Στρατηγικές ελέγχου αντλίας σε κυκλώματα μεταβλητής παροχής

Η επιλογή μιας στρατηγικής ελέγχου για ένα υδρονικό σύστημα εξαρτάται από μια σειρά παραγόντων, ξεκινώντας από τον σχεδιασμό του ιδίου του συστήματος.

Ένα ισορροπημένο υδρονικό σύστημα είναι αυτό στο οποίο κάθε ζώνη και κάθε τερματική μονάδα στη ζώνη έχει τη σωστή παροχή για την ικανοποίηση των φορτίων θέρμανσης και ψύξης του κτιρίου. Εσωτερικές και εξωτερικές συνθήκες — από τον προσανατολισμό του κτιρίου και το ηλιακό κέρδος θερμότητας έως τις δραστηριότητες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό το κτιρίου που οδηγούν στη μεταβολή των φορτίων θέρμανσης και ψύξης — επίσης πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον καθορισμό της στρατηγικής ελέγχου, μαζί με μια στάθμιση των παρακάτω παραγόντων:

• Απλότητα — Ποια είναι η πολυπλοκότητα της λογικής ελέγχου και της λήψης αποφάσεων που εμπλέκονται στον καθορισμό των παραμέτρων συστήματος;
• Ευελιξία — Θα είναι προσαρμόσιμη η στρατηγική ελέγχου σε αλλαγές σε εξοπλισμό, κινητήρες, απαιτήσεις χωρητικότητας ή σενάρια μετασκευής;
• Πρώτο κόστος — Ποια είναι η απαιτούμενη επένδυση στον έλεγχο του εξοπλισμού, συμπεριλαμβανομένων των αισθητήρων;
• Εξοικονόμηση ενέργειας —Το σύστημα λογικού ελέγχου, θα επιτύχει τις προσδοκίες άνεσης με την ελάχιστη πίεση/ενέργεια που απαιτείται;
• Κάλυψη δυσμενούς κλάδου — Το σύστημα λογικού ελέγχου θα αντιληφθεί ότι οι δυσμενείς κλάδοι σε ένα πολυζωνικό σύστημα δεν
εξυπηρετούνται όταν οι απαιτήσεις φορτίου μετατοπίζονται από τη μια ζώνη στην άλλη;

Επιλογές Λογικού Ελέγχου
Είναι σημαντικό να έχουμε κατά νου ότι οι όροι "μεταβλητή ταχύτητα" και η "μεταβλητή παροχή" δεν είναι εναλλάξιμοι.
Η μεταβλητή παροχή είναι μεταβαλλόμενη ζήτηση, ενώ μεταβλητή ταχύτητα είναι η μεταβαλλόμενη λειτουργία της αντλίας.

Αντλίες μεταβλητής ταχύτητας σε συνδυασμό με συστήματα με δίοδες βαλβίδες επιτυγχάνουν μεταβλητή παροχή. Το εγχειρίδιο της ASHRAE ξεχωρίζει δύο κατηγορίες λογικής ελέγχου αντλίας μεταβλητής ταχύτητας:

• έλεγχος καμπύλης

• περιοχή ελέγχου

Ο έλεγχος της καμπύλης βασίζεται στην υπολογιζόμενη απώλεια τριβής σε ένα σύστημα και χρησιμοποιεί την καμπύλη ελέγχου του συστήματος και της αντλίας. Αυτή η στρατηγική ελέγχου βασίζεται σε ειδικούς αλγόριθμους αντλίας προγραμματισμένους στη μονάδα μεταβλητής ταχύτητας (inverter), για να προβλέπει με ακρίβεια τη διαφορική πίεση στην αντλία και να κάνει προσαρμογές για να ακολουθήσει την καμπύλη ελέγχου. Το inverter μπορεί να επιβραδύνει την αντλία σύμφωνα με τα δεδομένα και να χρησιμοποιεί λιγότερη ενέργεια ενώ παραμένει στην προ-προγραμματισμένη καμπύλη.

Ο έλεγχος περιοχής είναι μια πιο ευέλικτη στρατηγική ελέγχου μεταβλητής ταχύτητας γιατί μπορεί να προσαρμόσει την ταχύτητα της αντλίας σε πραγματικό χρόνο με βάση το πραγματικό φορτίο του συστήματος. Δεν συνδέεται με μια καμπύλη θεωρητικού ελέγχου, που σημαίνει ότι η αντλία μπορεί να λειτουργήσει σε πολλά σημεία πάνω και κάτω από την καμπύλη ελέγχου. Σε συστήματα με ποικίλες συνθήκες φορτίου, ο έλεγχος της περιοχής είναι πιο ενεργειακά αποδοτικός από τον έλεγχο καμπύλης όταν ο έλεγχος καμπύλης πραγματοποιεί διορθώσεις στην απόδοση λόγω αστοχιών.

Σχήμα 1

Το Σχήμα 1 δείχνει ένα παράδειγμα των καμπυλών που μπορεί να χρησιμοποιήσει καθεμία από αυτές τις διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου δεδομένου του ίδιου μέγιστου σημείου λειτουργίας.

Με αισθητήρα και χωρίς αισθητήρα

Η στρατηγική ελέγχου καμπύλης μπορεί να γίνει με έλεγχο αντλίας με αισθητήρα ή χωρίς αισθητήρα. Ο έλεγχος αντλίας χωρίς αισθητήρα χρησιμοποιεί δεδομένα για την ταχύτητα, τη ροπή και την ισχύ που έχουν προγραμματιστεί στο inverter για να υπολογίσει τη διαφορική πίεση στην αντλία και να προσαρμόσει την ταχύτητα ώστε να ταιριάζει με την προκαθορισμένη τετραγωνική καμπύλη.

Ο έλεγχος της καμπύλης με αισθητήρα επιτυγχάνεται με τοπικά εγκατεστημένα αισθητήρια διαφορικής πίεσης συνδεδεμένα απευθείας στο Inverter, επιτρέποντας στο inverter να ρυθμίζει την ταχύτητα της αντλίας με βάση την άμεση μέτρηση της πίεσης. Εάν το φορτίο σε ένα υδρονικό σύστημα αυξάνεται και πέφτει ομοιόμορφα σε όλες τις ζώνες, η απαιτούμενη πίεση της αντλίας είναι πολύ κοντά στην καμπύλη ελέγχου, καθιστώντας τον έλεγχο χωρίς αισθητήρα μια καλή επιλογή. Επιπλέον, με έλεγχο χωρίς αισθητήρα, δεν χρειάζονται εξωτερικά σήματα ανάδρασης ή αισθητήρες, εξοικονομώντας χρόνο στη ρύθμιση και τη θέση σε λειτουργία.

Σε σύγκριση με ένα σύστημα άντλησης σταθερής ταχύτητας, ο έλεγχος καμπύλης χωρίς αισθητήρα είναι μια πιο αποτελεσματική μέθοδος, ωστόσο, δεν είναι πάντα η πιο αποτελεσματική επιλογή σε συστήματα μεταβλητής ταχύτητας. Συστήματα με μεγάλη διακύμανση φορτίου και μεγάλης περιοχής ελέγχου δεν ακολουθούν μία μόνο καμπύλη, επομένως γενικά δεν είναι καλοί υποψήφιοι για έλεγχο χωρίς αισθητήρες.

Όταν υπάρχει αρκετή διακύμανση φορτίου, τα απαιτούμενα σημεία παροχής και πίεσης θα διαφέρουν σημαντικά από την καμπύλη ελέγχου. Χωρίς αισθητήρες στο σύστημα, μπορεί να προκύψουν συχνές και σημαντικές αστοχίες με αποτέλεσμα την υπερβολική ή λιγότερη τροφοδοσία. Αυτό τελικά έχει ως αποτέλεσμα ένα λιγότερο από το βέλτιστο επίπεδο άνεσης για τους ενοίκους του κτιρίου. Επιπλέον, δεν είναι κάθε αντλία κατάλληλη για έλεγχο καμπύλης χωρίς αισθητήρες. Πρέπει να υπάρχει μια μοναδική τιμή ισχύος για κάθε συνδυασμό παροχής και ταχύτητας στο αναμενόμενο εύρος λειτουργίας που μπορεί στη συνέχεια να προγραμματιστεί ως λογική ελέγχου στο Inverter της αντλίας.

Απομακρυσμένοι αισθητήρες διαφορικής πίεσης

Σε συστήματα με μεγάλη διακύμανση φορτίου, ένας ή περισσότεροι απομακρυσμένοι αισθητήρες διαφορικής πίεσης επιτρέπει / επιτρέπουν στην αντλία να λειτουργεί εντός του ελέγχου ανατροφοδότησης στο Inverter της αντλίας για να επιταχύνει ή να επιβραδύνει την αντλία για να διατηρήσει την επιθυμητή πίεση, η οποία είναι η ελάχιστη πίεση που πρέπει να υπάρχει στο σύστημα ανά πάσα στιγμή για να επιτευχθεί πλήρης παροχή στα στοιχεία των φορτίων (Π.χ. FCU’s). Η σωστή θέση του αισθητηρίου διαφορικής πίεσης είναι κρίσιμη για τον έλεγχο του λειτουργικού κόστους και τη μεγιστοποίηση της απόδοσης. Στα συστήματα άμεσης επιστροφής ο αισθητήρας διαφορικής πίεσης βρίσκεται συνήθως κοντά στον πιο δυσμενή κλάδο. Το σημείο ρύθμισης του αισθητήρα διαφορικής πίεσης θα είναι η απαιτούμενη πίεση για να διασφαλιστεί επαρκής ροή μέσω του FCU, της βαλβίδας ελέγχου και της βαλβίδας εξισορρόπησης. Εάν το σημείο ρύθμισης διαφορικής πίεσης διατηρείται στην πιο απομακρυσμένη ζώνη καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας της αντλίας, όλα τα άλλα FCU’s θα έχουν επαρκή πίεση για να εξασφαλίσουν τη σωστή παροχή. Καθώς ανοίγουν περισσότερες βαλβίδες και υπάρχει μεγαλύτερη πτώση πίεσης, η αντλία θα επιταχυνθεί για να διατηρηθεί αυτή η διαφορά πίεσης στο τελευταίο κύκλωμα. Διατηρώντας τη διαφορική πίεση στην πιο απομακρυσμένη ζώνη ή δυσμενέστερο κλάδο, το σύστημα θα εξασφαλίσει ότι όλες οι ζώνες ικανοποιούνται σε ποικίλη ζήτηση, εάν έχουν σωστή υδραυλική εξισορρόπηση.

Ο έλεγχος περιοχής με αισθητήρα αυξάνει σημαντικά την ενεργειακή απόδοση σε διάφορα συστήματα σε συνθήκες μερικού φορτίου, επειδή η αντλία μπορεί να επιβραδύνει σημαντικά και να διατηρεί τους χρήστες του κτηρίου άνετους και τον εξοπλισμό να λειτουργεί σωστά. Ο αισθητήρας διαφορικής πίεσης διασφαλίζει ότι η αντλία λειτουργεί με τη χαμηλότερη δυνατή ταχύτητα, ενώ εξακολουθεί να ικανοποιεί τη ζήτηση στο σύστημα. Η άμεση μέτρηση της πίεσης από τον αισθητήρα διαφορικής πίεσης εξαλείφει ένα κοινό πρόβλημα με την εκτίμηση αυτής της πίεσης χρησιμοποιώντας έλεγχο καμπύλης. Ο έλεγχος καμπύλης αυξάνεται συχνά πάνω από το ελάχιστο όριο για να ληφθεί υπόψη η ποικιλομορφία και να διασφαλιστεί ότι η ζήτηση ικανοποιείται. Αυτή η υψηλότερη καμπύλη αφαιρεί την ενεργειακή απόδοση από το σύστημα που θα μπορούσε να επιτευχθεί με ακριβή μέτρηση και έλεγχο περιοχής.

Η τοποθέτηση απομακρυσμένων αισθητήρων διαφορικής πίεσης σε κρίσιμες ζώνες ή δυσμενείς κλάδους, αυξάνει εκ των προτέρων το κόστος, αλλά παρέχει την πιο σταθερή απόδοση ζώνης με το χαμηλότερο λειτουργικό κόστος.

Συνεχίζεται στο Β’ μέρος, όπου θα αναφερθούμε στον γραμμικό και μεταβλητό έλεγχο πίεσης, τον τρόπο λειτουργίας τους και τα πλεονεκτήματα / μειονεκτήματα κατά περίπτωση.

Άρθρο του κ. Ξενοφώντα Δαμιανού, BEng, M.Sc., Knowledge Manager, Idator