Projektowanie systemu grzewczego w nowoczesnym obiekcie wymaga podejmowania wielu decyzji. Bilans energii, związany ze stratami oraz zyskami ciepła, determinuje rodzaj urządzeń grzewczych oraz ich moc. Równie istotny jest także system sterowania projektowaną instalacją. Nieodpowiedni dobór regulacji może prowadzić do niewłaściwej pracy nawet najlepiej zaprojektowanej instalacji grzewczej. Problem dotyczy przemian energetycznych, które w sposób dynamiczny odbywają się w trakcie pracy systemu ogrzewania. Audyt energetyczny obiektu nie zapewnia precyzyjnej analizy tych zmian, co może powodować błędne decyzje dotyczące doboru systemu regulacji.
W artykule prezentujemy sposób wykorzystania symulacji CFD (Computational Fluid Dynamics – komputerowej symulacji przepływów) jako narzędzia wspierającego projektowanie instalacji grzewczej. Do tego celu użyto programu symulacyjnego FDS (Fire Dynamics Simulator), standardu szeroko wykorzystywanego na polskim rynku w branży HVAC. Przedstawiany model przygotowano za pomocą programu PyroSim.
Obiekt opracowania
Analizę wykonano dla hipotetycznego obiektu mieszkalnego o powierzchni 220 m2 i wysokości pomieszczeń równej 3 m. Obliczenia dotyczące obiektu wykazały, że łączne zapotrzebowanie na ciepło przy temperaturze zewnętrznej równej -20oC wynosi 17 kW (przy różnicy temperatur 40oC). W modelu symulacji uwzględniono straty energii przez przegrody zewnętrzne, ze współczynnikiem przenikania ciepła równym 0,3 W/m2K (dla ścian) i 1,2 W/m2K (dla okien). W związku z tym dobrano 10 grzejników o mocy 1,8 kW każdy, co daje łącznie moc grzewczą 18 kW.
Model symulacji wykonany w programie PyroSim przedstawia rys.1.
Temperatura na poziomie -20oC stanowi duże wyzwanie dla systemu instalacji grzewczej. Nieogrzewany budynek jest w takich warunkach narażony na bardzo szybkie wychładzanie. FDS odnotowuje wyraźne zmiany już po 15 minutach od rozpoczęcia symulacji. W tym czasie dochodzi do obniżenia temperatury powietrza do wartości 17oC. Po godzinie ochładzania zarejestrowano kolejną redukcję temperatury do poziomu nawet 13oC (rys. 2). W symulacji przyjęto stałe straty energii dla różnicy temperatur równej 40oC. Jak wiadomo, po obniżeniu temperatury wewnątrz obiektu dochodzi do zmniejszenia strumienia energii. Dlatego należy przeskalować spadek temperatury o około 25%.
Symulacja CFD w PyroSim to możliwość pełnego zamodelowania zmian strumienia ciepła, które zapewniają pominięcie powyższego uproszczenia. Nie jest to jednak znaczące dla potrzeb dalszej części artykułu.
Rozmieszczenie czujników a skuteczność ogrzewania
Ten sam zestaw grzejników będzie wykazywał rozbieżne rezultaty pracy w zależności od ich położenia oraz od rozmieszczenia czujników nastawczych. Symulacja umożliwia przeprowadzenie wielu prób w różnych konfiguracjach położenia i różnej ilości czujników sterujących. Sterowanie jest wymagane ze względu na wysoką moc urządzeń grzewczych, w celu kontroli temperatury nastawczej.
Na rys. 3. zaprezentowana jest sytuacja, w której instalacja grzewcza została pozbawiona sterowania i pracuje w sposób ciągły na pełnej nastawie. Już po 10 minutach obserwujemy bardzo wyraźne przegrzanie pomieszczeń nawet do 27oC. Co istotne, równocześnie odnotowuje się nadal stosunkowo niższą temperaturę podłogi (20–24oC). Sugeruje to nieregularny i niepożądany rozkład temperatur w pomieszczeniu.
Najlepszym dostępnym rozwiązaniem jest strefowa kontrola temperatury dla każdego z pomieszczeń niezależnie. Przeprowadzona próba wskazuje na skuteczną pracę instalacji, utrzymującą temperaturę na poziomie nastawy równej 20oC w pokojach i 24oC w łazience (rys.4). Pokoje, w których temperatura powietrza jest niższa niż 20oC, nie są wyposażone w urządzenia grzewcze. Opisane rozwiązanie odpowiada sterowaniu z wykorzystaniem zaworów termostatycznych. Każdy grzejnik jest kontrolowany niezależnie, dzięki temu utrzymuje temperaturę lo kalnie, nie wpływając na sąsiadujące pomieszczenia. Należy nadmienić, że – podobnie jak we wcześniejszych przykładach – w symulacji uwzględnione jest przenikanie ciepła przez przegrody wewnętrzne (założono budowę gipsową).
Budynki wyposażone w regulację czujnikiem centralnym, kontrolującym nastawę pieca, stanowią temat odrębnej analizy. Opisywany przypadek zakłada regulację globalną przy użyciu jednego czujnika, położonego w dwóch różnych lokalizacjach. Test 1. prezentuje sterowanie czujnikiem zlokalizowanym w centralnej części obiektu (rys. 5). Granice przestrzeni nieogrzanej przedstawiono za pomocą izolinii 20oC. Jak pokazuje rysunek, dwa pomieszczenia nie spełniają poziomu wymaganej temperatury. Czujnik potwierdza to przypuszczenie, a wykres rejestrujący jego pracę wskazuje temperaturę stabilizacji na poziomie 19oC.
Symulacja wskazuje na konieczność zmiany położenia czujnika sterującego w celu optymalizacji ogrzewania. Tym razem pomiar zrealizowano w pomieszczeniu nieogrzanym, co ilustruje test 2. (rys. 5). Jak wykazały wyniki, rozwiązanie to skutecznie realizuje założenia projektowe, utrzymując temperaturę powyżej 20oC. Przeniesienie czujnika w miejsce narażone na niższe temperatury może grozić przegrzaniem pozostałych pomieszczeń. Wykres temperatury świadczy jednak o utrzymaniu stabilnej temperatury projektowej. Ze względu na niską intensywność występowania anomalnych wartości można je zignorować. Możliwe jest jednak dalsze prowadzenie prób symulacyjnych w celu dobrania bardziej optymalnych rozwiązań.
Histereza ogrzewania
Symulacja CFD w PyroSim otwiera także duże możliwości analityczne doboru histerezy sterowania. Na drodze testu symulacyjnego możliwe jest określenie skutecznej histerezy ogrzewania dla konkretnego obiektu i określonej mocy urządzeń. Prezentujemy zestawienie wyników testu porównawczego ogrzewania na stałej regulacji ze sterowaniem z histerezą 2oC (dla omawianego obiektu, z centralnym pomiarem temperatury nastawczej). Na podstawie przebiegu łącznej mocy urządzeń grzewczych (rys. 6) obliczono ostateczną energię oddaną w obu wariantach. Wyniosła ona 15,2 MJ przy stałej regulacji oraz 14,8 MJ w przypadku działania histerezy sterowania. Wynik testu wykazuje niewielką różnicę, ale należy pamiętać, że analiza dotyczy indywidualnego przypadku i konkretnej nastawy regulacji, nie można więc na tej podstawie formułować wniosków odnoszących się do innych obiektów.
Istotnym czynnikiem w doborze przedziału histerezy jest również temperatura wynikowa w pomieszczeniach. Jak zaprezentowano na wykresach (rys. 7.), sterowanie chwilowe ma w tym względzie znaczącą przewagę. Dlatego konieczne jest podjęcie decyzji dotyczącej wyboru pomiędzy oszczędnością energii a komfortem związanym ze stałą regulacją temperatury.
Podsumowanie
Przedstawione w artykule zagadnienia to dopiero część z wielu możliwości symulacji CFD jako narzędzia wspomagającego projektowanie. Nieustanny rozwój oprogramowania symulacyjnego umożliwia testowanie instalacji już na poziomie ich planowania. Uzupełnione atrakcyjnymi wizualizacjami symulacje mogą stanowić bardzo interesujący materiał prezentacyjny. Dzięki coraz większej dostępności już dziś symulacje stają się standardem wspomagającym projektowanie na coraz wyższym poziomie. Dzięki takim narzędziom jak FDS z PyroSim możliwości te otwierają się dla każdego.
Autor: mgr inż. Piotr Zaranek