Z výuky studentů: Akční prvky pro vzduchotechniku, vytápění a chlazení

Náplň studia pátého ročníku na ČVUT Fakultě strojní, Ústav techniky prostředí, již není jen o teorii oboru, ale i o záležitostech praktických, které se budou hodit budoucím projektantům do jejich projektů. Vyučující, Ing. Roman Vavřička, Ph.D., potvrdil, že práce studentů již nemají nějaké univerzální, obecné téma, ale jde vždy o konkrétní objekt. „Dříve jsme zadávali témata prací obecně, například řešení restaurace. Nyní, při konkrétním zadání, s tím mají studenti i my sice více práce, ale studenti již na škole získávají poznatky, které mohou ihned po ukončení studia uplatnit ve své praxi.“ Součástí tohoto procesu jsou i přednášky zástupců předních firem, kteří mají odpovídající vzdělání a zkušenosti a mohou tak studentům odborně poradit, dát impulsy, jak konkrétní problémy řešit. Tři dny před koncem semestru, studentům přednášel Ing. Filip Hajšo ze společnosti Belimo. Dále jsou shrnuty základní teze z přednášky.

Servopohony

Bez servopohonů se dnes neobejde prakticky žádná vzduchotechnická soustava. Řízení pohonů se stále častěji přesouvá k ovládání analogovým signálem, nebo po komunikačním protokolu, a to v celém pracovním rozsahu pohonu. Řízení on-off, tedy jen dvoubodové otevřeno - zavřeno, je již na ústupu. Podobně i tříbodové řízení s mezipolohou se používá stále méně často.

Pro výběr vhodného typu servopohonu je zásadní to, zda jde o pohyb rotační nebo lineární, jak je realizováno mechanické uchycení pohonu na klapku a také je nutné určit potřebný kroutící moment, který musí servopohon zvládat. Tento parametr určí projektant vzduchotechniky, zpravidla z plochy ovládané klapky. Přitom je nutné zohlednit druh provozu, například při umístění v průmyslu s vyšší prašností lze předpokládat potřebu větší ovládací síly, točivého momentu. Základním doporučením projektantům je přidávat asi 20 % rezervu.

Z hlediska uplatnění lze servopohony dělit na ty bez havarijní funkce a s havarijní funkcí. Servopohony bez havarijní funkce v případě výpadku energie využívané k jejich pohybu zůstanou stát v poslední dosažené pozici. Servopohony s havarijní funkcí se i po výpadku napájení samočinně vrací do předem zvolené pozice. Zpravidla plně zavřeno nebo plně otevřeno nebo i do pozice mezi těmito extrémy. Možnosti určuje konstrukce servopohonu.

Dnes klasické řešení servopohonu s havarijní funkcí je založeno na využití síly pružné spirály. V případě výpadku napájení zajistí spirála přestavení servopohonu a s ním ovládané klapky, armatury, do zvolené polohy. Typicky jde o uzavření klapky na vzduchotechnickém potrubí z venkovního prostředí směrem k výměníku, pokud poklesne teplota vzduchu za výměníkem tak, že by mohlo dojít k zamrznutí a zničení výměníku. Jinou aplikací je uzavření klapky s cílem bezpečně oddělit jeden požární úsek od druhého a zabránit šíření požáru a kouře.

Moderně řešené servopohony s havarijní funkcí nevyužívají energii spirály, ale elektrickou energii uloženou v kondenzátoru. Tato „baterie“ má prakticky neomezenou životnost, a proto ji lze pro havarijní účely použít a servopohony bývají vybaveny možností dálkové kontroly jejich funkce. Takto konstruované servopohony jsou rozměrově menší, nemusí být konstrukčně dimenzované s ohledem na sílu spirály. Využití elektrické energie pro havarijní funkci umožňuje přesně definovat, jak se má servopohon přestavit. Například může jím ovládaný prvek může zůstat částečně otevřený.

Servopohony mají široké možnosti použití. Lineární, tedy s přímočarým pohybem, se používají nejen pro ovládání armatur - šoupátek, ale například i pro čištění svislých spalinových tahů kotlů na pelety aj.

Pracovní prostředí a volba servopohonu

Volbu typu servopohonu ovlivňují vlastnosti prostředí, ve kterém bude provozován. Vnitřní prostředí, venkovní prostředí, prašné prostředí, odolnost vůči vodě, okolní teplotě, UV záření při venkovní instalaci atd.

Pro některé aplikace nemusí vždy stačit krytí proti stříkající vodě IP54, a pak se nabízí typy s odolností IP66 až IP67, které znamená ochranu proti ponoření do vody na 30 minut do hloubky 1 metr a plnou odolnost proti prachu. V některých instalacích je důležitá odolnost vůči působené chemických látek, typicky čpavku v zemědělství (vepříny, kravíny), ale může jít i o zdroje chladu potravinářství, pro ledové plochy sportovních hal, v prostředí technologií pro bazény je nutná zvýšená odolnost vůči chlóru, ozónu, soli aj.

Instalace na vibrujících a pohybujících se zařízeních mohou vyžadovat zvýšenou robustnost.

Nově vyvíjené servopohony již nejsou jen mechanickými zařízeními. Jsou vybaveny možnostmi datové komunikace s řídicím systémem, kterému zpětně posílají informaci o skutečném nastavení, provozních podmínkách, provozuschopnosti i funkčnosti havarijní funkce. Mohou být vybaveny čidly pro IoT, tedy internet věcí, což zvyšuje jejich schopnosti.

Akční prvky

Moderní systémy VAV variabilního průtoku vzduchu v kancelářských budovách řídí přívod a odvod vzduchu pro jednotlivé kanceláře a tím vytváří požadované klima. Nyní již není nutné navrhovat každý konstrukční prvek zvlášť. Navrhují se jako balíček - box obsahující část potrubí včetně armatur, servopohonů, řízení.

Výhodou použití moderních systémů VAV je znalost, kolik vzduchu do místnosti přichází, tento objem lze hlídat, řídit a odvozovat podmínky pro provoz napojených technologií.

Místnosti lze například přetlakovat, což je nutné například pro operační sály, laboratoře atp., kde je vyžadována zvýšená čistota prostředí.

Pro návrh boxu se uvažuje maximální průtok. Skutečnost se pak řídí na základě vstupu z řídícího systému, např. podle počtu přítomných lidí, popř. dle hodnot naměřeného obsahu CO₂. Do místnosti pak servopohonem řízená klapka pustí jen potřebné množství vzduchu. Z polohy klapky se odvodí signál, který systém řízení vyhodnotí vůči celé budově a přiměřeně sníží výkon ventilátoru. Ostatní klapky se doregulují a celkově se minimalizuje spotřeba energie. Například v Českých Budějovicích (větrání operačních sálů) přinesl tento systém řízení výkonu ventilátorů dle aktuálních poloh jednotlivých klapek úsporu elektřiny na pohon ventilátorů ve výši téměř 45 %.

Protipožární aplikace servopohonů

Nároky hasičů na odvod tepla a kouře jsou oprávněně velké. Servopohony se používají například u požárních klapek. Předností systémů je zamezení šíření ohně mezi patry, místnostmi, budovami. Poznatky z praxe ukazují, že až 90 % lidí, kteří přišli o život během požáru, se udusilo zplodinami hoření. V budovách je mnoho plastů, a proto je nutné odvádět kouř. Je znám i případ, kdy hořelo v prvním podlaží, ale lidé se zplodinami hoření otrávili až v desátém, kam se kouř dostal nesprávně řešeným vzduchotechnickým rozvodem.

Požární klapka je napojena na teplotní čidlo v potrubí, které zareaguje na zvýšenou teplotu, kouř, přepálí se pojistka a klapka se uzavře. Klapka včetně servopohonu musí vydržet teplotu až 1200 °C po dobu 2 hodin.

U klapek pro systému OTK je bezpodmínečně nutná potřeba monitoringu a testování. U mechanicky pracujících klapek to musí dělat každoročně obsluha. Jenže klapky jsou většinou schované v podhledech, v pronajatých prostorech, jsou obtížně dostupné, a tak se kontrola neprovádí poctivě, hrozí defekt a následná škoda při požáru.

Moderní havarijní klapky s elektrickými servopohony umožňují testování na dálku, zhotovení protokolů o testech jako dokladu pro hasiče. Toto řešení je sice nákladnější, ale zaručuje projektantovi jistotu, že navrhl zařízení bezpečné a provozovateli snadnost prokázání funkčnosti protipožární ochrany i ve velkém a složitém objektu. V současnosti jde o technicky nejlepší možné řešení.

Servopohony pro vytápění a chlazení

Servopohony jsou nejčastěji používány pro uzavírání, přepínání nebo regulaci dvojcestných a trojcestných armatur.

Z pohledu pohybu se servopohony dělí na lineární nebo otočné.

Vývoj v oblasti armatur a servopohonů významně snížil požadavky na jejich návrh, a to díky tlakově nezávislým armaturám, které dokáží pracovat do výše navrženého nominálního průtoku bez ohledu na tlakové poměry v síti. Použití takových automaticky pracujících armatur je na vzestupu. I proto, že není nutné dodatečně řešit ovlivňování od jiných okruhů.

Výhodou elektronicky řízené tlakově nezávislé armatury je možnost přenosu informací z jejího řízení do řízení celého systému. Doplňující senzorika dokáže měřit teplotu přívodu a zpátečky, průtok a umožňuje pak s těmito údaji dále pracovat. Například informovat o aktuální i kumulativní spotřebě tepla/chladu.

Lze pracovat s údajem rozdílu teplot a tím sledovat charakteristiku výměníku tepla. Systém si zrekonstruuje jeho charakteristiku a následně vyhodnotí provozní oblast, ve které zvyšování práce čerpadla pro zvýšení přenosu tepla/chladu již není ekonomické.

Tento systém řízení, který „řeší“ tzv. syndrom nízkého rozdílu teplot, je velmi vhodný například pro rozsáhlejší objekty, jako jsou např. obchodní centra, kancelářské budovy. Tento systém řízení se nazývá Delta T manager.

Monitoring

Čím více informací, tím lépe lze řídit. Měření a regulace, to je mozek, ale je nutné mu dát potřebné informace. To lze, pokud projektant navrhuje svá zařízení již s ohledem na navazující profese, tedy neřeší jen hydrauliku, ale pracuje i s ohledem na potřeby MaR.

V administrativních a bytových domech musí návrh vycházet z toho, že vše bude třeba následně v provozu optimalizovat podle skutečnosti.

Dnes se často používá se 4 trubkový rozvod teplo - chlad na jeden výměník, fancoily, indukční jednotky, chladicí stropy aj.

Moderní řešení rozvodu tepla a chladu obsahuje 6ti cestné armatury. Jejich výhodou je snížení počtu servopohonů ze dvou na jeden. Jsou-li kombinovány s průtokoměry, lze údaje z nich použít i pro výpočet spotřeby tepla a chladu v konkrétní místnosti a tyto údaje použít jako podklad pro stanovení platby za energie v dané části budovy.

Pokrok v oblasti armatur ve spojení s měřičem tepla a řízeným servopohonem ocenila komise veletrhu Aquatherm 2018 udělením ceny Zlatá medaile výrobku Energy Valve^TM (vlevo Ing. Ivar Mentzl, jednatel a Ing. Filip Hajšo, obchodní ředitel)

Senzory, sběrnice

Moderní servopohony jsou propojitelné po sběrnicích mezi sebou, s nejrůznějšími čidly, s nadřazeným řízením. Propojení sběrnicemi výrazně zjednodušuje montáž, klesá možnost chyb.

Trendem je digitalizace a zde se bez sběrnicového řešení nelze obejít. Použití sběrnice MP-Bus snižuje počet kabelů, velikost rozvaděčů, množství práce při zapojování, ubývá hardware, neboť klesají počty vstupů.

Současná nabídka čidel umožňuje sledovat nejen teploty, tlak, ale i kvalitu vzduchu, například přes koncentraci CO₂, VOC nebo prašnost.

Do praxe již začaly pronikat i servopohony vybavené IoT, tedy komunikací po internetu. Řada proudících informací je určena pro MaR, ale i pro uživatele. Uživatel je má k dispozici například z cloudu, kde do nich nemůže zasáhnout, ale může je dle svých potřeb dále využít.

Vysoké komunikační schopnosti snižují nejen potřebu lidské práce při montážích, ale i následně. Například k identifikace porouchaného čidla, přerušeného kabelu, není třeba fyzická kontrola. Systém řízení na poruchy sám upozorní. Počty prvků v systémech rostou, ale každý z nich je snadněji dohledatelný. Výhody jsou i při návrhu, při zpracování projektu. Méně se kreslí, neboť není zapotřebí vykreslovat každý prvek, ale použije se sestava, blok.

Doplňující poznámka redaktora:
Děkuji Ing. Filipu Hajšovi ze společnosti Belimo za odbornou korekturu článku.