Opis techniczny.

Podstawa opracowania

Podstawą opracowania projektu jest temat wydany przez prowadzącego, który zawierał podkład budowlany. Dodatkowo korzystano z przepisów i norm wyszczególnionych
w dalszej części projektu.

Lokalizacja i charakterystyka obiektu

Zaprojektowano urządzenie wentylacji z chłodzeniem dla Sali zabaw dla dzieci zlokalizowanej w Olsztynie, czynnej w godzinach 7.00-16.00.

Powierzchnia pomieszczenia wynosi: 56,25 m², a kubatura: 196,88 m³. Od strony wschodniej znajdują się okna o łącznej powierzchni 9,2 m² , powierzchnia okna jest całkowicie nasłoneczniona.

Założenia do obliczeń

1. Nazwa obiektu/funkcja – sala zabaw dla dzieci

2. Godziny otwarcia 7.00-16.00

3. Lokalizacja- Olsztyn - dla okresu zimnego II strefa klimatyczna, dla okresu ciepłego IV strefa klimatyczna.

4. Temperatury w pomieszczeniu:

Temperatura pomieszczenia okresu zimowego: 20 ˚C

Temperatura zewnętrzna okresu zimowego: - 22 ˚C

1. Ilość osób w pomieszczeniu: maks. 30 osób

2. Statyczne straty ciepła pomieszczenia: 25 W/m³

3. Technologia N=2000W

4. Oświetlenie elektryczne N=10W/m²m²

5. Statyczne straty ciepła budynku q_str=25W/m³ $q_{\text{str}} = 12\frac{W}{m^{3}}$

6. Statyczna straty ciepła budynku pokrywa c.o do 10 ˚C

7. Czynnik grzejny- woda 90/70C

8. Czynnik chłodniczy- R410a C

9. Współczynnik jednoczesności dla oświetlenia w okresie ciepłym

10. Centrale zlokalizowano na dachu budynku.

Opis urządzeń.

Przyjęto organizację powietrza w systemie góra- góra. Centrala wentylacyjna firmy VTS, VS-40-R-RHC została umiejscowiona na dachu budynku. Z centrali wychodzą 4 kanały: nawiewny, wywiewny(500x600mm), czerpni i wyrzutni (600x800mm). Powietrze dociera do pomieszczenia poprzez sześć kratek nawiewnych firmy SMAY typ ALW 425 x 225mm, wywiew odbywa się również przez kratki o wielkości 425 x 225 mm. Kanał nawiewny prowadzony jest w pomieszczeniu wentylowanym, kanał wywiewny został usytuowany równolegle do kanału nawiewnego.

Automatyczna regulacja

Zaprojektowane urządzenie wentylacyjne składa się z następujących elementów:

• Część nawiewna: czerpnia powietrza Cz, kanał czerpalny, przepustnica P₁, filtr F, wymiennik obrotowy WO, nagrzewnica N, chłodnica CH, wentylator nawiewny WN, tłumik akustyczny TA, kanał nawiewny zakończony nawiewnikami.

• Część wywiewna: wywiewniki, kanał wywiewny, tłumik akustyczny TA, filtr powietrza F, wymiennik obrotowy WO, wentylator wywiewny WW, przepustnica P₂, wyrzutnia powietrza Wy.

Automatyczną regulację zastosowano aby utrzymać wymaganą temperaturę powietrza nawiewanego w ciągu całego roku. Wzrost temperatury powietrza nawiewanego w okresie zimnym powoduje zamykanie zaworu regulacyjnego nagrzewnicy, a w okresie ciepłym otwieranie zaworu regulacyjnego chłodnicy. Pod wpływem sygnału czujnika powietrza zewnętrznego C_tz zostaje przełączony adres dla sygnału wykonawczego
z regulatora do odpowiedniego siłownika. Zadaniem siłownika jest przymykanie zaworu nagrzewnicy/ chłodnicy w zależności od temperatury zewnętrznej. Na filtrze znajduje się termostat, aby rozpoznać kiedy filtr będzie zabrudzony oraz na wentylatorach, aby kontrolować, czy wentylator się nie zatrzymał.

Układ spełnia następujące funkcje:

1. utrzymuje stałą temperaturę nawiewu,

2. sygnalizuje zabrudzenie filtra,

3. sygnalizuje zerwanie paska wentylatora,

4. zabezpiecza nagrzewnicę wodną przed zamarznięciem (frost),

Silniki wentylatorów w centrali są z falownikami, co pozwala na utrzymanie stałej wydajności poprzez płynną regulację prędkości obrotowej.

Falowniki

- płynna regulacja wydajności powietrza centrali wentylacyjnej poprzez proporcjonalną

zmianę prędkości obrotowej zespołu silnik-wentylator. Zastosowanie falownika pozwala

na utrzymywanie stałych parametrów pracy centrali przy zmiennych oporach przepływu

powietrza przez instalację.

Czujniki temperatury (termostaty)

- mierzą temperaturę bezpośrednio w pomieszczeniu, zamontowane w miejscu reprezentatywnym: z dala od okien i drzwi, w miejscach nienasłonecznionych

Czujniki ciśnienia (presostaty)

- dokonuje pomiaru różnicy ciśnień przed i za filtrem (spadek ciśnienia) dostarczając

w ten sposób informacji o stopniu zanieczyszczenia filtra. Może dostarczać też informacji
o prawidłowości działania wentylatora napędzanego paskiem klinowym (w razie zerwania paska sygnał o awarii).

Termostat przeciwzamrożeniowy po stronie powietrza

- zabezpiecza nagrzewnicę wodną przed zamarznięciem czynnika grzewczego w nagrzewnicy. Czujnik mierzy temperaturę powietrza wypływającego z nagrzewnicy, następnie dokonywane jest porównanie z minimalną dopuszczalną temperaturą. W momencie spadku temperatury poniżej dopuszczalnej wartości regulator centrali podejmuje zamknięcie przepustnic powietrza, wyłączenie wentylatorów i całkowite otwarcie zaworu nagrzewnicy.

Literatura

Literatura:

• „Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy”; A. Pełech; Wydanie II, OficynaWydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2009

• Paweł Tymiński – „Elementy automatyki nowoczesnych central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych”, TChiKl 8/2006 str. 304-308

• G.W. Archipow: „Automatyczna regulacja urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych”, WNT Warszawa 1963

• Wyżykowska Katarzyna – „Elementy automatyki stosowane w nowoczesnych centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych”

• www.wentylacja.com.pl

Normy:

• PN-89/B-01410 „Wentylacja i klimatyzacja. Rysunek techniczny. Zasady wykonywania i oznaczenia”

Katalogi:

• SMAY

• VTS

Bilans okresu ciepłego.

Bilans okresu ciepłego wykonano dla dwóch miesięcy – dla Lipca i Września.

Poniżej przedstawiono przykładowe obliczenia dla miesiąca Lipca dla godziny 7:00.

Temperatura w pomieszczeniu.

$$t_{\text{poc}} = \ \frac{t_{\text{poz}} + \ t_{\text{zoc}}}{2}\ \geq t_{\text{poz}}\ ,\ \ $$

$$t_{\text{poc}} = \ \frac{20 + 23}{2} = 21,5\ $$

Zyski ciepła poprzez przenikanie przez przegrody przeźroczyste.

Q_p =  A₀  •  U₀  •  (t_z− t_p) ,   W

Q_p = 9, 2  • 1, 6  •  (20−20) = 0 W

Q_p – zyski ciepła poprzez przenikanie przez przegrody przeźroczyste

A₀ – powierzchnia całkowita okien

U₀ – wsp. przenikania ciepła okna

t_z – chwilowa temperatura zewnętrzna

t_p – chwilowa temperatura pomieszczenia

Zyski ciepła poprzez nasłonecznienie przegród przeźroczystych.

Q_R =  (A₁ • Ic_max+ (A− A₁) • I_Rmax)  • b  • s ,       W

Q_R =  (7,73 •729+ (7,73−7,73)•196)  • 0, 7  • 0, 70 ,   W

Q_R – zyski ciepła poprzez nasłonecznienie przegród przeźroczystych

A₁ – powierzchnia nasłoneczniona szyby

A – całkowita powierzchnia szyby

I_Cmax – wsp. promieniowania słonecznego całkowitego

I_Rmax – wsp. promieniowania słonecznego rozproszonego

b – wsp. przepuszczalności promieni słonecznych

s – wsp. akumulacji energii słonecznej

Jako wartość współczynnika b przyjęto szkło zwykłe podwójne b = 1,0 oraz żaluzje wewnętrzne 45° b = 0,7

Zyski ciepła przez przegrody nieprzeźroczystych.

t_r^* =  t_r +  (t_zsr− 24,5) +  (22− t_p) ,      

t_r^* =  5, 2 +  (24− 24,5) +  (22− 20) = 6, 7     

∆t_r* - skorygowana wartość równoważnej różnicy temperatury

∆t_r – równoważna temperatura

t_zśr – średnia dobowa temperatura zewnętrzna dla danego miesiąca

t_p – temperatura w pomieszczeniu

Q_PN =  (A_sc− A₀)  • U_sc  •  t_r^* ,   W

Q_PN =  (26,25− 9,2)  • 0, 30  •  6, 7 = 34, 3 W

Q_PN – zyski ciepła przez przegrody nieprzeźroczyste

A_ść – powierzchnia przegrody

A₀ – powierzchnia okien

∆t_r* - skorygowana wartość równoważnej różnicy temperatury

Zyski ciepła jawnego od ludzi

Q_jL = n  •  q_j  •  φ ,   W

Q_jL = 30  •  108  •  1 = 3240  W

Q_jL – zyski ciepła jawnego od ludzi

n – ilość osób

φ – wsp. jednoczesności przebywania ludzi w pomieszczeniu

Zyski ciepła od oświetlenia elektrycznego.

Q_osw =  N_osw  •  (β+ (1− α− β) • k₀)  •  φ_osw ,   W

Q_osw =  562, 5  •  (0,3+ (1− 0− 0,3) • 0)  •  1, 0 = 168, 8  W

Q_ośw – zyski ciepła od oświetlenia elektrycznego

N_ośw – zainstalowana moc cieplna oświetlenia

α - współczynnik wyrażający stosunek ciepła odprowadzonego drogą konwekcji z powietrzem wywiewanym z wentylowanych opraw lamp do całkowitej mocy zainstalowanej

β - współczynnik wyrażający stosunek ciepła przekazanego drogą konwekcji do powietrza w pomieszczeniu do całkowitej mocy zainstalowane

k₀ – współczynnik akumulacji

φ – współczynnik wykorzystania mocy oświetlenia

Obliczenie bilansu ciepła jawnego dla okresu ciepłego.

Q_zjoc =  Q_p +  Q_R +  Q_PN +  Q_jL +  Q_osw +  Q_T ,   W

Q_zjoc = 0 + 2761, 2 + 34, 3 + +3240 + 168, 8 + 2000 = 8204, 3 W 

Bilans ciepła jawnego dla miesiąca Lipiec.

Bilans ciepła jawnego dla miesiąca Wrzesień.

Bilans okresu zimowego.

Bilans okresu zimowego wykonano dla temperatury zewnętrznej obliczeniowej równej
–22 ˚C.

Strumień powietrza wentylującego.

Obliczenia wykonano dla maksymalnych zysków ciepła jawnego dla okresu obliczeniowego ciepłego. Miesiąc lipiec, godzina 8:00. Temperatura w pomieszczeniu
23˚C, temperatura powietrza nawiewanego 21,5˚C, Zyski ciepła jawnego maksymalne 8244,2 W. Różnica temperatur pomieszczenia a nawiewu przyjęto 6 ˚C

Strumień powietrza nawiewanego.

$$V = \ \frac{Q_{\text{ZJOC}}}{\rho \bullet c_{p} \bullet t}$$

Q_zjoc - ciepło jawne, które musi być usunięte z pomieszczenia przy użyciu powietrza wentylującego,

c_p - ciepło właściwe powietrza = 1,005 kJ/kg K

𝜌- gęstość powietrza = 1,2 kg/m3,

∆t – różnica temperatur, przyjęto 6°C

$$V = \ \frac{8,2442}{1,2 \bullet 1,005 \bullet 6}\ = 1,139\ \frac{m^{3}}{s} = 4100,4\frac{m^{3}}{h}$$

Krotność wymiany.

$$\Psi = \ \frac{V}{P},\ h^{- 1}$$

Ψ – krotność wymiany powietrza w pomieszczeniu

V – strumień powietrza wentylującego

P – kubatura pomieszczenia

$$\Psi = \ \frac{4100,4}{196,9} = 20,83\ h^{- 1}$$

Strumień powietrza przypadający na jedną osobę.

$$V_{\text{os}} = \ \frac{V}{n}\ ,\ \frac{m^{3}}{h \bullet \text{os}}$$

$$V_{\text{os}} = \ \frac{4100,4}{30} = 136,68\ \ \frac{m^{3}}{h \bullet \text{os}}$$

Minimalny strumień powietrza przypadający na jedną osobę wynosi 40 $\frac{m^{3}}{h \bullet os}$

Odzysk ciepła.

Jako odzysk ciepła zastosowano wymiennik obrotowy ciepła jawnego. Sprawność wymiennika przyjęto równą 75%.

t_n1 =  t_z +  η  •  (t_p− t_z) ,   

t_n1 – temperatura powietrza nawiewanego po odzysku ciepła

t_z – temperatura powietrza zewnętrznego

t_p – temperatura powietrza wywiewanego (pomieszczenia)

η – sprawność odzysku ciepła

Odzysk ciepła dla zimy.

Założenia:

• Temperatura powietrza zewnętrznego: – 22 ˚C

• Temperatura w pomieszczeniu: 20 ˚C.

• Sprawność odzysku: 75%

t_n1 =   − 22 +  75%• (20− (−22)) =  9, 5  

Odzysk ciepła dla maksymalnych zysków ciepła.

Założenia:

• Temperatura powietrza zewnętrznego: 23 ˚C

• Temperatura w pomieszczeniu: 21,5 ˚C.

• Sprawność odzysku: 75%

t_n1 =  23 +  75%• (21,5− 23) =  21, 875  

Odzysk ciepła dla maksymalnej temperatury zewnętrznej.

Założenia:

• Temperatura powietrza zewnętrznego: 30 ˚C

• Temperatura w pomieszczeniu: 25 ˚C.

• Sprawność odzysku: 75%

t_n1 =  30, 0 +  75%• (25− 30,0) =  26, 25  

Urządzenia do obróbki powietrza wentylującego

Nagrzewnica.

Jako urządzenie obróbki cieplnej do ogrzania powietrza w okresie zimowym zastosowano nagrzewnicę.

Temperatura nawiewu okresu zimowego.

$$t_{\text{noz}} = t_{\text{poz}} - \frac{Q_{\text{zjoz}}}{\rho \bullet c_{p} \bullet V}\ ,\ \ $$

t_noz – temperatura nawiewu w okresie zimowym

t_poz – temperatura pomieszczenia w okresie zimowym

Q_zjoz – zyski ciepła jawnego w okresie zimowym

ρ – gęstość powietrza nawiewanego

cp – ciepło właściwe powietrza nawiewanego

V – strumień powietrza nawiewanego

$$t_{\text{noz}} = 20 - \frac{1,1208}{1,2 \bullet 1,005 \bullet 1,139} = 20 - 0,82\ \cong 19,2\ \ $$

Moc nagrzewnicy.

Q_N = V •  ρ • c_p • (t_noz−t_N1oz) ,   kW

c_p - ciepło właściwe powietrza = 1,005 kJ/kg K

𝜌- gęstość powietrza = 1,2 kg/m3,

t_N1oz - temperatura powietrza po odzysku ciepła ⁰C,

t_noz - temperatura powietrza nawiewanego ⁰C.

Q_N = 1, 139 •  1, 2 • 1, 005 • (19,2− 9,5) = 13, 3 kW

Chłodnica.

Obliczenia mocy chłodnicy wykonano dla maksymalnej temperatury zewnętrznej i maksymalnych zysków ciepła. Różnicę entalpii odczytano z wykresu i – x.

Maksymalne zyski ciepła.

Parametry powietrza dla maksymalnych zysków ciepła.

Maksymalne zyski ciepła występują w Lipcu o godzinie 8:00. Z założeń temperaturę nawiewu dla maksymalnych zysków ciepła w okresie ciepłym przyjęto o 6 ˚C mniejszą od temperatury w pomieszczeniu

• Strumień wentylujący: 1,139 m³/s

• Temperatura pomieszczenia: 21,5 ˚C

• Temperatura po odzysku ciepła: 31 ˚C

• Temperatura nawiewu: 15,5 ˚C

Entalpia:

• Entalpia powietrza nawiewanego: 39,8 kJ/kg p.s.

• Entalpia powietrza po odzysku ciepła: 52,3 kJ/kg p.s.

Moc chłodnicy

Q_CH = V •  ρ • (i_N1oc−i_noc) ,   kW

V – strumień powietrza wentylującego

𝜌- gęstość powietrza = 1,2 kg/m3,

i_N1oc - entalpia powietrza po odzysku ciepła ⁰C,

i_noc -entalpia powietrza nawiewanego ⁰C.

Q_CH = 1, 139 •  1, 2 • (52,3−39,8) = 17, 1  kW

Maksymalna temperatura powietrza zewnętrznego.

Parametry powietrza dla maksymalnej temperatury powietrza zewnętrznego.

Maksymalna temperatura powietrza zewnętrznego występuje w Lipcu o godzinie 15,00.

• Strumień wentylujący: 1,139 m³/s

• Temperatura pomieszczenia: 25 ˚C

• Temperatura po odzysku ciepła: 30,0 ˚C

Temperatura nawiewu dla maksymalnej temperatury zewnętrznej.

$$t_{\text{noc}} = t_{\text{poc}} - \frac{Q_{\text{zjoc}}}{\rho \bullet c_{p} \bullet V}\ ,\ \ $$

t_noc – temperatura nawiewu w okresie ciepłym

t_poc – temperatura pomieszczenia w okresie ciepłym

Q_zjoc – zyski ciepła jawnego w okresie ciepłym dla maksymalnej temperatury powietrza zewnętrznego

ρ – gęstość powietrza nawiewanego

c_p – ciepło właściwe powietrza nawiewanego

V – strumień powietrza nawiewanego

$$t_{\text{noc}} = 25 - \frac{5,5208}{1,2 \bullet 1,005 \bullet 1,139} = 25 - 4,0 = 21\ \ $$

Entalpia:

• Entalpia powietrza nawiewanego: 46,2 kJ/kg p.s.

• Entalpia powietrza po odzysku ciepła: 55,2 kJ/kg p.s.

Moc chłodnicy

Q_CH = V •  ρ • (i_N1oc−i_noc) ,   kW

V – strumień powietrza wentylującego

𝜌- gęstość powietrza = 1,2 kg/m3,

i_N1oc - entalpia powietrza po odzysku ciepła ⁰C,

i_noc -entalpia powietrza nawiewanego ⁰C.

Q_CH = 1, 139 •  1, 2 • (55,2−46,2) = 12, 3  kW

Dobór kratek.

Dobrano kratki nawiewne firmy smay TYP ALW 425x225

Zasięg strumienia powietrza wentylującego pomieszczenie:

L = 0, 8 • b = 0, 8 • 7, 5 = 6m

Rozstaw kratek wywiewnych:

D = 0, 2 • L = 0, 2 • 6 = 1, 2m

Odległość górnej krawędzi nawiewnika od sufitu:

x = 0, 09 • L = 0, 09 • 6 = 0, 54m

$Q = 1,139\frac{m^{3}}{s}$ – całkowity przepływ

$Q_{1} = 0,19\frac{m^{3}}{s}$ - przepływ na jednej kratce

A_eff1 = 0, 063 m² - założona prędkość na wypływie z kratki wentylacyjnej – 3 m/s

Kratki nawiewne i wywiewne są takie same.

Dobór kanałów.

Układ Automatycznej Regulacji.

W momencie, gdy urządzenie nie działa, wyłączone są wentylatory WN i WW oraz zamknięte przepustnice P1 i P2. W chwili uruchomienia urządzenia regulator R_tp wysyła sygnał do siłowników S1 i S2, które otwierają przepustnice P1 i P2, oraz włączane są wentylatory WN i WW. W momencie uruchomienia urządzenia następuje pomiar temperatury zewnętrznej poprzez zamontowany w kanale czerpalnym czujnik temperatury zewnętrznej C_tz i pomiar temperatury w pomieszczeni dzięki czujnikowi C_tp. Od tej pory regulator R_tp utrzymuje zadaną temperaturę w pomieszczeniu.

Jeżeli na zewnątrz panują niskie temperatury, to regulator wysyła sygnał do siłownika S3, który otwiera na cały zakres zawór Z1 oraz sygnał do pompy obiegowej P_m, dzięki czemu uzyskujemy maksymalną moc grzewczą. W następstwie podwyższania temperatury zewnętrznej regulator przymyka zawór Z1 zmniejszając moc grzewczą nagrzewnicy. Za wymiennikiem obrotowym i nagrzewnicą zamontowane są czujniki C_tn1 i C_tn. Służą one do zabezpieczenia przed zamarzaniem urządzenia wentylacyjnego. Dodatkowym czujnikiem jest czujnik temperatury czynnika grzewczego powracającego z nagrzewnicy C_tg. Jeżeli na którymkolwiek z tych czujników odczytana zostanie wartość temperatury poniżej zadanej, wtedy regulator zamyka przepustnice P1 aby uniknąć zamarznięcia.

W momencie wyrównania temperatury za wymiennikiem obrotowym z żądaną temperaturą powietrza nawiewanego zostaje całkowicie zamknięty zawór Z1, a pompa obiegowa wyłączona. Od tej pory regulacja temperatury nawiewu polega na regulowaniu prędkości obrotowej wymiennika obrotowego.

Kolejny etap regulacji rozpoczyna się, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego zrówna się z temperaturą powietrza nawiewanego. Od tego momentu rozpoczyna się proces chłodzenia. Regulator R_tp za pomocą siłownika S4 reguluje zawór Z2 ustawiając jego otwarcie w celu uzyskania odpowiedniej mocy chłodzącej.