Zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe nagrzewnicy - Frost

Teoretycznie wydaje się, że zjawisko takie nie powinno wystąpić, –ponieważ w nagrzewnicy i rurociągach płynie „gorąca woda”. Niestety wszyscy wiemy, że w sezonie zimowym spotykamy się z tym problemem. Konsekwencje awarii, są tak poważne, że ze szczególną uwagą należy podejść do tego problemu na etapie projektowania, montażu i eksploatacji. Zamrożenie nagrzewnicy w centrali wentylacyjnej (klimatyzacyjnej) w czasie mrozów to wyłączenie urządzenia z ruchu, uszkodzenia mechaniczne bloku nagrzewnicy, zalane pomieszczenia, skargi najemców, straty spowodowane przerwami w handlu lub produkcji itd. Zamarznięta woda, powoduje rozerwanie rurek wskutek zwiększania objętości przez lód. Po niekontrolowanym rozmarznięciu następuje wyciek wody z instalacji. Naprawa wymaga specjalistycznych ekip, no i czasu, a tego w czasie mrozów nie mamy za wiele. Straty materialne poniesione z tego tytułu są znaczne – wynikają z kosztów naprawy lub wymiany nagrzewnicy, remontu zalanych pomieszczeń oraz kosztów wynikających z niedotrzymania parametrów powietrza w budynku – lub pomieszczeniach w okresie wyłączenia centrali. Bez sprawnej nagrzewnicy centrala wentylacyjna (klimatyzacyjna) nie jest w stanie zapewnić wymaganych temperatur powietrza nawiewanego.

Rys.1 Przykładowe warunki pracy nagrzewnicy wodnej w centrali wentylacyjnej

Co może być przyczyną takiego zjawiska, –kiedy wydaje się, że nie jest możliwe zamrożenie nagrzewnicy, przez którą płynie "gorąca woda"?:

• Przerwa w dostawie ciepłej wody – lub zaniżone parametry (ciśnienie, temperatura).
• Awaria pompy obiegowej lub jej przypadkowe wyłączenie
• Błąd w oprogramowaniu sterownika (np. brak funkcji wygrzania nagrzewnicy w czasie rozruch zimą, niewłaściwie przeprowadzone odszranianie wymiennika krzyżowego, itp.), zła konfiguracja lub zbyt wolna reakcja na zmiany w obwodzie regulacji (niewłaściwe parametry regulatora PID)
• Opóźnienie regulacji spowodowane sumą czasów wynikających z oddalenia czujnika pomiaru temperatury nawiewu od nagrzewnicy, czasu reakcji czujnika (stałej czasowej, czasem martwym, oraz "uśrednianiem temperatury"), opóźnieniem w pętli regulacji PID, czasem niezbędnym na reakcję siłownika zaworu itd.
• Zbyt duża moc nagrzewnicy w stosunku do potrzeb -przewymiarowanie znacznie obniża przepływ wody zwiększając różnice temperatur powierzchni nagrzewnicy. Następuje duże schłodzenie wody grzejnej
• Zablokowanie zaworu regulacyjnego np. w pozycji zamkniętej
• Awaria siłownika zaworu regulacyjnego
• Niewłaściwie dobrany zawór regulacyjny do mocy nagrzewnicy i parametrów sieci - w szczególności parametr kvs
• Doprowadzenie czynnika grzewczego od góry nagrzewnicy - powrót wody z nagrzewnicy od dołu zwiększa ryzyko zamrożenia ponieważ odprowadzamy czynnik grzejny z nagrzewnicy o najniższej temperaturze na dole gdzie na ogół przepływa powietrze o najniższej temperaturze.
• Uwarstwienie powietrza spowodowane niewłaściwym wymieszanim powietrza świeżego z powietrzem recyrkulowanym w komorze mieszania (zwiększa ryzyko zamrożenia nagrzewnicy)
• Inne błędy projektowe lub wykonawcze

Na rys.1 przedstawiono przykładowe warunki, w jakich może pracować nagrzewnica wodna w centrali wentylacyjnej (klimatyzacyjnej). Na największe zagrożenia narażona jest centrala wentylacyjna nawiewna (bez odzysku ciepła) w wykonaniu dachowym. W tym przypadku na nagrzewnicę kierowane jest „pełne” powietrze zewnętrzne – przykładowo – 20 °C.

W celu zabezpieczenia nagrzewnicy przed zamarzaniem należy zastosować rozwiązania, które polegają na stałym monitorowaniu temperatury powietrza bezpośrednio za nagrzewnicą od strony powietrza „gorącego” lub kontroli temperatury powrotu wody z nagrzewnicy i uruchamianiu odpowiednich procedur w krytycznych sytuacjach. Układy zabezpieczające i algorytmy sterowania powinny pracować w sposób „ciągły” – to znaczy w czasie postoju centrali wentylacyjnej, w czasie rozruchu, w czasie pracy oraz w czasie awarii – szczególnie w czasie awarii „Frost”. Powinny cechować się dużą pewnością oraz szybkością działania. Awaria "FROST" należy do grupy awarii krytycznych - układy automatyki muszą generować alarm powiadamiający obsługę techniczną budynku. Skasowanie alarmu i uruchomienie urządzenia możliwe po usunięciu przyczyny awarii i "ręcznym" potwierdzeniu (skasowaniu) alarmu przez użytkownika. Zalecaną funkcjonalnością jest zarejestrowanie w systemie, kiedy, o której godzinie wystąpiła awaria (z rejestracją parametrów z okres przed, awarii oraz po awarii) następnie rejestracją, kto, kiedy, o której godzinie przyjął informację o awarii i ostatecznie, kto, kiedy potwierdził (usunął przyczynę, skasował alarm, włączył ponownie centralę wentylacyjną do pracy). Automatyczne zbieranie danych zapewnia nam obiektowy system BMS, w którym na etapie początkowym należy zapewnić właściwą konfigurację logów użytkownika i archiwizacji danych.

Ważnym elementem całego systemu jest zapewnienie bezpieczeństwa obsłudze technicznej budynku - firma Odbiory.pl zaleca, aby wszystkie elementy automatyki obiektowej jak siłowniki przepustnic, frost, siłowniki zaworów itd. zasilane były - lub występowało na nich napięcie nie wyższe niż 24 V.

Awaria z tytułu zadziałania frosta w zależności od zastosowanego rozwiązania lub kombinacji poniższych rozwiązań powinna wymusić następujące działania

Tab. 1 Matryca zadziałań elementów automatyki dla pracującej centrali wentylacyjnej w przypadku wystąpienia awarii "FROST"

¹⁾ Dla układów gdzie takie przepustnice występują - czyli central wentylacyjnych nawiewno-wywiewnych i sprzężonych z nawiewem innych układów wywiewnych zawierających przepustnice od strony powietrza zewnętrznego - zabezpieczenie przed wychłodzeniem obiektu.

²⁾ Dodatkowo zabezpiecza przed wychłodzeniem w przypadku zaniku napięcia na obiekcie, na rozdzielnicy sterującej lub awarii sterownika

³⁾ Dla układów gdzie takie wentylatory występują - czyli central wentylacyjnych nawiewno-wywiewnych i sprzężonych z nawiewem innych układów wywiewnych z wentylatorami wyciągowymi - zabezpieczenie przed podciśnieniem w budynku oraz wychłodzeniem obiektu (napływem zimnego powietrza zewnętrznego)

Tab.2 Matryca zadziałań dla elementów automatyki dla centrali wentylacyjnej wyłączonej z ruchu w przypadku wystąpienia awarii "FROST"

¹⁾ Dla układów gdzie takie przepustnice występują - czyli central wentylacyjnych nawiewno-wywiewnych i sprzężonych z nawiewem innych układów wywiewnych zawierających przepustnice od strony powietrza zewnętrznego - zabezpieczenie przed wychłodzeniem obiektu.

²⁾ Dodatkowo zabezpiecza przed wychłodzeniem w przypadku zaniku napięcia na obiekcie, na rozdzielnicy sterującej lub awarii sterownika

³⁾ Dla układów gdzie takie wentylatory występują - czyli central wentylacyjnych nawiewno-wywiewnych i sprzężonych z nawiewem innych układów wywiewnych z wentylatorami wyciągowymi - zabezpieczenie przed podciśnieniem w budynku oraz wychłodzeniem obiektu (napływem zimnego powietrza zewnętrznego)

Tab. 3 Matryca stanów elementów automatyki podczas awarii "FROST"

¹⁾ Dla układów gdzie takie przepustnice występują - czyli central wentylacyjnych nawiewno-wywiewnych i sprzężonych z nawiewem innych układów wywiewnych zawierających przepustnice od strony powietrza zewnętrznego - zabezpieczenie przed wychłodzeniem obiektu.

²⁾ Dodatkowo zabezpiecza przed wychłodzeniem w przypadku zaniku napięcia na obiekcie, na rozdzielnicy sterującej lub awarii sterownika

³⁾ Dla układów gdzie takie wentylatory występują - czyli central wentylacyjnych nawiewno-wywiewnych i sprzężonych z nawiewem innych układów wywiewnych z wentylatorami wyciągowymi - zabezpieczenie przed podciśnieniem w budynku oraz wychłodzeniem obiektu (napływem zimnego powietrza zewnętrznego)