Algorytm nocnego przewietrzania

ALGORYTM NOCNEGO PRZEWIETRZANIA redukuje koszty, które powstają w trakcie produkcji chłodu w układach klimatyzacji. Efektem końcowym jest zmniejszone zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz przyjemne uczucie świeżości w budynku w godzinach porannych (przedpołudniowych). Działanie ALGORYTMU NOCNEGO PRZEWIETRZANIA w uproszczeniu polega na "przewietrzaniu" obiektu w nocy lub nad ranem chłodnym powietrzem zewnętrznym o temperaturze niższej niż ta w obiekcie. Efektywny w budynkach o dużej pojemności cieplnej. Wymaga dostosowania konstrukcji i instalacji. .

Poniższy wykres przedstawia przybliżoną analizę warunków zewnętrznych wykorzystywanych w nocnym przewietrzaniu gdzie,

Rysunek 1. Minimalne i maksymalne temperatury w poszczególnych dniach miesięcy czerwiec, lipiec, sierpień 2018r,

• kolorem czerwonym oznaczono maksymalne temperatury zewnętrzne dla poszczególnych dni w miesiącach czerwiec, lipiec, sierpień 2018r
• kolorem niebieskim oznaczono najniższe temperatury zewnętrzne dla poszczególnych dni w miesiącach czerwiec, lipiec, sierpień 2018r
• kolorem zielonym (górna pozioma linia) oznaczono zadaną wartość temperatury zewnętrznej poniżej, której następuje załączenia algorytmu (tu 19^oC).
• dolna czarna linia 12^oC to temperatura zewnętrzna poniżej której wyłączamy działanie algorytmu.

Zielone wypełnienie ilustruje potencjalnie korzystne warunki dla pracy algorytmu. Występują one najczęściej w godzinach między 4:00 a 7:00 rano. Należy jednak pamiętać, że załączenie instalacji ograniczają niekorzystne warunki zewnętrzne takie jak:

• zbyt wysoką temperaturę zewnętrzna powyżej założonej. Zjawisko może występować w bardzo upalne letnie dni (rys. 1 - temperatura zewnętrzna powyżej założonej),
• zbyt wysoką wilgotność powietrza nawiewanego. Pominięcie tego ograniczenia może skutkować zawilgoceniem pomieszczeń.
• inne zjawiska jak wiatr, deszcz, zadymienie, spaliny, brzydkie zapachy itd.

Warunkiem efektywnego działanie ALGORYTMU NOCNEGO PRZEWIETRZANIA jest prawidłowo zaprojektowana konstrukcja budynku i instalacja wentylacji przystosowane do wdrożenie tego sterowania. System nocnego chłodzenia przy wykorzystaniu ALGORYTMU NOCNEGO PRZEWIETRZANIA najlepiej spełni swoją rolę, gdy w trakcie jego działania oprócz usunięcia zysków ciepła z dnia poprzedniego umożliowi zmagazynowanie pewnej ilości chłodu wewnątrz obiektu. Magazynem w takim przypadku są elementy konstrukcyjne o dużej pojemności cieplnej jak stropy, słupy, murowane ściany itd.. Schłodzone elementy konstrukcyjne działają nie tylko jako magazyn chłodu ale również poprawiają "temperaturę odczuwalną", która jest wypadkową temperatury w pomieszczeniu i elementów otoczenia (więcej w rozdziale poświęconym tematowi komfortu). W skrócie jeśli w pomieszczeniu elementy otaczające nas, ściany, stropy, słupy itd. mają temperaturę niższą niż temperatura powietrza, to temperatura odczuwalna będzie niższa niż w pomieszczeniu. Zjawisko to stwarza pewne zagrożenie, że przy zbyt dużym schłodzeniu konstrukcji osoby przebywające w budynku w godzinach porannych będą odczuwać dyskomfort i będzie im się wydawało, ze temperatura jest zaniżona (więcej w rozdziale poświęconym tematowi komfortu).

Rysunek 2. praca algorytmu "nocy"; wykorzystanie zakumulowanego chłodu w godzinach porannych

Opracowanie ALGORYTMU NOCNEGO PRZEWIETRZANIA dla obiektu wymaga wnikliwej analizy wielu zmiennych. Termodynamika zjawisk zachodzących w czasie nocnego chłodzenia jest dość skomplikowana i wymaga przekazania szczegółowych wytycznych dla branży automatyki. W analizie opłacalności należy uwzględnić uzyskany zysk z działania algorytmu w zakresie produkcji chłodu oraz koszty wydatkowane na pracę urządzeń takich jak wentylatory nawiewne i wyciągowe, koszt automatyki i oprogramowania. W układach wykorzystujących wentylatory nawiewne central wentylacyjnych należy uwzględnić wzrost temperatury w układach wentylacji spowodowany sprężem powietrza jaki i odzyskiem ciepła z silników wentylatorów (zazwyczaj przyrost około 1ºC) Funkcja nocnego przewietrzania powinna być aktywowana z poziomu katalogów czasowych w porze doby, kiedy pomieszczenia nie są użytkowane. W przypadku raptownej zmiany pogody lub zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu obiektu należy przewidzieć awaryjne wyłączenie - automatyczne lub ręczne przez obsługę budynku. Dużym błędem jest załączenie wentylatorów w nocy z poziomu katalogów czasowych bez dodatkowych warunków w szczególności temperaturowych.

Poniższy diagram ilustrację przykładowe działanie algorytmu w czasie jego nocnej pracy. Koniec okresu użytkowania jest początkiem analizy warunków przez sterownik. Po osiągnięciu zakładanych parametrów układ załączą się. W pierwszym etapie załączenie na ściśle określony czas (zapobiega to przypadkowym załączeniom i wyłączeniem). Następnie instalacja pracuje do osiągnięcia parametrów, które spowodują jej wyłączenie - czyli osiągnięcie zadanej temperatury lub zakończenie okresu pracy algorytmu.

Rys. 3 Przykładowy algorytm dla nocnego przewietrzania

Efektywne działanie ALGORYTMU NOCNEGO PRZEWIETRZANIA wymaga spełnienia szeregu warunków na różnych etapach jego projektowanie, wdrożenia i funkcjonowania takich jak,

• określenie temperatura zadanej w pomieszczeniu powyżej, której następuje załączenie instalacji
• przyjęcie do przewietrzania odpowiednio niskiej temperatura powietrza zewnętrznego w nocy (przy czym nie za niskiej; często przyjmowany zakres temperatur zewnętrznych to przedział pomiędzy 12ºC a 19ºC),
• określenie minimalnej różnicy pomiędzy temperaturą w pomieszczeniu a temperaturą zewnętrzną Zwyczajowo 3ºC do 5ºC. Przy systemie aktywnym wykorzystującym centralę wentylacyjną zakres będzie większy wynikający ze wzrostu temperatury powietrz nawiewanego na wentylatorze nawiewnym (około 1ºC spręż i zysk ciepła)
• założenie wilgotność względna powietrza użytego do przewietrzania z punktem rosy poniżej założonej wartości (często na poziomie poniżej 12ºC),
• spełnienie szeregu parametrów gwarantujących "dobrą" jakość powietrza zewnętrznego czyli brak pyłów, dymów, spalin, brzydkich zapachów, owadów(przy biernym) itd.,
• spełnienie warunku wymaganego czasu pracy do osiągnięcia założonych parametrów temperaturowych przy czym powyżej pewnego założonego minimalnego
• współpraca z obiektowym systemem bezpieczeństwa pożarowego. Wyłączenie nocnego przewietrzania na sygnał z CSP
• współpraca z obiektowym systemem ochrony budynku
• brak awarii krytycznych w systemach instalacji wentylacji
• projekt architektoniczny musi być wykonany w sposób zapewniający akumulację chłodu w elementach konstrukcyjnych budynku,
• w celu efektywnej pracy system instalacji wentylacji mechanicznej musi być przystosowany do wdrożenia nocnego przewietrzania
• w czasie projektowania powinna być zapewniona bliska współpraca projektantów konstrukcji budynku, branży mechanicznej, automatyki i BMS z osobami odpowiedzialnymi za uruchomienie systemu na obiekcie.
• muszą być określone szczegółowe wytyczne od branży mechanicznej i konstrukcyjnej dla wykonawcy automatyki pozwalające opracować projekt i oprogramowanie sterowników dla całego systemu
• układy automatyki i sterowania w tym oprogramowanie budynku przystosowane do ALGORYTMU NOCNEGO PRZEWIETRZANIA
• analiza danych przez obsługę techniczną budynku w czasie eksploatacji potwierdzająca efektywną pracę systemu lub stwierdzenie nieprawidłowości z wdrożeniem korekt.
• organizacja pracy, ochrona fizyczna obiektu

Poniżej przedstawiono przykładowy algorytm. Oczywiście nie zawiera on wszystkich zmiennych ani zabezpieczeń. Stanowi graficzny przykład wizualizacji przebiegu procesu zrozumiały dla wszystkich uczestników.

Rys. 4 Przykładowy diagram dla nocnego przewietrzania

Korzyści

• oszczędność energii elektrycznej zużytej na pracę układów chłodu
• zmniejszenie czasu pracy urządzeń wykorzystywanych do produkcji chłodu przez co następuje zmniejszenie ich zużycia. Efektem dodatkowym potencjalnej wydłużenie okresy pomiędzy przeglądami
• świeże powietrze w budynku w godzinach porannych

Zagrożenia związane z nocnym przewietrzaniem

• zawilgocenie pomieszczeń przy zbyt dużej wilgotności powietrza zewnętrznego wykorzystywanego do przewietrzania
• odczucie nadmiernego chłodu w pomieszczeniach w przypadku zbyt dużego schłodzenia konstrukcji
• dymy, spaliny, i nieprzyjemne zapachy z zewnątrz
• przy biernym przewietrzaniu zagrożenia bezpieczeństwa związane z otwartymi oknami, drzwiami, bramami, klapami
• przy biernym przewietrzaniu owady i insekty w obiekcie, które mogą się przedostać przez otwarte otwory
• przy biernym przewietrzaniu pył, kurz, śmieci, które mogą się przedostać przez otwarte otwory
• przy biernym przewietrzaniu podwyższony hałas wewnętrzny w związku z otwartymi otworami (w związku z pracą w godzinach poza użytkowaniem wydaje się mało istotny)
• koszty pracy systemu większe niż uzyskane oszczędności (w szczególności w systemach wykorzystujących pracę central wentylacyjnych i wentylatorów wyciągowych)
• zwiększone zużycie elementów w układach nawiewnych i wyciągowych, (filtry, łożyska, paski klinowe itd.)
• błędy w oprogramowaniu który mogą być przyczyną zagrożeń lub braku efektywności
• gwałtowna zmiana warunków pogodowych np. deszcz, wiatr, dym itd.

Nocne przewietrzanie wykorzystujące ALGORYTM NOCNEGO PRZEWIETRZANIA funkcjonalnie można podzielić na trzy typy

• bierny, wykorzystujący tylko fizyczne właściwości powietrza i jego naturalną cyrkulację
• aktywny, wykorzystujący elementy instalacji wentylacji mechanicznej (centrale wentylacyjne, wentylatory wyciągowe, kanały wentylacyjne)
• hybrydowy, będący miksem dwóch powyższych (Systemy hybrydowe mogą aktywować pomoc dla fanów tylko wtedy, gdy naturalna wentylacja jest niewystarczająca)

Sterowanie w sposób bierny

Funkcjonalnie polega na wymuszeniu obiegu powietrza wykorzystując jego fizyczne właściwości. Po spełnieniu warunków zewnętrznych i wewnętrznych otwieramy klapy powietrzne (np. w dachu, na klatkach schodowych itp. ), okna, drzwi, bramy na parterze, wymuszając naturalny cyrkulację powietrza. A tak wprost to robimy "przeciąg". Architektura powinna zapewniać jak najlepszy obieg powietrza (przykład rysunek 4). Dla biernego nocnego przewietrzania należy uwzględnić wyłączenie - zakończenie nocnego przewietrzania w czasie deszczu lub silnego wiatru. Awaryjne zakończenie bez względu na algorytm np. na sygnał z centrali pożarowej, niekorzystne warunki atmosferyczne zagrażające instalacją lub budynkowi (np. nagłe pogorszenie pogody)

Systemy pierwotne polegają na pasywnej lub naturalnej wentylacji, aby dostarczać świeże powietrze zewnętrzne do budynku i usuwać ciepłe powietrze wewnętrzne, a tym samym usuwać ciepło z masy termicznej. Wentylacja naturalna może być napędzana przez wiatr lub napędzana pływalnością. Wentylacja sterowana wypornością może być szczególnie skuteczna jako pasywny mechanizm do czyszczenia w nocy, ponieważ jest to zwykle pora dnia, kiedy różnica między temperaturą wewnętrzną i zewnętrzną jest największa, a więc efekt stosu jest najsilniejszy. Systemy pasywne mają bardzo niskie koszty operacyjne i konserwacyjne. Wymagają one jednak ścieżek otwartego powietrza w budynku, co może być kwestią bezpieczeństwa lub prywatności, a naturalna wentylacja może nie być możliwa z powodu lokalnej jakości powietrza lub problemów z hałasem.

Rysunek 5. Przykład źle i dobrze zaprojektowanego obiegu powietrza w czasie działania algorytmu

Projektując i wdrażając ALGORYTM BIERNEGO NOCNEGO PRZEWIETRZANIA należy zwrócić uwagę, na szereg elementów niezbędnych do jego prawidłowego działania czyli:

• określenie warunków, kiedy następuje jego załączenie czyli zdefiniowanie określonych wymagań środowiskowych - najczęściej temperaturowych i wilgotności
• do rozważenia jako wariant - uruchomienie algorytmu przez ochronę fizyczną obiektu
• awaryjne zatrzymanie (automatyczne i ręczne) z tytułu zagrożenia np. warunków atmosferyczne, zagrożenie włamaniem, dym. Ręcznie w przypadku wwystąpienia zdarzeń, których nie dało się zdefiniować w układach automatyki a stwarzają zagrożenie
• na zewnątrz brak niekorzystnych warunków takich jak deszcz, ponadnormatywny wiatr, dym, zapylenie i innych
• na zewnątrz brak spalin, dymów, nieprzyjemnych zapachów
• brak pyłów, kurzu, piasku, liści w powietrzu
• zabezpieczenie obiektu przed dostępem ptaków, owadów, insektów i innych zwierząt
• zabezpieczenie obiektu przed dostępem osób nieuprawnionych
• uchronienie przez ochronę fizyczną obiektu - po sygnale mamy warunki (zielona lampka w ochronie).

Z powodzeniem może być stosowany w mniej skomplikowanych obiektach - np. hale magazynowe, proste centra handlowe itp. natural night flushing, the process of manually opening and closing windows

Sterowanie w sposób aktywny

Wykorzystuje elementy instalacji wentylacji mechanicznej. Start wentylacji nawiewnej i wyciągowej w nocy lub nad ranem po spełnieniu warunków. Ze względu na występujące koszty pracy urządzeń należy każdorazowo przeprowadzić analizę, żeby się nie okazało, ze działanie algorytmu pobiera więcej energii (kosztuje nas) niż jesteśmy w stanie pozyskać ¹⁾. Praca wentylatora zużywa energię, ale zwykle będzie to mniej niż pełne systemy HVAC. Do poprawnej pracy może wykorzystywać wewnętrzną temperaturę konstrukcji budynku może być wartością przydatną w wypracowaniu punktu załączenia nocnego przewietrzania.

Nocne przewietrzanie dla instalacji wentylacyjnej uruchomiane jest, gdy:

• pomieszczenia nie są użytkowanie
• funkcja ta jest odblokowana
• brak sygnałów blokujących start (od systemów bezpieczeństwa obiektu lub analizy powietrza zewnętrznego)
• podłączone są czujniki temperatury w pomieszczeniu i temperatury zewnętrznej
• brak awarii krytycznych w instalacji wentylacji
• temperatura zewnętrzna jest powyżej ustawionego ograniczenia - zwyczaj 12 do 14 ^oC
• temperatura w pomieszczeniu przekracza ustawiony poziom ograniczenia - ok 22 ^oC
• różnica pomiędzy temperaturą w pomieszczeniu i temperaturą zewnętrzną "DELTA" przekroczy nastawioną wartość pomiędzy 3 - 5 ^oC

Rys. 6 Przykładowa pracy centrali wentylacyjnej w trakcie nocnego przewietrzania

W trybie "Nocne przewietrzanie" oprogramowanie sterownika aktywuje następujące sterowania:
- Przepustnice powietrza typu Otwórz/Zamknij są w pozycji - OTWARTEJ
- Przepustnice mieszające - nawiew i wywiew otwarte na maksimum - przepustnica recyrkulacji zamknięta
- silnik wentylatora nawiewu załączony na maksymalną prędkość - wentylacja pracuje z maksymalną wydajnością czyli:
- silnik jednobiegowy załączony lub
- silnik dwubiegowy załączony na drugi bieg lub
- silnik z falownikiem ustawiony na maksymalne obroty dopuszczalne przez instalację
- chłodnica wyłączona - wysterowanie zaworu chłodnicy 0%
- nagrzewnica wyłączona - wysterowanie zaworu nagrzewnicy 0%
- odzysk ciepła wyłączony - wysterowanie 0%
- pętle sterowania komfortem w pomieszczeniach wyłączone

Nocne przewietrzanie za pomocą instalacji mechanicznej powinno uwzględniać:

• wzrost temperatury na wentylatorze nawiewnym
• zabezpieczenie instalacji przed zbyt zimnym powietrzem nawiewanym (ryzyko kondensacji)

Nocne przewietrzanie wyłączone jest, gdy:

• otrzyma sygnał z programu czasowego sterującego obiektem
• po wygaśnięciu zdefiniowanego minimum czasu pracy, jeśli jeden z warunków załączenie przestał funkcjonować
• wystąpi awaria krytyczna w instalacji

¹⁾ - w analizie opłacalności załączenia "ALGORYTMU NOCNEGO PRZERWIETRZANIA" należy uwzględnić koszty związane z pracą układów wentylacji (silników wentylatorów) lub innych urządzeń wykorzystanych do sterowania.

Funkcja nocnego przewietrzania powinna być właściwie zoptymalizowana w sterowniku pod kątem obiektu w celu zagwarantowania oszczędności energetycznych.