (za nehlajena je μ = 1) [/]

V posebni točki obravnavamo namizna svetila, saj pri enačbi direktno upoštevamo nazivno moč svetila. Enačba (4.4) upošteva tudi istočasnost delovanja več svetil enake moči in število svetil.

𝑄_𝑁𝐿 = 𝑛 ∙ 𝑃_𝑁𝐿∙ 𝑓 (4.4)

Kjer je:

𝑄_𝑁𝐿 toplotna moč [W]

𝑓 istočasnost [/]

𝑃_𝑁𝐿 nazivna moč svetila [W]

𝑛 število namiznih svetil v prostoru [/]

Toplotna oddaja človeka je pogojena z različnimi omejitvami. V osnovi je prvi parameter temperatura in posledično vlaga, ki vplivata na samo počutje človeka v prostoru. Seveda je to odvisno od režima; torej ali v danem trenutku hladimo ali grejemo. Parameter, ki še vpliva na toplotno oddajo, je aktivnost, ki jo opravlja človek v prostoru. Toplotna moč se stopnjuje z intenzivnostjo aktivnosti človeka.

(37)

11 Slika 4.1 prikazuje primerjavo oddaje toplotne moči med aktivnostjo človeka in ogrevalno napravo. Dva človeka, ki se gibata v prostoru, oddajata 1,2 kJ/s kar je za 0,2 kJ/s več od ogrevalne naprave v drugem prostoru.

Slika 4.1: Primerjava toplotne obremenitve prostora v primeru prisotnosti grelca ali ljudi [8]

Toplotno oddajo ljudi izračunamo tako, da upoštevamo specifično toploto ljudi in jo pomnožimo s številom ljudi, prisotnih v prostoru. To prikazuje enačba (4.5).

𝑄̇𝐿𝐽 = 𝑛 ∙ 𝑞̇𝐿𝐽 (4.5)

Kjer je:

𝑄̇_𝐿𝐽 toplotna oddaja ljudi [W]

𝑛 število ljudi [/]

𝑞̇_𝐿𝐽 specifična toplota ljudi [W]

Izračun lahko prikažemo tudi v drugačni obliki – kot seštevek latentne in občutene oddaje toplote. Podatka lahko pri danih obremenitvah naknadno odčitamo. Izračun je prikazan na enačbi (4.6).

𝑄_𝐿𝐽 = (𝑄_𝐿+ 𝑄_𝑆) (4.6)

Kjer je:

𝑄_𝑆 občutena oddaja toplote [W]

𝑄_𝐿𝐽 oddaja toplote ljudi [W]

𝑄_𝐿 latentna oddaja ljudi [W]

(38)

12

Oddana toplota je pogojena z aktivnostjo uporabnika prostora. Vsaka ima svojo vrednost oddane moči na površino kože človeka. Povprečna površina človeka je 1,8 m².

V preglednici 4.1 prikazujemo posamezne aktivnosti ljudi. Za posamezno aktivnost so zapisane toplotne moči (W/m²). Spodnje vrednosti moramo zato pomnožiti s povprečno površino človeka.

Preglednica 4.1: Vrednost oddaje toplotne moči na površino uporabnika [8]

(39)

13

5 Prihranki na sistemu hlajenja

Raba energije za sistem hlajenja v ustreznem obdobju je odvisna od več faktorjev. Eden izmed faktorjev oziroma vplivov so meteorološki podatki v tistem obdobju, zaradi katerih se spremenijo potrebe po hlajenju stavbe.

Stroka gradbeništva nima direktnega vpliva, vendar posredno vpliva na rabo energije za sistem hlajenja. Ovoj stavbe je zelo pomemben faktor pri poskusu zmanjševanja energije strojnega sistema. Z dobro izoliranim ovojem stavbe in menjavo stavbnega pohištva z bolj kakovostnim, lahko porabo hladilne toplote zmanjšamo tudi do 10-krat v primerjavi s prejšnjo situacijo stavbe. V splošnem vidiku vsaka večja energetska sanacija na stavbi pomeni do 20 % prihranka na celotni vrednosti rabe energije za strojni sistem.

Osredotočili se bomo na možnosti omejitve rabe energije za hlajenje strojnega vidika procesa. Prihranke energije na energetskem sistemu hlajenja zagotovimo s posodobitvijo posameznih elementov ali obravnavanega celotnega sistema. Sistem lahko posodobimo in izboljšamo na več področjih:

 z novimi elementi, kot so sodobnejši ventili, črpalke itd.;

 s posegi na sistemu (izolativnost elementov na progi);

 z regulacijo sistema;

 z bolj kakovostnimi viri toplote ali hladu.

Z elementi vplivamo na končni rezultat kakovosti sistema za hlajenja, kot tudi rabo energije za delovanje procesa. S sodobnejšimi elementi izboljšamo opcije regulacije posameznih objektov v procesu. Ti omogočajo več nastavitev obremenitve hladilnih sistemov iz vidika uporabnika. Do toplotnih izgub prihaja na cevnih instalacijah in na posameznih elementih, kar je pomembno vedeti za omejitev rabe energije. V kolikor zmanjšamo toplotne izgube, zmanjšamo rabo energije za pripravo hladu. Velik vpliv oziroma potencial ima regulacija sistema hlajenja iz vidika prihrankov energije. V prvem koraku moramo izbrati pravilno regulacijo glede na zahteve sistema. Z ustrezno regulacijo lahko omejimo pretok medija glede na dejanske potrebe prostora oziroma stavbe.

(40)

Prihranki na sistemu hlajenja

14

Na sliki 5.1 je prikazan grafikon za porabljeno energijo na sistemu hlajenja objekta. Prikazali smo posamezne komponente in končno rabo energije v odstotkih. Na parametre vplivamo s posodobljeno ali boljšo regulacijo sistema (temperature).

Slika 5.1: Poraba energije na sistemu hlajenja [9]

Z regulacijo sistema na posameznem elementu izboljšamo njegovo karakteristiko oziroma specifikacijo. Izboljšave na elementih so:

 regulacija na pripravo medija (hladu) neposredno ne vpliva, lahko pa z ustrezno regulacijo sistema zmanjšamo porabo medija za hlajenje prostora;

 prihranek energije na črpalkah z zmanjšanjem pretoka in optimizacijo delovanja črpalke, tako da lahko črpalka deluje pri nižjih hitrostih;

 s povečanjem razlik temperatur na ventilatorskem konvektorju izboljšamo delovanje končnega prenosnika toplote/hladu zaradi njegove boljše učinkovitosti;

 v rubriki »ostalo« imamo v mislih predvsem izgube na sistemu, tako toplotne kot linijske. Na to ne moremo vplivati z regulacijo.

Obseg kroga je odvisen od količine hladu, ki je v tistem trenutku potreben za sistem. Krog se v primeru zmanjšanja temperature termostata za 1 °C poveča za približno 10 % do 16 %.

Za ta odstotek se poveča celoten obseg, kar pomeni, da k temu pripomore vsak element oziroma del sistema.

60%

10%

15%

Priprava medija Obtočne črpalke Končni prenosnik hladu Ostalo

(41)

15

5.1. Preračuni

Posamezne izboljšave definirajo spremembo pretoka medija v sistemu. Pretok je glavna specifikacija pri obravnavanju obtočne črpalke. Rezultat izračuna za obtočno črpalko pove, s kakšnimi parametri sistem deluje. Za izračun parametrov obtočne črpalke moramo definirati vse izgube na celotnem hladilnem sistemu.

V enačbi (5.1) smo predstavili izračun moči toplotne črpalke v primeru, da imamo možnost izračuna črpalne višine.

𝑃 = 𝑉̇ ∙ 𝐻 ∙ 𝜌 ∙ 𝑔

𝜂 (5.1)

Kjer je:

𝑉̇ volumski pretok [m³/s]

𝐻 črpalna višina [m]

𝜌 gostota medija [kg/m³] 𝑔 gravitacijski pospešek [m/s²] 𝜂 izkoristek črpalke [%]

V kolikor ne poznamo črpalne višine, lahko moč črpalke izračunamo s podano tlačno razliko sistema. Enačba (5.2) prikazuje parametre, ki jih potrebujemo za izračun.

𝑃 = 𝑉̇ ∙ ∆𝑝

𝜂 (5.2)

Kjer je:

∆𝑝 tlačni padec sistema [Pa]

Enačba (5.3) prikazuje izračun črpalne višine za strojni sistem. Enačba je razdeljena na posamezne sklope izračuna. Poznati moramo vse parametre sistema; od vseh izgub v ceveh do posameznih višin.

𝐻 = ∆𝑧 + ∆𝑐

𝜌 ∙ 𝑔+ ∆𝑣²

2 ∙ 𝑔+ ∆𝑐 (5.3)

Kjer je:

∆𝑧 višina [m]

∆𝑐 izgube v cevi [m]

𝑔 gravitacijski pospešek [m/s²] 𝜌 gostota [kg/m³]

𝑣 povprečna hitrost medija [m/s]

(42)

16

Z uporabo enačbe (5.4) izračunamo izgube v cevnem sistemu, ki nastanejo zaradi linijskih in lokalnih izgub. Skupaj z izgubami moramo upoštevati hitrost medija v cevnem sistemu.

Lokalne in linijske izgube seštevamo po posameznih odsekih v primeru večjega števila končnih prenosnikov toplote. Lokalne izgube so odseki, kolena, ventili, ki imajo standardizirane vrednosti in jih na cevni progi posamezno seštevamo.

∆𝑐 = 𝑣²

2 ∙ 𝑔 ∙ (𝜆 ∙ 𝐿

𝑑+ ∑ 𝜀) (5.4)

Kjer je:

∆𝑐 izgube v cevi [m]

𝜆 koeficient linijskih uporov (hrapavost – trenje) [/]

𝐿 dolžina cevi [m]

𝑑 premer cevi [m]

𝜀 koeficient lokalnih uporov (zaokrožitve cevi, ventili itd.) [/]

v hitrost medija [m/s]

g gravitacijski pospešek [m/s²]

Izračun moči obtočne črpalke smo izvedli po izračunu izgub. Z enačbo (5.5) smo prikazali izračun porabljene energije za delovanje obtočne črpalke v določenem časovnem obdobju.

𝑊 = 𝑃 ∙ 𝑡 (5.5)

Kjer je:

W energija obtočne črpalke [Wh]

𝑃 moč črpalke [W]

𝑡 čas [h]

Končni prenosnik toplote sistema prejme pretok medija, katerega regulirata regulacijski ventil in obtočna črpalka. S pretokom skozi npr. ventilatorski konvektor se razlika temperatur spreminja. Oba parametra vplivata na končno toplotno oddajo moči prenosnika.

Enačba (5.6) poveže omenjena parametra s specifično toploto medija sistema.

𝑄̇ = 𝑚̇ ∙ 𝑐_𝑝 ∙ ∆T (5.6)

Kjer je:

∆T razlika temperatur [°C]

𝑐_𝑝 specifična toplota [J/(kg K)]

𝑄̇ moč [W]

𝑚̇ masni pretok [kg/s]

(43)

17

5.2. Eksperimentalni del

5.2.1. Eksperimentalna komora

Meritve smo opravljali v eksperimentalni komori v Laboratoriju za ogrevalno, sanitarno in solarno tehniko ter klimatizacijo. Komora je sestavljena tako, da omogoča ogrevanje in hlajenje sten. S tem simuliramo zunanje obremenitve v poletnem ali zimskem obdobju. Stena je sestavljena iz pločevinastih blokov, med katerimi so postavljene cevi, skozi katere teče ogret ali ohlajen medij. Komora je iz zunanje strani izolirana z Armaflex izolacijo (32 mm), katera preprečuje večje vplive zunanjih toplotnih dobitkov in preprečuje nastanek kondenza.

Komora ima dostop skozi prednjo steno z vrati, kar nam pred meritvami omogoča nastavitev vseh elementov v notranjosti. Odpiranje vrat med meritvami lahko rezultate pokvari in s tem meritve niso relevantne.

Medij za sistem komore se pripravlja zunaj nje in za primer ogrevanja se uporablja električni grelec, iz katerega je razvod na 6 grelcev v stene komore. Posamezne grelce lahko omejimo oziroma zapremo z zunanjimi ventili, ki se nahajajo za obtočno črpalko in električnim grelcem.

Medij za hlajenje se pripravlja v hladilniku, ki se nahaja zunaj komore. Obtočna črpalka poganja ohlajen medij do razdelilca, v katerem se pretok razdeli v 6 vej komore. Vsako vejo lahko ročno reguliramo in zapiramo s krogelnim ventilom.

Slika 5.2: Sistem za ogrevanje in hlajenje

(44)

18

Na sliki 5.2 je prikazan notranji sistem, ki služi tako za ogrevanje kot za hlajenje.

V levem spodnjem robu sta označeni dve puščici, ki pomenita:

 rdeča puščica: dovod ogrete vode iz zunanjega grelnika;

 modra puščica: dovod hladne vode iz zunanjega hladilnika.

Končni prenosnik toplote je ventilatorski konvektor znamke AERMEC FCZI P300. V njem so razporejene cevi, v katerih se pretaka ogret ali ohlajen medij. V konvektorju ventilator zrak iz prostora pošilja skozi cevi, kjer se ohladi ali ogreje zaradi njihove temperature.

V delu se bomo osredotočili na hlajenje z ventilatorskim konvektorjem. Slika 5.3 prikazuje shemo elementov na progi v primeru hlajenja. Shema je izrisana le za notranje elemente in ne vsebuje dovoda hladu iz hladilnika, ventilov, zunanjih obtočnih črpalk itd. Glavni vod dovodne hladne vode poganja obtočna črpalka Willo-VeroLine-IP-E do ventilatorskega konvektorja. Pretok regulira Danfossov tlačno neodvisni regulacijski ventil AB-QM glede na potrebe hladilne moči v komori.

Natančen merilnik pretoka nam izpiše natančen pretok v danem trenutku skozi ventilatorski konvektor in regulacijski ventil.

Slika 5.3: Shematski prikaz sistema za hlajenje

Nastavljanje in regulacija celotnega sistema sta omogočena iz zunanje enote. Krmilnik je pomemben del sistema, saj z njim upravljamo celotno regulacijo komore in notranjega sistema hlajenja ali ogrevanja. S krmilno enoto lahko spremljamo parametre posameznih sestavnih elementov proge in jih prilagajamo glede na potrebe. Merjene parametre med meritvami spremljamo v grafični obliki in ugotavljamo pravilnost meritev med izvajanjem.

Komora je opremljena z velikim številom temperaturnih senzorjev, ki so razporejeni po prostoru. Med delovanjem sistema hlajenja ali ogrevanja lahko prikazujemo različne zahtevane temperature. Sistem ogrevanja sten komore potrebuje izbiro senzorja, ki določi omejitev segrevanja sten. Za ta primer uporabljamo PID regulacijo sten in ne konstantne obremenitve.

(45)

19

5.2.2. Izvajanja meritev

Pred pričetkom meritev smo morali zastaviti potek meritev. Postavili smo si okvirne točke za meritve regulacije hladilne moči:

 določitev ciljnih parametrov za meritev;

 pridobitev izhodiščnih parametrov (pregled literature, izračuni itd.) za nastavitev sistema;

 nastavitve sistema za doseganje rezultatov;

 okvirni željeni rezultati oziroma cilji meritev;

 testne meritve in pregled odziva sistema;

 izvedba meritev;

 ovrednotenje rezultatov meritev.

Na sliki 5.4 je prikazana shema za proces meritev PID regulatorja. Shematsko smo prikazali potek signala v primeru hlajenja. Povratni signal je v našem primeru temperatura prostora, ki nam pove potrebo po hladilni moči. Zvezni regulator glede na povratni signal odpre ali zapre kontrolni element sistema.

Uporaba parametrov v zvezni regulaciji je odvisna od zahteve natančnosti končnih rezultatov. Uporabljamo lahko vse tri parametre ali samo proporcionalni parameter.

Regulacija sobne temperature spada v manj zahtevno kategorijo regulacije, zato se za te primere uporablja samo PI regulacija. Parametre smo v naprej določili in pregledali njihove rezultate.

Slika 5.4: Shema procesa s PID regulatorjem [10]

(46)

20

Sistema sta skoraj identična, razlikujeta se le v načinu regulacije. Na sliki 5.5 prikazujemo shemo za proces dvostopenjske regulacije v eksperimentalni komori. Bistveno se sistem ne spremeni, vendar ne potrebujemo več parametrov za določitev regulacije. Določimo mejo vrednosti, ki lahko odstopa od nastavljene, kar imenujemo histereza. Senzor temperature v prostoru pošilja signal o prekoračitvi pozitivne ali negativne histereze, kjer nato regulator izklopi ali vklopi regulacijski element.

Poudariti je potrebno, da sprememba ni takojšnja, temveč je odvisna od kontrolnega elementa in njegovih specifikacij/nastavitev.

Slika 5.5: Shema procesa z dvostopenjskim regulatorjem [10]

(47)

21 Na sliki 5.6 vidimo dva različna grafa, ki sta med seboj neposredno povezana. Stolpčni diagram je definiran z odstotki ur glede na obremenitev hlajenja stavbe. Za obdobje dneva prikazujemo, koliko odstotkov časa deluje sistem v danem območju obremenitve. Na sliki 5.6 sta poleg omenjenega stolpčnega diagrama izrisana tudi grafa karakteristik obeh regulacij. S polno modro črto je prikazana obremenitev hlajenja glede na načrtovan pretok za zvezno regulacijo. Medtem isto razmerje prikazuje črtkasta modra črta za dvostopenjsko regulacijo. Glede na stolpčni diagram izrišemo karakteristike za dvostopenjsko in zvezno regulacijo sistema. Iz grafa je razvidno, kolikšen pretok rabimo za pričakovano moč ventilatorskega konvektorja ali obratno.

Iz grafa razberemo, da s pravilno regulacijo z manjšim pretokom zagotovimo isto moč končnega prenosnika toplote. Rdeče črte prikazujejo obremenitev hladilnega sistema za 50 %, za katerega smo uporabili tako zvezno kot dvostopenjsko regulacijo. Po izrisu črt smo prikazali zahtevan pretok za podano hladilno moč. Iz podatkov je razvidno, da potrebujemo pri zvezni regulaciji približno 30 % manjši pretok v primerjavi z dvostopenjsko regulacijo.

V meritvah smo želeli prikazati največjo razliko med regulacijama, zato smo definirali približke moči za delovanje ventilatorskega konvektorja. Največjo razliko smo razbrali med 35 % in 70 % ali v enoti moči 500 W in 800 W. Med temi omejitvami bomo poskušali prikazati zvezno regulacijo, ker je delovanje najučinkovitejše. Tako delovanje imenujemo delna obremenitev sistema hlajenja.

Slika 5.6: Delovanje posamezne regulacije glede na načrtovani pretok [9]

(48)

22

5.2.2.1. Meritve primerjav regulacij

Primerjali smo temeljne razlike dvostopenjske in zvezne regulacije. Za prikaz vseh razlik smo morali spremljati več parametrov:

 temperaturo termostata;

 temperaturo vpiha sistema hlajenja;

 pretok medija skozi ventilacijski konvektor;

 odprtost tlačno neodvisnega regulacijskega ventila.

Parametre za nastavitev sistema za hlajenje smo nastavili po priporočilih podjetja Danfoss.

Določitev parametrov smo predstavili v poglavju 5.2.3. Izvedli smo poskusne meritve in pregledali odziv sistema na dane razmere oziroma obremenitve. Skozi poskusne meritve smo videli, katere parametre bi spremenili in s tem najverjetneje izboljšali končni rezultat meritev. V prvem koraku smo testirali dvostopenjsko oziroma ON/OFF regulacijo v komori in dobili izris gibanja temperature v prostoru. Zaradi znanega delovanja načina regulacije smo pričakovali rezultat nihanja temperature. Istočasno smo definirali preostale parametre, ki smo jih spremljali med meritvami. Opravili smo še zastavljene meritve za zvezno regulacijo in dobili izris poteka temperature. Dobljene rezultate smo primerjali med obema regulacijama, ki smo jih testirali med meritvami.

5.2.2.2. Meritve toplotnih dobitkov

Definiranje notranjih toplotnih dobitkov za objekte oziroma prostore je obvezna praksa pri dimenzioniranju sistemov za hlajenje in ogrevanje. Meritve notranjih toplotnih dobitkov smo razdelili na tri veje:

 sprememba temperature termostata (notranje temperature komore);

 sprememba zunanje toplotne obremenitve komore;

 notranji toplotni dobitki v komori.

V delu smo določili pogoj, da ventilatorski konvektor deluje med 500 W in 800 W moči. To smo natančno razložili v poglavju 5.2.2. Kot vsake meritve, smo na začetku preverili vse parametre za sistem hlajenja. Z izbranimi nastavitvami smo izvedli poizkusne meritve in videli odziv/rezultat meritev. Nastavitve smo nekoliko prilagodili in še enkrat zagnali sistem ogrevanja komore in hlajenja notranjosti. Sistem smo ogreli na 23,5 °C in nato temperaturo spustili za 0,5 °C. Cilj meritev je bil prikazati, kako se sistem stabilizira po spremembi temperature termostata. Ob tem moramo spremljati tudi pretok in posledično signal ventila, saj lahko iz tega razberemo umiritev sistema.

Spremembo zunanje toplotne obremenitve smo želeli narediti s povečanjem temperatur sten ali s povečanjem števila grelcev v stenah. Določili smo začetne pogoje meritev in sistem pustili delovati približno 15 minut. Po izteku časa smo spremenili število grelcev (iz enega grelca na dva grelca) ali povišali temperaturo (iz 23,5 °C na 24,0 °C). Z meritvami smo imeli bistvene težave, saj so bili v primeru, da smo spreminjali obremenitve, kot smo zapisali zgoraj, odzivi zelo počasni in minimalni. Ob tej ugotovitvi smo zvišali stopnjo spremembe obeh parametrov. Postopek smo ponovili in spremljali odziv vseh merjenih parametrov.

Kmalu smo ugotovili, da je izstopna moč konvektorja bistveno nad 800 W. To ni bilo optimalno, zato meritev spremembe zunanje toplotne obremenitve komore nismo prikazali in izvedli kot končno meritev.

(49)

23 V prvem poskusu smo izvedli poizkusne meritve, v katerih smo uporabili le 3 notranje dobitke, ki so našteti v preglednici 5.1. Za posamezen objekt smo definirali njihovo toplotno oddajo v prostor. Slika 5.7 prikazuje meritve notranjih toplotnih dobitkov. Notranje dobitke smo v začetku merili le z elementi, prikazanimi na sliki. Prvi poizkus obremenitev se ni obnesel, saj je moč toplotnih dobitkov za sistem hlajenja premajhna. V tem primeru smo zaznali zelo majhne oziroma skoraj nične spremembe.

Za ustrezen odziv sistema smo morali povečati moč notranje obremenitve. Odločili smo se, da namizni luči pustimo v komori in za čas meritev namesto lutke namestimo človeka z računalnikom. Vrednosti moči za oba dodatna objekta smo izračunali/določili v naslovu 6.2.

Spremljali smo iste štiri vrednosti, ki jih spremljamo skozi celotne meritve.

Slika 5.7: Testiranje notranjih toplotnih dobitkov

Pri pripravah na meritve smo nameravali uporabiti kalorifer kot notranji toplotni dobitek. Pri meritvah smo ugotovili, da zaradi prevelike toplotne oddaje kaloriferja ventilatorski konvektor s svojo maksimalno močjo ne more ohladiti prostora v komori. Konvektor pri seštevku moči notranjih in zunanjih toplotnih dobitkov ni zmogel ohlajati notranjosti komore.

Preglednica 5.1: Notranji toplotni dobitki na meritvah

Notranji toplotni dobitek Vrednost [W] Opomba

Lutka 100 Ni bila uporabljena.

Namizna luč 1 20 Uporabljena v končnih meritvah.

Namizna luč 2 60 Uporabljena v končnih meritvah.

Kalorifer 1200 Ni bil uporabljen.

(50)

24

5.2.3. Določitev vhodnih parametrov

Izvedbo dobrih meritev so omogočali pravilno pripravljeni parametri elementov hlajenja komore, kot tudi ogrevanja sten komore (zunanja obremenitev). Podatke smo pridobili iz obstoječih naprav na trgu ali jih določili skupaj s podjetjem Danfoss iz njihovih izkušenj. V preglednici 5.2 smo predstavili vstopne parametre, ki smo jih določili za elemente sistema za hlajenje z ventilatorskem konvektorjem. Vse parametre, razen »Hitrost odpiranja ventila«

in »Histerezo termostata«, smo določili glede na praktične izkušnje podjetja, da smo predvideli pravilno delovanje regulacijskega ventila.

Preglednica 5.2: Parametri za nastavitev sistema hlajenja (ventilatorski konvektor)

Parameter Vrednost Enota

Tlak na obtočni črpalki 0,8 bar

Tlačna razlika na ventilu 0,5 bar

Hitrost ventilatorja v konvektorju 10 * / **

Hitrost odpiranja ventila 24 mm/s

Temperatura termostata 23 °C

Histereza termostata 0,7 °C

Odprtost tripotnega ventila 50 %

* Uporabili bi lahko nižjo hitrost, vendar nam to spremeni hitrost ohlajanja komore.

** Hitrost ventilatorja se na krmilniku ne podaja v enoti m/s, temveč se nastavi vrednost od 0 do 10 v koraku 0,1 in je brez enote.

Za zvezno regulacijo smo privzeli parametre, ki so prikazani v preglednici 5.3. Uporabili smo PI regulacijo, saj diferencialnega člena nismo potrebovali. Parametrov nismo določili, smo pa s podjetjem Danfoss določili okvirne vrednosti, ob katerih bi sistem optimalno deloval. Parametre PI smo uporabili pri vseh meritvah, ki so zahtevale tako regulacijo.

Preglednica 5.3: PID parametri za regulacijo ventila

Kc Ti Td

0,100 0,010 0,000

Nastavitve ogrevanja komore so bile enostavne in so obsegale malo parametrov. S PI regulacijo smo vzdrževali konstantno temperaturo sten komore glede na zaznavanje senzorja temperature na notranji steni komore.

Preglednica 5.4: Parametri za nastavitev

Število grelcev 1 * /

Obremenitev obtočne črpalke 10 / **

Nastavljena temperatura sten 23,5 °C

* 1 grelec proizvede 1 kW moči za ogrevanje komore.

** Obremenitev obtočne črpalke se na krmilniku ne podaja v enoti, temveč se nastavi vrednost od 0 do 10 v koraku 0,1.

(51)

25 PI parametri za regulacijo sten so bili vnaprej določeni in so prikazani v preglednici 5.5.

Parametra sta v sistemu nekoliko manj natančna, a za uravnavanje sten komore ne potrebujemo velike natančnosti. V praktičnem primeru to pomeni simuliranje zunanje obremenitve.

Preglednica 5.5: PID parametri za regulacijo temperature sten komore

Kc Ti Td

10,000 5,000 0,000

Z raziskavo trga smo želeli izvedeti, v kakšnem območju se giblje vrednost histereze pri ostalih termostatih. Izbrali smo nekaj ustreznih termostatov, ki imajo možnost le dvostopenjske regulacije temperature. V katalogih smo razbrali vrednosti in izračunali njihovo povprečno vrednost histereze. Vrednost smo uporabili v naših meritvah dvostopenjske regulacije.

Preglednica 5.6: Tovarniške histereze za dvostopenjske regulatorje/termostate

Naprava Območje histereze

Termostat Pilremag TH-1149MSA 1,3 °C [11]

Termostat Pilremag TH-1149SA 0,4–1,0 °C (privzeto 0,6 °C) [11]

Vaillant VRT 250 0,5 °C [12]

Termostat Quantum SQ610RF 0,25/0,5 °C [13]

Termostat Devi DEVIreg 316 0–6 °C (priporočena vrednost 1 °C) [14]

Honeywell CM67 Chronotherm 0,5 °C [15]

Povprečna vrednost histereze 0,7 °C

Na naslednji parameter vpliva tako regulacijski ventil kot njegov pogon, zato moramo gledati specifikacije obeh elementov. V katalogih preostalih proizvajalcev smo poiskali podatek in ga izpisali v tabelo. Hitrost zapiranja regulacijskega ventila nam lahko bistveno spremeni tako potek kot tudi rezultat samih meritev, zato se moramo sklicevati na ta parameter.

(52)

26

Hitrost ventila definiramo kot celotno zapiralno dolžino ali časovno enoto glede na zapiralno dolžino. Krmilnik komore za naš primer omogoča izbiro le v enotah s/mm in ne definiranja celotne zapiralne dolžine.

V preglednici 5.7 smo poleg polnega imena naprave zapisali vrednost hitrosti zapiranja ventila, katero smo nato morali definirati pri meritvah.

Preglednica 5.7: Primeri hitrosti zapiranja ventilov

Naprava Hitrost zapiranja ventila

CALEFII tlačno neodvisni regulacijski ventili 18,5 s/mm [16]

SIEMENS SAY61P03 30 s/mm [17]

Določitev karakteristik elementov sistema

Za sistem hlajenja so bistveni trije elementi: obtočna črpalka, regulacijski ventil in ventilatorski konvektor. Za obtočno črpalko smo parametre definirali v poglavju 5.2.3 in ne vpliva na končni odziv sistema. Določiti smo morali karakteristiko za preostala elementa.

Na sliki 5.8 smo prikazali, kako karakteristike vplivajo na odziv končnega sistema. V začetku meritve smo želeli dobiti linearen odziv sistema za hlajenje, zato smo morali določiti pravilne karakteristike. Za posamezen element smo izbrali:

 za regulacijski ventil smo v diagramu »Napajalni signal – Pretok« prikazali logaritemsko karakteristiko;

 za ventilatorski konvektor smo izbrali standardno karakteristiko, prikazano v diagramu »Pretok – Hladilna moč«.

S tema pogojema smo kot rezultat dobili linearni odziv sistema med meritvami v eksperimentalni komori.

Slika 5.8: Karakteristike elementov sistema hlajenja [10]

(53)

27

6 Izračuni

Grafični prikaz vrednosti ni dovolj za razumevanje meritev. Zastavljene cilje in rezultate smo dokazali z izračuni. Po opravljenih meritvah na sistemu ogrevanja smo dobljene vrednosti uporabili v izračunih za:

 prihranke pri sistemu hlajenja;

 notranje toplotne dobitke.

Za prihranke pri sistemu hlajenja smo pri vseh vrednostih uporabljali povprečne vrednosti, saj je sistem zaznaval podatke vsako sekundo. Zaradi visoke frekvence merjenja podatkov v tabeli nismo mogli prikazati vseh. V tem primeru bi bilo izračunov preveč in bi bil prikaz nepregleden.

6.1. Prihranki na sistemu hlajenja

V meritvah primerjav regulacij smo ugotovili, da obstaja razlika v povprečni vrednosti pretoka. Parameter neposredno vpliva na moč obtočne črpalke, katera nam prikaže točno primerjavo z dvostopenjsko regulacijo. V preglednico 6.1 smo izpisali povprečni vrednosti pretoka med meritvami in pripadajoče izkoristke obtočne črpalke, katere smo odčitali na sliki 6.1.

Preglednica 6.1: Povprečne vrednosti hitrosti pretoka

Tip regulacije Povprečni pretok [l/h] Povprečni pretok [m³/h] ղ [%]

Zvezna 40,78 0,04078 1

ON/OFF 98,76 0,09876 2

Za izračun moči obtočne črpalke moramo upoštevati izgube sistema. Izberemo lahko ali črpalno višino ali tlačno izgubo, kar odločimo glede na razpoložljivost podatkov. V komori je hladilni sistem sestavljen tako, da je razdalja med obtočno črpalko in ventilatorskim konvektorjem zelo majhna, kar pomeni, da so izgube zelo majhne in nerealne za tako zmogljivo obtočno črpalko. Odločili smo se, da vrednost predpostavimo, in sicer tlačno

(54)

Izračuni

28

razliko v sistemu. Določili smo 12 kPa tlačne izgube na cevovodu od obtočne črpalke do končnega ponora hladu.

Izkoristek obtočne črpalke poda proizvajalec v specifikacijah izdelka. Glede na pretok medija lahko iz krivulje določimo izkoristek, s katerim v danem trenutku deluje črpalka.

Slika 6.1 prikazuje dano krivuljo za obtočno črpalko Willo-VeroLine-IP-E, ki deluje z namenom hlajenja komore.

Na sliki smo morali prikazati dve krivulji, ki se obe navezujeta na pretok v obtočni črpalki.

Spodnji graf prikazuje vrednost NPSH višine v odvisnosti od pretoka, katere ne potrebujemo v naših izračunih, medtem ko zgornja krivulja prikaže potek izkoristka skozi delovanje črpalke glede na pretok. Odčitana rezultata za posamezni tip regulacije smo prikazali v preglednici 6.1. Povprečna pretoka smo morali pretvoriti v osnovno enoto, ki je prikazana na abscisni osi grafa. Hidravlični izkoristek odčitamo na grafu v odstotkih, vendar nato za izračun vrednost pretvorimo.

Slika 6.1: Odčitane vrednosti izkoristka črpalke Willo-VeroLine-IP-E [18]

Zavedati se moramo, da so ti pretoki za tako zmogljivo črpalko ekstremno majhni, zato bosta izkoristka majhna in neučinkovita. Črpalka je vgrajena za namen testiranja, v kolikor bi bili potrebni večji pretoki, in ni dimenzionirana za naš sistem hlajenja ter njegove toplotne

(55)

Izračuni

29 izgube. Te obtočne črpalke lahko oskrbujejo celotno zgradbo z več končnimi viri in ne le z enim ventilatorskim konvektorjem, kot v našem primeru eksperimentalne komore.

Z uporabo enačbe (6.1) izračunamo moč obtočne črpalke glede na pridobljene podatke za izračun.

𝑃 = 𝑉̇ ∙ ∆𝑝

𝜂 (6.1)

V preglednici 6.2 smo prikazali rezultate izračuna moči črpalke glede na različne povprečne pretoke. Pretok smo pretvorili v osnovno enoto in izračunali vrednost parametra z zgornjo enačbo.

Preglednica 6.2: Rezultati izračuna moči obtočne črpalke

Tip regulacije Moč [W]

Zvezna 13,59

ON/OFF 16,46

Posamične meritve so se izvajale 3100 s, kar za lažjo predstavo pretvorimo v približno 52 minut (0,861 h). Podatek smo potrebovali za izračun porabljene energije obtočne črpalke.

Iz izračunane moči obtočne črpalke potrebujemo še energijo, katero je potrebovala za omenjen pretok. Meritve so potekale določen čas, katerega pomnožimo z močjo. To prikazuje spodnja enačba (6.2).

𝑊 = 𝑃 ∙ 𝑡 (6.2)

V preglednici 6.3 smo dobljeno povprečno moč obtočne črpalke pomnožili s časom t = 0,861 (približno 52 minut). To je čas, v katerem smo opravili posamezne meritve v komori.

Preglednica 6.3: Rezultati izračuna energije obtočne črpalke

Tip regulacije Energija [Wh]

Zvezna 11,70

ON/OFF 14,17

(56)

Izračuni

30

Razlika v moči oziroma posledično energiji obtočne črpalke je večinoma v vrednosti povprečnega pretoka medija. Poudariti moramo, da razlika v hidravličnem izkoristku ni zanemarljiva pri različnih tipih regulacije.

Iz povprečnih rezultatov in ob predpostavitvi konstantne tlačne izgube sistema, smo ugotovili razliko porabe energije obtočne črpalke v določenem časovnem obdobju, glede na različni regulaciji ventila. Rezultati v preglednici nam povedo, da lahko z zvezno regulacijo pri podani konstantni vrednosti padca tlaka v sistemu prihranimo 2,47 Wh energije.

Pregledali bomo temperature dovoda in odvoda iz ventilatorskega konvektorja. S povečanjem razlike temperatur na izhodih ventilatorskega konvektorja izboljšamo njegovo delovanje zaradi boljše učinkovitosti sistema. Iz teh dveh temperatur izračunamo t. i. »delta T«. Vrednosti za dvostopenjsko regulacijo bomo prikazali v preglednici 6.4.

Preglednica 6.4: Povprečne vrednosti temperatur za dvostopenjsko regulacijo

Vstopna temperatura medija 21,30 °C

Izstopna temperatura medija 9,53 °C

Razlika temperatur (∆T) 11,77 °C

Preglednica 6.5 prikazuje vstopno in izstopno povprečno temperaturo medija, ki vstopi/zapusti ventilatorski konvektor. Vrednosti smo odšteli in dobili razliko temperatur.

Preglednica 6.5: Povprečne vrednosti temperatur za zvezno regulacijo

Vstopna temperatura medija 15,38 °C

Izstopna temperatura medija 9,91 °C

Razlika temperatur (∆T) 5,47 °C

Razlika temperatur je posledica spremembe hitrosti pretoka. V primerih, ko se hitrost pretoka viša, se razlika temperatur na konvektorju zmanjšuje. Zato smo izračunali višjo razliko pri zvezni regulaciji kot pri dvostopenjski.

(57)

Izračuni

31

6.2. Izračun notranjih dobitkov

V pripravi na meritve smo zastavili, kakšne toplotne dobitke bomo uporabljali. Za posamezen element moramo izračunati toplotno oddajo, katero bomo upoštevali pri izvedbi meritev. Za posamezne toplotne dobitke so moči različne, zato jih obravnavamo posamezno.

Poiskati smo morali nazivne moči elementov, katere bomo uporabili pri določitvi oddaje toplote.

V eksperimentalni komori smo imeli dve različni namizni svetilki (20 W in 60 W nazivne moči). V enačbi (6.3) smo prikazali izračun za 60 W svetilko, ki je bila pritrjena na pisalni mizi. Imeli smo eno namizno svetilko, zato je pogoj n = 1.

𝑄_𝑁𝐿= 𝑛 ∙ 𝑃_𝑁𝐿∙ 𝑓 = 1 ∙ 60 ∙ 1 = 60 W (6.3)

Enačba (6.4) prikazuje izračun za 20 W namizno svetilko. Preostala dva parametra ostajata enaka zaradi samo ene svetilke s tako nazivno močjo.

𝑄_𝑁𝐿= 𝑛 ∙ 𝑃_𝑁𝐿∙ 𝑓 = 1 ∙ 20 ∙ 1 = 20 W (6.4)

V preglednici 6.6 so prikazane vrednosti oddaje toplote človeka. V preglednici imamo možnost odčitati tri različne toplotne oddaje človeka in vlage, katero ustvari človek.

Vrednosti se lahko razlikujejo glede na stopnjo aktivnosti in temperaturo zraka prostora. Ob meritvah je človek sedel za računalnikom, kar predstavlja mirovanje oziroma stopnjo aktivnosti I do II. Stopnjo aktivnosti razbiramo po standardu DIN 1946-2. Pri meritvah je bila izmerjena temperatura zraka prostora 23 °C, kar pomeni skupno oddajo toplotne moči človeka 120 W.

Preglednica 6.6: Toplotna oddaja človeka [6]

(58)

Izračuni

32

Kot zadnjo vrednost smo morali določiti toplotno oddajo osebnega računalnika, od katerega smo pričakovali največjo toplotno oddajo od vseh elementov. Vrednosti ni bilo treba računati, ker smo jo odčitali v preglednici 6.7. Izbrali smo osebni računalnik z barvnim zaslonom z nazivno močjo 400 W. Nato smo odčitali toplotno oddajo in vzeli srednjo vrednost parametra.

Preglednica 6.7: Referenčne vrednosti toplotne oddaje osebnih računalnikov [6]

V preglednici 6.8 smo prikazali končne vrednosti notranjih toplotnih dobitkov. Za namizne svetilke smo vrednosti združili in zapisali v preglednico. Zapisali smo sešteto vrednost toplotne oddaje vseh notranjih toplotnih dobitkov. Skupna vrednost je več kot polovico manjša od moči kaloriferja, ki ga nismo uporabili v meritvah. V tem primeru imamo realne parametre, ki so v praktičnih primerih pogosti v pisarnah in domovih.

Preglednica 6.8: Rezultati izračuna notranjih toplotnih dobitkov

Objekt/element Toplotna oddaja [W]

Namizne svetilke 80

Oseba 120

Računalnik/naprava 225

Skupna vrednost toplotne oddaje 425

Po definiranju vseh elementov notranjih toplotnih dobitkov smo izračunali toplotno oddajo med delovanjem posameznega elementa. Vse dobljene moči smo sešteli in dobili skupno toplotno oddajo notranjih toplotnih dobitkov. Toplotna moč 425 W je samo oddaja notranjih elementov, zato moramo med meritvami upoštevati tudi zunanje toplotne dobitke.

(59)

33

7 Rezultati in diskusija

Temperaturnega ugodja in preračuna prihrankov sistema hlajenja brez meritev ne moremo prikazati. Iz grafičnega prikaza z rezultati meritev razberemo vrednosti ob dani časovni enoti.

Rezultate bomo pri vsaki točki obrazložili in po posameznem grafu tudi naredili diskusijo meritev ter podali ugotovitve. Prikaz podatkov za izris grafov ni bil mogoč, saj sistem senzor/krmilnik beleži podatke vsako sekundo. Preglednice bi bile preobsežne in nepregledne glede na vsebino.

7.1. Primerjava temperaturnih ugodij

Temperatura je glavna veličina, ki smo jo spremljali na meritvah. Predstavlja glavni parameter, s katerim lahko definiramo temperaturno ugodje v prostoru. Cilj je bila primerjava regulacij tako iz vidika temperaturnega ugodja, kot iz delovanja ventila oziroma odziva sistema.

V preglednici 7.1 smo izračunali povprečni vrednosti temperatur, kateri izmeri termostat v eksperimentalni komori. Povprečni temperaturi smo izračunali v programu Excel glede na graf na sliki 7.1. Z njimi smo želeli pokazati, ali je nastala sprememba glede na zastavljeno vrednost nastavitev.

Preglednica 7.1: Povprečne temperature prostora v primerjavi regulacij Zvezna regulacija

Povprečna temp. prostora 22,98 °C

Standardni odklon σ 0,10 °C

Dvostopenjska regulacija

Povprečna temp. prostora 22,94 °C

Standardni odklon σ 0,64 °C

Vrednost povprečne temperature prostora za dvostopenjsko regulacijo odstopa 0,06 °C od željene, kar je zanemarljivo. Razlika med obema regulacijama v preglednici je 0,04 °C, kar je primerljivo oziroma je vrednost podobna. Na podlagi tega ne moremo razbrati temperaturnega ugodja, saj ne poznamo konstantnosti temperature med delovanjem sistema.

Sam potek in nihanje temperature bomo prikazali v nadaljevanju na sliki 7.1.