Ochrona przed zamarzaniem

    Ochrona przed zamarzaniem.

    Całą ideą rekuperacji, jest odzysk ciepła. Głównym okresem w jakim ma działać instalacja, jest okres zimowy. To właśnie w tym czasie, pojawia się najwięcej plusów i zalet całej zabawy. Niestety ujemnie temperatury panujące na dworze, dostarczają nam dodatkowych problemów.

    Jednym z najważniejszych jest efekt zamarzania wymiennika. Kiedy temperatura powietrza nawiewnego wychłodzi płyty wymiennika, poniżej temperatury punktu rosy, zacznie się proces wykraplania wilgoci, zawartej w powietrzu. Punki ten zależy od wielu czynników, temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego, wilgotności, przepływów itd. O ile sam opis matematyczny zachodzącego zjawiska, jest dość zagmatwany, to wyjaśnienie tego w słowach, jest znacznie prostsze. Jeżeli ciepłe, wilgotne powietrze, zacznie się ochładzać, na zimnej przegrodzie, to zacznie się proces skraplania wilgoci. Pojawią się krople wody.

Nie byłoby w tym nic strasznego, gdyby nie problem, co robić z tą wilgocią. Ilość wody jaka pojawi się, nie powinna dawać złudzeń, że należy dodać odpływ. Drugim gorszym problemem jest obladzanie się wymiennika. Wychładzanie płyt, przez powietrze nawiewane, jest na tyle intensywne, że woda na płytach zacznie zamarzać. Może dojść do sytuacji, kiedy cały prześwit wymiennika „zarośnie” nam bryłą lodu. W takiej sytuacji, będziemy zmuszeni zabrać wymiennik do domu i go rozmrażać. Jest to chyba najgorsza możliwa sytuacja.

    Aby nie doprowadzić do czegoś takiego, należy się bronić i reagować. Jest kilka strategii które pozwolą nam uniknąć takiego problemu.

GWC – Gruntowy Wymiennik Ciepła.

Chyba najlepsze, najpewniejsze i najkorzystniejsze rozwiązanie. Powietrze zanim dojdzie do naszego wymiennika, ogrzeje się od gruntu. Przekraczając magiczną wartość zera stopni Celsjusza, rozwiązuje się problem zamarzania. Dodatkowo latem, mamy możliwość zmniejszenia temperatury powietrza zasysanego. Wada takiego rozwiązania, to oczywiście cena i to że nie każdy ma miejsce i możliwość zrobienia czegoś takiego.

Grzałka w kanale zasilającym.

Termostat załącza grzałkę, aby utrzymać temperaturę powyżej zera. Ładne, proste rozwiązanie. Jedyna wada takiego rozwiązania, to potrzebna dodatkowa energia, jaką należy dostarczyć do układu. Jeżeli mniejsze będą koszty utrzymania układu rekuperatora, niż oszczędności na paliwie/energii, to nie jest jeszcze źle. Wydłuża się czas zwrotu instalacji. Gorzej, jeżeli jest odwrotnie i okazuje się, że droższe jest utrzymanie rekuperatora niż ogrzanie domu tradycyjne.

Cykliczne rozmrażanie wymiennika przez powietrze wywiewane.

Co jakiś, wcześniej ustalony czas, rekuperator wyłącza nawiew lub przełącza klapę bypass’u, tak aby względnie zwiększyć ilość powietrza wywiewanego. Od ciepła, usuwanego powietrza, płyty wymiennika rozmrożą się. Rozwiązanie najprostsze, najtańsze. Wadą jest to, że pogarszamy sprawność układu. Możemy tracić ciepło, jeżeli wymiennik nie będzie wymagał rozmrażania, a przyjdzie pora, aby dokonać takiej procedury.

Wykrywanie oblodzenia.

Pomysł polega na rozmrażaniu wymiennika, przez powietrze wywiewane, ale tylko w sytuacji kiedy będzie to konieczne. Pozwala to ograniczyć straty na rozmrażanie, przez wyeliminowanie zbędnych cykli. Zalety to analogiczne jak przy cyklicznym rozmrażaniu, niska cena. Wady : należy dobrze określić warunki kiedy dochodzi do oblodzenia, użycie bardziej zaawansowanego sterowania (mikroprocesor, plc)

    Ja w swoim układzie zdecydowałem się na tą ostatnią metodę. Z racji zaimplementowania układu mikroprocesorowego, mogę łatwo opracować algorytmy identyfikacji oblodzenia.

Do oszacowania czy dochodzi do zamarzania, będę kontrolował trzy zmienne. Temperaturę powietrza nawiewanego, ciśnienie różnicowe i przepływ powietrza wywiewanego. Do uruchomienia procedury rozmrażania, potrzebne będzie spełnienie trzech warunków.

    Warunek na temperaturę jest prosty i łatwy do określenia. Jeżeli temperatura powietrza zasysanego spadnie poniżej zera, spełniony będzie warunek pierwszy. Wykrycie chwili przejścia przez zero jest proste, gdyż pomiar dokonywany jest we wszystkich czterech komorach centrali. Zastosowane czujniki pozwalają, na pewne określenie wartości z dokładnością do trzech miejsc po przecinku. Większa dokładność niż jedna cyfra, nie jest mi potrzebna. Dla mnie, nie ma różnicy, czy w pokoju jest 21,01 czy 21,02  ^oC.

    Ciśnienie różnicowe wykrywane przez presostat, musi przekroczyć ściśnie określoną wartość. Odpowiedz jest binarna, zero-jedynkowa. Problemem może się okazać, ustalenie progu zadziałania.  Aby prawidłowo dobrać nastawę presostatu i nie latać w zimę na strych sprawdzając czy już się obladza, należy sprawdzić charakterystykę naszego układu. Aby zebrać dane, musimy przeprowadzić szereg pomiarów. Zależy nam na określeniu, wartości spadku ciśnienia na wymienniku w warunkach normalnej pracy i częściowego oblodzenia.

Jeżeli masz łatwy dostęp do otwierania centrali, lub dostęp do presostatu, to pomiary pójdą szybko. Gorzej jeżeli trzeba coś rozkręcać. W moim przypadku było to drugie. Boczna klapa jest dociskana 4 śrubami M8. Aby się nie nakręcić, dorobiłem z resztek blatu kuchennego prowizoryczną ściankę. Aby sprawdzić straty na wymienniku, to konieczne jest tylko uszczelnienie komory między wymiennikiem, a wentylatorem wywiewu. Należy mieć jednak świadomość, że nastawa może się delikatnie różnić, kiedy dojdzie reszta rur i kanałów.

Cykl pomiarów był taki.

Ustawiłem presostat na najniższą możliwą nastawę. U mnie jest to presostat PS600, zakupiony w www.centrowent.pl. Jego najniższa możliwa nastawa to 40 Pa, a histereza to 30 Pa. Czyli przy różnicy ciśnienia przed i za wymiennikiem wynoszącej 40 Pa, załączy się presostat, a dopiero przy różnicy 10 Pa, styki się rozłączą.

Kiedy ustawimy czujnik, należy podnoście powoli obroty wentylatora, aż do chwili kiedy styki się przełączą. Należy zanotować wartość prędkości przy jakiej się to stało. Drugim etapem jest zmniejszanie prędkości, do chwili „odpadnięcia” styków.  Przy jednym ustawieniu, dobrze by było powtórzyć to kilka razy. Wartość średnia z tych pomiarów, będzie bliższa wartości rzeczywistej.

W moim przypadku presostat zadziałał przy wysterowaniu wentylatora na 29%, a wyłączył się kiedy obroty spadły do 17%. Analogicznie postępujemy dla kolejnych punktów pomiarowych. Skala na pokrętle presostatu jest z podziałką 20 Pa, a więc też takie wartości przyjąłem jako kolejne punkty.

Przy maksymalnej mocy wentylatorów, wysterowanie na 100%, maksymalny spadek ciśnienia wyniósł 320 Paskali.

Następnym punktem jest sprawdzenie spadków ciśnienia przy częściowym oszronieniu wymiennika. Uznałem, że 50% zatkanie kanałów będzie moim granicznym stopniem zeszronienia. Do symulacji zatkania wymiennika, użyłem kliszy do naświetlania płytek. Można użyć tektury, blaszki, co kto ma.  Przyciąłem ją do powierzchni wynoszącej połowę powierzchni wlotowej do wymiennika.

Tak samo jak dla całego prześwitu, zrobiłem kolejne pomiary w przypadku częściowego zatkania. Praktycznie potrzebne są tylko punkty w obrębie pracy, w czasie zimy. Ja zmierzyłem z ciekawości pełny zakres.

To ile powinno być nastawione? Założyłem, że przepływ w zimę będzie na poziomie ok 30% przepływu nominalnego. Aby uzyskać takie prędkości w wymienniku, posłużyłem się programem do doboru wymienników. Odczytałem prędkość strugi powietrza, a następnie przy użyciu anemometru ustawiłem pożądaną wartość.

Niestety histereza, a właściwie jej szerokość nie pozwala, na ustawienie jednej konkretnej wartości.

Wariant 1 : Ustawiamy presostat na 150 Pa. Kiedy wymiennik jest czysty, nie mamy sygnału z presostatu. Procedura oszraniania trwa tak długo, aż ten sygnał stanie się „zerem logicznym”. Ryzyko jest takie, że aby pojawił się sygnał od presostatu, wymiennik musi zamarznąć w większym stopniu (około 80%)

Wariant 2 : Ustalamy presostat na wartość ok. 90-100 Pa. Sygnał pojawia się przy równo 50% oblodzeniu, ale po procedurze oszraniania, sygnał z presostatu nie zniknie. Aby wyzerować sygnał presostatu, na koniec oszraniania, należałoby chwilowo zmniejszyć prędkość wentylatora, aby styki „odpadły”, lub całą procedurę przeprowadzić, przy zredukowanych obrotach wentylatora.

Wariant 3: kupujemy presostat o znacznie mniejszej histerezie, na tak samo szeroki zakres działania.

Mimo że producent deklaruje histerezę na poziomie 30 Pa, to z przeprowadzonego eksperymentu, widać, że jest trochę szersza.

    Drugim parametrem jaki należy kontrolować, to przepływ powietrza po stronie wywiewu. Najłatwiej to byłoby wstawić przepływomierz i mierzyć bezpośrednio. Łatno i przyjemnie, ale generuje to dodatkowe koszta i sprawia, że układ robi się rozbudowany. Nas interesuję sam fakt, że spadł przepływ, a nie o ile dokładnie. Do tego celu posłużę się algorytmem kontroli temperatur. Idea dość prosta. Kontrolowane są temperatury z czerpni, nawiewu, wywiewu. Na bazie tych danych można wyznaczyć sprawność układu. Kozystając ze wzoru :

gdzie:

T1 – temperatura powietrza w kanale czerpni

T2 – temperatura powietrza w kanale nawiewu

T3 – temperatura powietrza w kanale wywiewu

Wyznaczymy sprawność w danej chwili pracy. Jeżeli zacznie dochodzić do oblodzenia wymiennika i przepływ po stronie wywiewu zacnie spadać, to temperatura T2 również. Przy czym pozostałe temperatury powinny pozostać bez zmian.

Zestaw tych 3 warunków pozwoli na wyznaczenie momentu kiedy wymiennik zaczyna się zatykać. Ja osobiście jestem za zestawem parametrów :

Warunek od temperatury :

Powietrze zasysane z czerpni ma temperaturę <= 0 ^oC

Warunek od bypass’u:

Wariant 2, ale cały proces odszraniania przy zredukowanych prędkościach. Ograniczy to wtłaczanie zimnego powietrza do domu. Dostaje bezpośredni sygnał odmrożenia wymiennika, spokojniejszy przepływ pozwoli łatwiej spłynąć kroplom wody do tacki ociekowej.

Warunek od spadku przepływu:

Spadek temperatury T2 o kilka stopni na minutę. Nie wiem niestety ile to będzie. Na początek będę musiał zaufać presostatowi i wyznaczyć z zebranych danych archiwalnych.

Pozdrawiam

GrzegorzM.