Automatyka rekuperatora – zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe cz. 2

W poprzednim artykule omówiłem najprostszy sposób zabezpieczenia rekuperatora polegający na okresowym wyłączaniu wentylatora nawiewnego w przypadku wykrycia ryzyka zamarzania.  Tym razem pokażemy jak automatyka rekuperatora radzi sobie z problemem zamarzania wymiennika poprzez sterowanie dodatkową nagrzewnicą elektryczną.

Centrala rekuperacyjna z nagrzewnicą elektryczną

W celu zabezpieczenia rekuperatora przed zamarznięciem, centralę wyposaża się w dodatkową nagrzewnicę elektryczną. Nagrzewnica taka umieszczona jest przed wymiennikiem ciepła po stronie nawiewu (rysunek poniżej). W przypadku stwierdzenia ryzyka oblodzenia sekcji odzysku, nagrzewnica ogrzewa powietrze nawiewane podawane na wymiennik co powoduje podniesienie temperatury przegród między strumieniami powietrza w rekuperatorze i w rezultacie zażegnanie ryzyka oblodzenia. Samą moc nagrzewnicy dobiera producent centrali biorąc pod uwagę sprawność rekuperatora oraz maksymalny wydatek centrali.

Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła - centrala rekuperacyjna z nagrzewnicą elektryczną

Automatyka rekuperatora – wykorzystanie informacji z termostatu lub presostatu do sterowania nagrzewnicą

Jak pamiętamy z poprzedniego wpisu dotyczącego problemu szronienia rekuperatora, sterownik centrali rekuperacyjnej otrzymuje informacje o stanie wymiennika z odpowiednich elementów pomiarowych: czujników temperatury powietrza, termostatów lub presostatów. W przypadku obniżenia temperatury poniżej pewnego zdefiniowanego przez producenta centrali rekuperacyjnej progu (lub podniesienia spadku ciśnienia), termostat umieszczony na wylocie z wymiennika po stronie wywiewu (lub presostat mierzący spadek ciśnienia na wymienniku po stronie wywiewu) wysyła informację do sterownika, że należy rozpocząć procedurę odszraniania. Sterownik po otrzymaniu takiej informacji załącza nagrzewnicę elektryczną tak, aby pracowała z pełną mocą. Wyłączenie nagrzewnicy następuje, gdy temperatura powietrza za wymiennikiem na wywiewie podniesie się do określonej przez producenta wartości (lub zmniejszy spadek ciśnienia). W nowszych rozwiązaniach zamiast termostatu stosuje się czujnik temperatury, dzięki czego próg załączenia i wyłączenia zabezpieczenia może być zadawany z poziomu panelu sterownika. Jak pamiętamy, różnicę pomiędzy tymi progami nazywamy szerokością histerezy. Od szerokości histerezy zależy na jak długo (i jak często) załączać się będzie zabezpieczenie. Przy danych temperaturach powietrza na czerpni i wywiewie, tym częściej (i na krócej) się będzie załączać zabezpieczenie, im histereza będzie mniejsza. Schemat takiego układu automatyki pokazałem na rysunku poniżej.

Schemat automatyki rekuperatora zabezpieczenie nagrzewnica elektryczna sterowana termostatem

Automatyka rekuperatora – płynne sterowanie nagrzewnicą

W bardziej zaawansowanych układach sterowania moc nagrzewnicy elektrycznej dopasowywana jest do aktualnej temperatury powietrza za wymiennikiem po stronie wywiewu. Dzieje się tak ze względu na wykorzystanie tzw. sterowania grupowego nagrzewnicą. Sterownik pracy centrali rekuperacyjnej, odczytaną temperaturę powietrza porównuje z pewną wartością zadaną TR. Wartość ta, to minimalna wartość temperatury powietrza na wyrzutni, która gwarantuje pracę wymiennika bez szronienia. Jeśli temperatura na wyrzutni jest większa od TR, to procedura jest wyłączona i nagrzewnica nie grzeje. W przeciwnym razie odpowiedni algorytm regulatora wylicza, jakie jest zapotrzebowanie na moc, aby zminimalizować różnicę pomiędzy temperaturą na wyrzutni i wartością TR. Dzięki takiemu podejściu nagrzewnica pracuje dokładnie z taką mocą, jaka jest wymagana. Sposób działania takiego zabezpieczenia pokazałem na poniższym schemacie.

Automatyka rekuperatora - zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe, sterowanie grupowe (PWM) nagrzewnicą elektryczną

Dla dociekliwych – sterowanie grupowe, PWM

Sterowanie grupowe polega na tym, że napięcie zasilające jest podawane na grzałkę tylko przez określony czas w każdym cyklu sterowania nagrzewnicą. Czas ten jest proporcjonalny do zapotrzebowania na moc, wyliczonego przez algorytmy regulatora. Długość cyklu sterowania grzałką określona jest przez producenta sterownika i typowo wynosi od 1s do 10s. Stosunek czasu załączenia do długości cyklu nazywamy wypełnieniem sygnału (może też być ono wyrażone w procentach), natomiast sam sygnał sterujący nazywamy sygnałem o modulowanej szerokości impulsów (PWM – z ang. pulse-width modulation).

Dodatkowa nagrzewnica elektryczna – wnioski końcowe

Zaproponowany sposób zabezpieczenia rekuperatora jest coraz chętniej stosowany tam, gdzie nie ma możliwości zastosowania gruntowego wymiennika ciepła. Na uwagę zasługuje szczególnie drugi z pokazanych algorytmów – z płynnym sterowaniem mocą nagrzewnicy. Ze względu na coraz niższe ceny elementów półprzewodnikowych mocy nie zwiększa on zbytnio kosztów zakupu automatyki rekuperatora.

Jak się łatwo przekonać, zabezpieczenie rekuperatora przy pomocy nagrzewnicy elektrycznej zwiększa koszty eksploatacji urządzenia. Problemem tym zajmę się w jednym z kolejnych artykułów, gdzie porównam sposoby zabezpieczeń pod kątem efektywności ekonomicznej.

Na koniec chciałbym zaznaczyć, że dwa przedstawione algorytmy sterowania nagrzewnicą elektryczną w celu zabezpieczenia wymiennika przed oblodzeniem są tylko wybranymi z szerokiej gamy algorytmów, które można znaleźć w sterownikach układów wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła dostępnych na rynku.

 

4 myśli nt. „Automatyka rekuperatora – zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe cz. 2

    1. Piotr Kaczmarek Autor wpisu

      Oczywiście nagrzewnica wodna umieszczona przed sekcją odzysku też spełni swoją rolę. Wadą jednak nagrzewnicy wodnej umieszczanej przed rekuperatorem jest ryzyko zamarznięcia czynnika (wody). W związku z tym ryzykiem nagrzewnica wodna mogłaby się częściej załączać (zimą byłaby prawdopodobnie cały czas załączona) niż elektryczna przez co spadałby jeszcze bardziej sumaryczna sprawność odzysku energii. Kolejnym problemem byłaby płynna regulacja temperatury za nagrzewnicą, która wymagałaby dużo droższego zaworu z siłownikiem od układu sterowania nagrzewnicą elektryczną.

      Odpowiedz
    1. Piotr Kaczmarek Autor wpisu

      Witam,

      nie, nie robiłem takiego porównania. U siebie mam wykonane GWC i jeszcze nie zdarzyło mi się, aby załączył się bypass wymiennika przeciwprądowego (więc również nie załączyłaby się nagrzewnica elektryczna).
      Oszacowanie ilości energii, jaką zużyje nagrzewnica dla miesiąca stycznia pokazałem w artykule napisanym dla portalu portalinstalacyjny.pl.

      Przy kalkulacji należy pamiętać, że wstępna nagrzewnica elektryczna jest zabezpieczeniem generującym koszt (załącza się w przypadku procedury zabezpieczającej przed zamrożeniem wymiennika) natomiast GWC przynosi zysk przez cały czas (coraz mniejszy im dłużej eksploatowany ze względu na wyziębianie gruntu). Oczywiście koszty instalacji GWC wielokrotnie przewyższają koszty zakupu nagrzewnicy elektrycznej. Przy kalkulacjach opłacalności GWC należy też zwrócić uwagę na fakt, że wprowadzamy do instalacji dodatkowe opory powodujące wzrost zużycia energii przez wentylator nawiewny.

      Pozdrawiam

      Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *