Produkcja przemysłowa stanowi jeden z tych obszarów, w których skuteczna wentylacja pomieszczeń jest aspektem niezwykle istotnym, a jednocześnie trudnym w realizacji. Wysokie stężenia gazów i pyłów przemysłowych – ze względu na ich niekorzystny wpływ na zdrowie pracowników – muszą być redukowane do minimum, co wymusza stosowanie urządzeń wentylacyjnych o wysokiej przepustowości i sprawności. Jednocześnie różnorodna kubatura hal przemysłowych wynikająca z przeznaczenia danego obiektu oraz duża wysokość kondygnacji (często powyżej 3,8 m) powodują, że systemy wentylacji muszą być projektowane indywidualnie pod potrzeby danego zakładu. To samo dotyczy przylegających do hal produkcyjnych magazynów, które pod względem kubatury i wysokości często nie ustępują samym halom.

Największym wyzwaniem jest takie zaprojektowanie układu wentylacyjnego, który uwzględnia strefy pracy ludzi i maszyn wraz z generowanymi przez nie zanieczyszczeniami powietrza, a przy tym pozostaje ekonomiczny pod względem kosztów eksploatacji. Coraz częściej problem ten rozwiązuje się przez wdrażanie systemów VAV, podziału na strefy pracy oraz pośredniego chłodzenia wyparnego.

Projektowanie nastawione na oszczędności

Działania mające na celu ograniczenie kosztów wentylacji przemysłowej mogą być realizowane zarówno w ramach istniejącej instalacji, jak i w drodze zaprojektowania całkowicie nowego systemu wentylacyjnego. Generalnie dużo prostszym, choć nie zawsze możliwym do wdrożenia rozwiązaniem jest uwzględnienie kwestii oszczędności energii już na etapie projektowym. W praktyce oznacza to konieczność przemyślenia architektury systemu w taki sposób, by dopasować intensywność i czas działania instalacji do rzeczywistych potrzeb przedsiębiorstwa. Dobrze zaprojektowany system wentylacji powinien działać z maksymalną wydajnością tylko wówczas, gdy w danej strefie przebywają ludzie i/lub stężenie zanieczyszczeń jest szczególnie wysokie. W pozostałym czasie powinien być wyłączony lub pracować w sposób ograniczony do niezbędnego minimum. Jest to istotne zwłaszcza w okresie zimowym, gdy temperatura powietrza w danym pomieszczeniu poza godzinami pracy powinna być utrzymywana na minimalnym wymaganym poziomie, a także w okresie letnim, gdy do chłodzenia pomieszczeń w nocy wystarczy stały dostęp powietrza pochodzącego z zewnątrz. Takie rozwiązanie wymaga zaprogramowania odpowiednich algorytmów sterowania w ramach systemu BMS uwzględniających także wykorzystanie wydzielanych zysków ciepła. Oznacza to, że ciepło generowane podczas pracy elementów układu jest wykorzystywane wtórnie do ogrzewania pomieszczeń w okresie grzewczym przy równoległym zmniejszeniu mocy ogrzewania lub obniżeniu temperatury powietrza nawiewanego – bez strat w bilansie cieplnym pomieszczenia.

Systemy ze zmienną ilością powietrza (VAV)

Jednym z najbardziej powszechnych systemów umożliwiających inteligentną regulację układu wentylacyjnego w zależności od bieżących potrzeb zakładu jest system VAV (ang. Variable Air Volume), który w odróżnieniu od systemów ze stałą ilością powietrza (ang. Constant Air Volume – CAV) umożliwia zmianę wielkości strumienia powietrza doprowadzanego do wnętrza przez modyfikację kąta przestawienia przepustnicy. Ta zaś sterowana jest sygnałami wysyłanymi przez system sterowania pomieszczeniem bazującymi na dwóch zmiennych: temperaturze powietrza we wnętrzu lub liczbie osób w nim przebywających (stężeniu CO2). Zainstalowane w odgałęzieniach regulatory precyzyjnie dozują przepływ powietrza dla poszczególnych pomieszczeń, wspomagane w tym procesie przez regulatory zainstalowane w części wywiewnej. Taka dynamiczna charakterystyka pracy instalacji wymaga zainstalowania wentylatorów o zmiennej prędkości obrotowej regulowanych za pomocą falownika na podstawie wartości ciśnienia w sieci.

W teorii system VAV został stworzony z myślą o instalacjach o dużym zróżnicowaniu w czasie pojawiania się maksymalnych obciążeń. W praktyce jednak tego typu sytuacja występuje w większości budynków przemysłowych: nawet w przypadku pracy wielozmianowej standardowy współczynnik jednoczesności dla tego typu obiektów wynosi 0,7-0,8, co oznacza, że niemożliwe jest wystąpienie zapotrzebowania na maksymalne ilości powietrza we wszystkich strefach budynku jednocześnie. Tym samym ciągła praca instalacji w całym obiekcie nie znajduje uzasadnienia, generując jedynie niepotrzebne straty energetyczne. Aby ich uniknąć, warto zintegrować układ z systemem BMS, który umożliwi dynamiczne reagowanie na zmiany zapotrzebowania na dostawy powietrza w częściach budynku obsługiwanych przez tę samą sieć wentylacyjną, dostarczając do nich tylko takie jego ilości, jakie są potrzebne w danej chwili.

Owa indywidualna regulacja parametrów powietrza stanowi jedną z głównych zalet systemów VAV, umożliwiając ograniczenie zużycia energii w skali całego obiektu, głównie za sprawą zmniejszenia zapotrzebowania na moc – średnio o 30% w porównaniu z systemami CAV. Oszczędności te generowane są zarówno za sprawą obniżenia sprawności wentylatorów, jak i zmniejszenia kosztów przygotowania powietrza w innych elementach centrali, chłodnicy i nagrzewnicy. System monitoringu bazujący na czujnikach ruchu, CO2 lub stężenia zanieczyszczeń, a także programatorach czasowych i wyłącznikach ręcznych jest też prosty w obsłudze i niezwykle elastyczny, a tym samym może zostać w prosty sposób dostosowany do nowego profilu produkcji czy wzrostu powierzchni zakładu. Wadą takiego rozwiązania jest z kolei duży rozmiar kanałów wynikający z konieczności uwzględnienia przepływu powietrza zdolnego kompensować zyski ciepła w pomieszczeniach w sytuacji maksymalnego obciążenia cieplnego. Problem ten można rozwiązać przez wprowadzenie dodatkowych urządzeń strefowych przejmujących powstałe zyski ciepła, podczas gdy strumień główny generowany w centrali jest ograniczany do wartości minimalnych.

Strefowanie obiektu

Aby zmaksymalizować oszczędności płynące z zastosowania systemu VAV, warto także zrezygnować z jednej centrali wentylacyjnej na rzecz kilku ośrodków dystrybucji powietrza sterowanych osobno na bazie warunków panujących w danej strefie. Takie strefowanie obiektu ma istotne znaczenie w przypadku dużych zakładów produkcyjnych o bardzo zróżnicowanym zapotrzebowaniu w zakresie wentylacji. Jednak według obliczeń praktyków już w małych obiektach o powierzchni 500 m2 podział na dwie strefy wentylacji może przynieść oszczędności energii elektrycznej rzędu 500 zł rocznie (przy łącznej przepustowości 1000 m3/h, trybie pracy 12/12 h oraz ciśnieniu roboczym 300 Pa). Największe korzyści generuje przy tym system, w którym grzanie i wentylacja realizowane są przez dwa niezależne układy, a nagrzewnice w systemie wentylacji mają za zadanie jednie dogrzewać powietrze wentylacyjne.

Chłodzenie wyparne

Zagadnienie bilansowania zysków ciepła przez układ wentylacyjny stanowiące jedno z istotniejszych wyzwań dla systemów typu VAV można także alternatywnie potraktować jako szansę na zmniejszenie zużycia energii przez umiejętne wykorzystanie nierównowagi termodynamicznej powietrza zewnętrznego. Możliwości takie oferują systemy chłodzenia wyparnego, czyli pośredniego lub bezpośredniego odparowywania wody (czynnika chłodniczego) w celu schłodzenia i nawilżenia powietrza w układzie wentylacyjnym. W układzie pośrednim – bardziej interesującym ze względu na wyższą skuteczność i niższe koszty inwestycji – strumień powietrza dostarczany do użytkowników pomieszczeń (tzw. główny) wchodzi w kontakt z wodą przez ścianki rekuperatora, oddając ciepło i zachowując niezmienną zawartość wilgoci, dzięki czemu lepiej asymiluje się z parą wodną w pomieszczeniach i zwiększa komfort pracy. Natomiast jego część zawracana jest do kanałów mokrych wymiennika, gdzie ochładza warstwy cieczy (tzw. strumień pomocniczy).

Systemy pośredniego chłodzenia wyparnego święcą ostatnio triumfy w Stanach Zjednoczonych i zachodniej Europie. Pierwsze tego typu układy zostały wdrożone także w Polsce. Prace nad maksymalizacją ich wydajności wciąż jednak trwają: zbadania wymagają m.in. zależności między parametrami aerodynamicznymi, termodynamicznymi i konstrukcyjnymi a skutecznością wymiany ciepła, a także racjonalność wdrażania tego typu systemu w poszczególnych strefach klimatycznych. Stwierdzono bowiem, że temperatura i wilgotność względna powietrza na wejściu do wymiennika – obok stosunku ilościowego strumienia pomocniczego i głównego oraz prędkości przepływu powietrza w kanałach – ma istotny wpływ na skuteczność działania układów wyparnych.

Z punktu widzenia przedsiębiorców istotnym aspektem jest to, że każde z zaproponowanych rozwiązań – choć generuje znaczne oszczędności kosztów eksploatacji – niesie ze sobą też konieczność poniesienia wyższych nakładów inwestycyjnych na etapie projektowania i wdrażania systemu. Czynnik ten wymaga uwzględnienia już na etapie planowania inwestycji, a w jego zniwelowaniu może pomóc zarówno pozyskanie zewnętrznego wsparcia ze strony instytucji promujących wprowadzanie energooszczędnych rozwiązań, jak i zastąpienie tradycyjnych komponentów tańszymi odpowiednikami, np. przewodami tekstylnymi.