Общее описание компоновок приточно-вытяжной установки (ПВУ) с роторным рекуператором

Основным назначением вентиляционных установок является обеспечение требуемого воздухообмена в обслуживаемых помещениях с заданным качеством воздуха. Вытяжная вентиляционная установка удаляет из помещения воздух вместе с накопившимися углекислым газом, аллергенами и пылью. Приточная установка наполняет помещения отфильтрованным, увлажнённым и нагретым либо охлаждённым наружным воздухом.

Процессы фильтрования в общем случае могут быть основаны на совершенно различных физических принципах:

  • гравитационное поле (очистка движущегося воздуха от пыли происходит на длительном участке при относительно небольшой скорости воздуха);
  • инерция (при резком изменении направления движения воздуха частицы пыли, по инерции сохраняя направление своего движения, ударяются о поверхность, теряют свою энергию и осаждаются в специальном бункере);
  • электромагнетизм (различные электрические фильтры);
  • центробежная сила (применение циклонов и скруберов);
  • механические взаимодействия на основе фильтрации воздуха через пористую перегородку, в процессе которой твёрдые частицы примесей задерживаются на ней (например, тканевые рукавные фильтры и тому подобное).

Как правило, наиболее массовым решением является применение тканевых фильтров. К их преимуществам можно отнести низкую стоимость закупки, отсутствие зависимости при эксплуатации от электроэнергии, малошумность, компактность, удобство замены и пр. К числу недостатков можно отнести:

  • возможность повышенного шума при работе вентиляционной установки;
  • возможная недостаточная мощность нагревателей;
  • перегрев электродвигателей вентиляторов (рис. 1) на некоторых режимах;
  • увеличенный расход фильтров и пр.


Рис. 1. Зоны использования для ПВУ с роторным рекуператором R300V [1]

Поскольку температура наружного воздуха обычно не соответствует требованиям к температуре воздуха внутри помещения, современные приточно-вытяжные установки оснащают встроенными рекуператорами тепловой энергии. Рекуператор забирает тепловую энергию из воздуха в помещении и возвращает основную его часть потоку приточного воздуха.

Если мощности рекуператора недостаточно для достижения заданной пользователем температуры, дополнительно могут быть включены нагреватели или охладители.

К вопросам экономичности вентиляционных систем, безусловно, относится вопрос расхода тепловой энергии для подготовки наружного воздуха в холодный период года. Расчёт срока окупаемости требует применения методологии прогнозирования теплопотребления на будущие периоды [2, 3].

Выбор численности и места установки измерителей

Тепловая энергия для приточной вентиляционной установки является частью тепловой энергии, которое здание потребляет из тепловой сети. Вариант с подогревом приточного воздуха от электрокалорифера в дальнейшем не рассматривается в силу неэкономичности такого способа. Задачи прогнозирования тепловой нагрузки рассмотрены в работе [4]. Объём тепловой энергии, который необходимо поставить в здание, является разницей между тепловыми потерями и тепловыми притоками для данного объекта.

Тепловые потери здания рассчитываются по СП 50.13330.2012 [5] на основании множества данных, как о теплозащитных характеристиках объекта и его составляющих, так и о следующих климатических показателях:

  • температура наружного воздуха [°C] на высоте 2 м над поверхностью земли;
  • атмосферное давление [мм рт. ст.], приведённое к среднему уровню моря;
  • относительная влажность наружного воздуха [%] на высоте 2 м над поверхностью земли;
  • направление ветра [угол] на высоте 10–12 м над земной поверхностью, осреднённое за десятиминутный период, непосредственно предшествовавший сроку наблюдения;
  • скорость ветра [м/с] на высоте 10–12 м над земной поверхностью, осреднённая за десятиминутный период, непосредственно предшествовавший сроку наблюдения;
  • процент «заоблаченности» небосвода.

Также в число анализируемых данных входит:

  • значение дня (рабочий/выходной день);
  • длительность пребывания мужчин, женщин и детей.

Сложность для прогнозирования теплопотребления вентустановкой состоит в отсутствии измерителей для перечисленных выше показателей. Климатическая станция располагается, как правило, не в приточной установке, а в индивидуальном тепловом пункте (ИТП).

Таким образом, на первый план выходит задача корреляции тепловой схемы вентиляционной установки и схемы установки датчиков, необходимых для функционирования системы управления и прогнозирования.


Рис. 2. Функциональная схема приточно-вытяжной установки с роторным рекуператором R300V и мест установки измерителей температуры

Для рассматриваемой установки R300V используются четыре измерителя температуры (рис. 2):

1. Температура наружного воздуха t1, °C.

2. Температура приточного воздуха t2, °C.

3. Температура воздуха внутри помещения t3, °C.

4. Температура воздуха, удаляемого из рекуператора t4, °C.

Предлагаемый программно-аппаратный комплекс обеспечивает управление установкой с местной панели оператора или с автоматизированного рабочего места диспетчера тепловых сетей (или нескольких). Это решение не требует дополнительной прокладки линий связи, поскольку передача данных на диспетчерскую происходит в зашифрованном виде через каналы GSM, и также возможно использование других каналов связи (при их наличии). Кроме того, данный комплекс может быть полезен в случаях, когда требуется частое изменение параметров системы теплоснабжения без выезда на объект.

Функциональная схема автоматизации включает системы автоматического регулирования технологических параметров теплоносителей. Схемой автоматизации в том числе предусматривается:

  • регулирование температуры в системе вентиляции согласно погодному графику;
  • регулирование перепада давления в трубопроводе от системы отопления к подсистеме вентиляции;
  • регулирование давления в «обратке» от подсистемы вентиляции к системе отопления;
  • регулирование температуры воды в трубопроводе от системы отопления к подсистеме вентиляции;
  • регулирование температуры воздуха после приточной вентустановки;
  • регулирование температуры воздуха, удаляемого из рекуператора.

Структура данного программно-аппаратного комплекса является распределённой и отказ функционирования её элементов или каналов связи не влияет на работоспособность остальных элементов и всей системы. Система автоматизации отдельной вентустановки позволяет полноценно функционировать объекту в автономном режиме.

Определение достаточности посуточного измерения температуры в трубопроводе от системы отопления к подсистеме вентиляции

Определение достаточности посуточного измерения температуры в трубопроводе от системы отопления к подсистеме вентиляции имеет большое значение. По статистическим характеристикам (t1, t2, t3 и t4) допустимо математически восстановить график зависимости температуры теплоносителя от температуры наружного воздуха [3]. Существующие аналитические и статистические методы ограничены в описании массивов нецифровой статистической информации. Вместо этого применяются нейронные сети, которые самостоятельно находят оптимальные решения. Однако у нейросетей есть некоторые недостатки: специалист, работающий с такой сетью, не всегда понимает причины выбора определённого пути решения задачи, поскольку нейронная сеть действует как «чёрный ящик». Поэтому целесообразно применение детерминированных моделей.

Существующие системы мониторинга климатических показателей в настоящее время имеют получасовую дискретизацию. Используемые системы автоматизированного регулирования параметров теплоносителя в вентиляционных установках производят измерения с ежеминутной дискретизацией или чаще. При этом запись в базу данных параметров t1, t2, t3 и t4 производится, как правило, ежесуточно. Существующая возможность накапливать параметры ежечасно обычно не используется по причине практической ненужности столь большого массива данных в эксплуатации.

В рамках настоящей статьи рассмотрена возможность и эффективность применения метода аппроксимации для адаптации посуточных данных t1, t2, t3 и t4 к получасовой климатической дискретизации. В качестве примера выбран отопительный период 2021/2022 годов.

Результаты проведённой процедуры восстановления температурного графика зависимости температуры теплоносителя от температуры наружного воздуха приведены на рис. 3.


Рис. 3. Восстановленный температурный график зависимости температуры теплоносителя от температуры наружного воздуха

Для каждого значения температуры наружного воздуха очевиден совершенно недопустимый разброс температур теплоносителя. Коэффициент достоверности проведённой аппроксимирующей прямой крайне низок и составляет R2 = 0,324. Таким образом, проведение аппроксимирующих расчётов для прогнозирования спроса на тепловую энергию и формулирования правил управления АСУ для компактных ПВУ с роторным рекуператором в описанной ситуации совершенно недопустимо.

Заключение

Приведено общее описание компоновок приточно-вытяжных установок с роторным рекуператором. Показана актуальность применения систем мониторинга для прогнозирования спроса на тепловую энергию. Перечислены требуемые для учёта климатические показатели. Показана недостаточность данных, собираемых в базу данных по вентиляционным установкам. Показано существенное различие требований по дискретизации накапливаемых данных, как со стороны АСУ вентиляционной установки, так и со стороны информации, получаемой из открытых баз данных.

Определено, что использование метода аппроксимации, применяемого для восстановления отсутствующих промежуточных данных по температуре теплоносителя, является очень неточным. Коэффициент достоверности проведённой аппроксимирующей прямой крайне низок и составляет R2 = 0,324.

Для повышения эффективности настроек вентиляционной установки для конкретного здания необходима синхронизация дискретности климатических характеристик здания и технических параметров системы. Требуемая дискретизация — не менее получасовой.