Zmienna objętość powietrza

Zmienna objętość powietrza ( VAV ) to rodzaj systemu ogrzewania, wentylacji i/lub klimatyzacji ( HVAC ). W przeciwieństwie do o stałej objętości powietrza (CAV), które zapewniają stały przepływ powietrza przy zmiennej temperaturze, systemy VAV zmieniają przepływ powietrza przy stałej lub zmiennej temperaturze. Zalety systemów VAV w porównaniu z systemami o stałej objętości obejmują bardziej precyzyjną kontrolę temperatury, mniejsze zużycie sprężarki, mniejsze zużycie energii przez wentylatory systemowe, cichszy wentylator i dodatkowe pasywne osuszanie.

Technologia VAV Box

Najprostszą formą skrzynki VAV jest konfiguracja z pojedynczym kanałem, który jest podłączony do pojedynczego kanału powietrza nawiewanego , który dostarcza uzdatnione powietrze z centrali wentylacyjnej (AHU) do przestrzeni obsługiwanej przez skrzynkę. Ta konfiguracja może dostarczać powietrze o różnych temperaturach lub objętościach, aby sprostać obciążeniom ogrzewania i chłodzenia, a także szybkości wentylacji wymaganej przez przestrzeń.

Najczęściej skrzynki VAV są niezależne od ciśnienia, co oznacza, że ​​skrzynka VAV wykorzystuje elementy sterujące w celu zapewnienia stałego natężenia przepływu niezależnie od zmian ciśnień w układzie występujących na wlocie VAV. Osiąga się to za pomocą czujnika przepływu powietrza, który jest umieszczony na wlocie VAV, który otwiera lub zamyka przepustnicę w skrzynce VAV w celu regulacji przepływu powietrza. Różnica między skrzynkami CAV i VAV polega na tym, że skrzynki VAV można zaprogramować tak, aby modulowały różne wartości zadane natężenia przepływu w zależności od warunków panujących w pomieszczeniu. Skrzynka VAV jest zaprogramowana do pracy w zakresie od minimalnej do maksymalnej wartości zadanej przepływu powietrza i może modulować przepływ powietrza w zależności od obecności, temperatury lub innych parametrów sterowania. Skrzynka CAV może działać tylko między stałą, maksymalną wartością lub stanem „wyłączonym”. Ta różnica oznacza, że ​​skrzynka VAV może zapewnić dokładniejszą kontrolę temperatury w pomieszczeniu przy znacznie mniejszym zużyciu energii. Innym powodem, dla którego skrzynki VAV oszczędzają więcej energii, jest to, że są one połączone napędy o zmiennej prędkości na wentylatorach , dzięki czemu wentylatory mogą zwalniać, gdy skrzynki VAV znajdują się w warunkach częściowego obciążenia.

Skrzynki VAV często zawierają formę podgrzewania, albo elektryczne, albo wodne cewki grzewcze. Podczas gdy cewki elektryczne działają na zasadzie elektrycznego ogrzewania oporowego, w którym energia elektryczna jest przekształcana w ciepło poprzez opór elektryczny, ogrzewanie wodne wykorzystuje gorącą wodę do przenoszenia ciepła z cewki do powietrza. Dodanie wężownic grzewczych umożliwia skrzynce regulację temperatury powietrza nawiewanego w celu spełnienia obciążeń grzewczych w przestrzeni przy jednoczesnym zapewnieniu wymaganego współczynnika wentylacji. W niektórych zastosowaniach przestrzeń może wymagać tak dużej wymiany powietrza, że ​​stwarza to ryzyko przechłodzenia. W tym scenariuszu wężownice dogrzewające mogą zwiększać temperaturę powietrza, aby utrzymać nastawę temperatury w pomieszczeniu. Ten scenariusz zwykle ma miejsce podczas sezonów chłodniczych w budynkach, które mają strefy obwodowe i wewnętrzne. Strefy obwodowe, bardziej nasłonecznione, wymagają niższej temperatury powietrza nawiewanego z centrali wentylacyjnej niż strefy wewnętrzne, które są mniej nasłonecznione i zwykle pozostają chłodniejsze niż strefy obwodowe, gdy nie są klimatyzowane. Przy tej samej temperaturze powietrza nawiewanego dostarczanej do obu stref, nagrzewnice dogrzewające muszą podgrzewać powietrze do strefy wewnętrznej, aby uniknąć przechłodzenia.

Wielostrefowe systemy VAV

Natężenie przepływu dmuchawy powietrza jest zmienne. W przypadku pojedynczej centrali wentylacyjnej VAV , która obsługuje wiele stref termicznych, natężenie przepływu do każdej strefy również musi być zróżnicowane.

Prosta jednostka końcowa VAV

Jednostka końcowa VAV , często nazywana skrzynką VAV , jest urządzeniem do kontroli przepływu na poziomie strefy. Zasadniczo jest to skalibrowana przepustnica powietrza z automatycznym siłownikiem . Jednostka końcowa VAV jest podłączona do lokalnego lub centralnego systemu sterowania. W przeszłości pneumatyczne było powszechne, ale elektroniczne systemy bezpośredniego sterowania cyfrowego są popularne zwłaszcza w zastosowaniach o średnich i dużych rozmiarach. Popularne jest również sterowanie hybrydowe, na przykład z siłownikami pneumatycznymi z cyfrowym gromadzeniem danych.

Typowa aplikacja komercyjna jest pokazana na schemacie. Ten system VAV składa się ze skrzynki VAV, przewodów i czterech zwodów.

Sterowanie wentylatorem — podstawowy przegląd systemu niezależnego od ciśnienia

Kontrola wydajności wentylatora systemu ma kluczowe znaczenie w systemach VAV. Bez odpowiedniej i szybkiej kontroli natężenia przepływu przewody instalacji lub jej uszczelnienia mogą zostać łatwo uszkodzone przez nadciśnienie. W trybie chłodzenia, gdy temperatura w pomieszczeniu jest zadowalająca, skrzynka VAV zamyka się, aby ograniczyć dopływ chłodnego powietrza do pomieszczenia. Wraz ze wzrostem temperatury w pomieszczeniu pudełko otwiera się, aby obniżyć temperaturę. Wentylator utrzymuje stałe ciśnienie statyczne w kanale wylotowym niezależnie od położenia skrzynki VAV. Dlatego, gdy skrzynka się zamyka, wentylator zwalnia lub ogranicza ilość powietrza wpływającego do kanału nawiewnego. Gdy skrzynka się otwiera, wentylator przyspiesza i umożliwia większy przepływ powietrza do kanału, utrzymując stałe ciśnienie statyczne.

Jednym z wyzwań dla systemów VAV jest zapewnienie odpowiedniej kontroli temperatury w wielu strefach o różnych warunkach środowiskowych, takich jak biuro na oszklonym obwodzie budynku czy biuro wewnętrzne na końcu korytarza. Systemy dwukanałowe dostarczają chłodne powietrze w jednym kanale i ciepłe powietrze w drugim kanale, aby zapewnić odpowiednią temperaturę mieszanego powietrza nawiewanego dla dowolnej strefy. Dodatkowy kanał jest jednak kłopotliwy i kosztowny. Dogrzewanie powietrza z jednego kanału za pomocą ogrzewania elektrycznego lub ciepłej wody jest często rozwiązaniem bardziej ekonomicznym.

Aplikacje do podgrzewania — kwestie sterowania i energii

Tradycyjne systemy dogrzewania VAV wykorzystują minimalny przepływ powietrza od 30% do 50% projektowego przepływu powietrza. Te minimalne wartości przepływu powietrza zostały wybrane, aby uniknąć ryzyka niedostatecznej wentylacji i problemów z komfortem termicznym. Jednak opublikowanych badań potwierdzających skuteczność tego podejścia jest niewiele. Systemy działające przy niższych minimalnych zakresach przepływu powietrza (od 10% do 20% projektowego przepływu powietrza) zużywają mniej energii wentylatora i nagrzewnicy w porównaniu z tradycyjnym systemem, a ostatnie badania wykazały, że komfort cieplny i odpowiednią wentylację można nadal osiągnąć przy tych niższych minimum.

Systemy dogrzewania VAV wykorzystujące wyższy minimalny przepływ powietrza zazwyczaj wykorzystują konwencjonalną sekwencję sterowania „pojedynczym maksimum”. W ramach tej sekwencji sterowania wybierana jest pojedyncza maksymalna nastawa przepływu powietrza chłodzącego dla projektowych warunków chłodzenia. Przepływ powietrza chłodzącego jest stopniowo obniżany do minimalnej wartości zadanej przepływu powietrza, na której pozostaje, gdy temperatura w pomieszczeniu spada powyżej wartości zadanej temperatury chłodzenia. Po osiągnięciu nastawy ogrzewania włącza się elektryczna lub wodna nagrzewnica i stopniowo dostarcza więcej ciepła, aż do osiągnięcia maksymalnej wydajności grzewczej przy projektowej temperaturze ogrzewania.

Badania wykazały, że użycie innej sekwencji sterowania „podwójnego maksimum” może zaoszczędzić znaczne ilości energii w porównaniu z konwencjonalną sekwencją sterowania „pojedynczego maksimum”. Osiąga się to dzięki zastosowaniu sekwencji „podwójnego maksimum” z niższymi minimalnymi prędkościami przepływu powietrza. W ramach tej sekwencji sterowania wybierany jest ten sam maksymalny przepływ powietrza chłodzącego, który jest podobnie obniżany wraz ze spadkiem temperatury pomieszczenia. Zanim temperatura w pomieszczeniu spadnie do wartości zadanej temperatury chłodzenia, przepływ powietrza osiągnie niższą wartość minimalną niż zastosowana w sekwencji „pojedynczego maksimum” (10% - 20% vs. 30% - 50% maksymalnego przepływu powietrza chłodzącego). Gdy temperatura w pomieszczeniu osiągnie nastawę temperatury ogrzewania, nagrzewnica zostaje aktywowana i zwiększa swoją moc elektryczną (w przypadku nagrzewnic elektrycznych) lub pozycję zaworu ciepłej wody (w przypadku nagrzewnic hydraulicznych), podczas gdy przepływ powietrza pozostaje na minimalnej nastawie. Gdy nagrzewnica osiągnie maksymalną wydajność grzewczą, po dalszym spadku temperatury pomieszczenia, przepływ powietrza jest zwiększany aż do osiągnięcia maksymalnej nastawy przepływu powietrza grzewczego (zwykle około 50% maksymalnego przepływu powietrza chłodzącego).