Wstęp

Coraz większego znaczenia w branży HVAC nabiera obecnie sposób sterowania urządzeniami w rzeczywistych warunkach pracy. W wielu przypadkach bowiem to właśnie automatyka urządzeń może mieć większy wpływ na parametry energetyczne obiektu, na oszczędność energii i dopasowanie parametrów pracy, niż sama sprawność odzysku ciepła, sprawność wentylatorów, czy też moce wymienników ciepła.

Ten kierunek dobrze opisuje norma EN ISO 52120-1, która dotyczy wpływu automatyki, sterowania i technicznego zarządzania obiektem na jego charakterystykę energetyczną. Norma ta nie obiecuje jednej uniwersalnej wartości oszczędności. Porządkuje natomiast funkcje sterowania, które mogą wpływać na zużycie energii, i pokazuje sposób określania wymagań oraz oceny ich wpływu na pracę budynku.

REHVA (Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Association) czyli wiodąca europejska organizacja zrzeszająca inżynierów HVAC we współpracy Eu.bac (European Building Automation and Controls Association) opublikowały niedawno przewodnik do EN ISO 52120-1 – Europejskiej normie definiującej wpływ systemów automatyki, sterowania i zarządzania efektywnośią energetyczną budynków, w którym pokazano właśnie tę zmianę myślenia: automatyka ma pomagać nie tylko sterować instalacją, ale także weryfikować jej działanie i osiągać oczekiwane parametry jak najniższym kosztem energetycznym.

W niniejszym artykule nie będziemy jednak omawiać samej normy. Potraktujemy ją raczej jako punkt wyjścia do tematu, który w naszej praktyce pojawia się bardzo często: sterowania centralami wentylacyjnymi ze szczególnym naciskiem na przemysł przetwórstwa spożywczego, szczególnie mięsnego.

Wentylacja procesu to nie wentylacja komfortu

Podejście do wentylacji i klimatyzacji determinuje zazwyczaj miejsce jej zastosowania, dlatego w praktyce funkcjonują dwa zupełnie różne rodzaje wentylacji: wentylacja komfortu i wentylacja procesu.

Wentylacja komfortu dotyczy biur, szatni, jadalni, pomieszczeń socjalnych, sanitariatów czy dyżurek. W takich pomieszczeniach podstawowym punktem odniesienia jest człowiek. Sterowanie może być więc oparte na obecności ludzi, harmonogramie ich przebywania, weryfikacji stężenia CO2.

W wentylacji procesu czy też po prostu wentylacji przemysłowej sytuacja wygląda inaczej. Osią układu w pomieszczeniach przemysłowych nie jest komfort użytkownika, ale proces technologiczny.

W przemyśle spożywczym proces ten bardzo często generuje duże ilości pary wodnej, gdyż szczególnie w pomieszczeniach rozbioru, napełniania, czy pomieszczeniach mycia.

Zatem podstawowe pytanie nie brzmi: ile wymian powietrza na godzinę mamy zapewnić? Ważniejsze jest pytanie: jakie powietrze wprowadzamy do pomieszczenia, z jaką temperaturą, z jaką zawartością wilgoci i czy to powietrze faktycznie pomaga utrzymać warunki procesu, czy też może w tym przeszkadzać?

Największy problem: wilgotność przy niskiej temperaturze

W zakładach mięsnych jednym z najtrudniejszych problemów eksploatacyjnych jest nadmierna wilgotność. Wynika to z samego charakteru procesów produkcyjnych. Produkty mięsne składają się w ogromnym procencie z wody, która podczas procesu technologicznego paruje. Konieczność zachowania bardzo wysokiej higieny produkcji produkcji sprawia, że także w samym procesie używa się dużych ilości wody. Rygorystyczne i częste procesy mycia, podczas których części zakładu całkowicie wyłącza się z produkcji dopełnia obraz procesu w którym najważniejsze staje się utrzymanie wilgotności zapewniającej wysoką czystość i brak skroplin co w niskich temperaturach nie jest sprawą prostą. Niska temperatura jest wymogiem technologicznym i higienicznym, ale z punktu widzenia fizyki powietrza powoduje to dodatkowy problem, bo im niższa temperatura powierzchni, tym łatwiej osiągnąć punkt rosy.

A gdy powietrze osiąga punkt rosy, para wodna zaczyna się wykraplać. Najpierw pojawiają się wilgotne powierzchnie, potem skropliny na stropach, ścianach, kanałach, konstrukcji, urządzeniach, drzwiach chłodniczych czy elementach instalacji. W zakładzie spożywczym jest to problem higieniczny, technologiczny i eksploatacyjny.

Dlatego w tego rodzaju obiektach sama ilość powietrza nie rozwiązuje sprawy. Możemy mieć dużą liczbę wymian, ale jeśli powietrze ma niewłaściwe parametry, nie usuniemy problemu wilgoci, a w pewnych warunkach możemy go nawet powiększyć.

Liczba wymian powietrza nie mówi, czy instalacja osusza

W projektach bardzo często operuje się liczbą wymian powietrza. Jest to parametr wygodny, bo łatwo go zapisać i łatwo porównać. Nie jest jednak wystarczający do oceny, czy instalacja będzie skutecznie osuszała pomieszczenie.

Wentylacja usuwa wilgoć tylko wtedy, gdy powietrze nawiewane do pomieszczenia zawiera mniej pary wodnej niż powietrze usuwane z pomieszczenia.

Zatem nie wystarczy wiedzieć, ile powietrza nawiewamy. Trzeba jeszcze wiedzieć, jaka jest jego temperatura, wilgotność bezwzględna i punkt rosy. Dopiero wtedy możemy ocenić, czy powietrze nawiewane ma potencjał osuszający, czy wręcz przeciwnie – może jeszcze pogorszyć sytuację.

W praktyce mniejszy, ale odpowiednio uzdatniony strumień powietrza może być korzystniejszy niż wysoka liczba wymian powietrza zewnętrznego, które latem wnosi do zakładu dużą ilość wilgoci.

To jest jedna z najważniejszych różnic między prostym przewietrzaniem a wentylacją procesową.

Powietrze zewnętrzne: zimą pomaga, latem obciąża instalację

Wilgoć w zakładzie spożywczym pochodzi w ogromnej mierze z procesu. Jednak drugim bardzo istotnym źródłem wilgoci może być powietrze zewnętrzne.

Zimą sytuacja jest zwykle znacznie łatwiejsza. Powietrze zewnętrzne, nawet jeśli ma wysoką wilgotność względną, zawiera mało pary wodnej w ujęciu bezwzględnym. Po ogrzaniu jego wilgotność względna spada i takie powietrze ma duży potencjał osuszający.

Latem jest odwrotnie. Powietrze zewnętrzne może mieć wysoką temperaturę i bardzo dużą zawartość pary wodnej. Jeśli wprowadzimy je do pomieszczenia produkcyjnego, które pracuje np. w temperaturze kilku lub kilkunastu stopni, to musimy to powietrze schłodzić, a często także osuszyć.

Przyjrzyjmy się prostemu przykładowi.

Powietrze zewnętrzne o temperaturze 20°C i wilgotności względnej 100% zawiera około 14,7 g pary wodnej na kilogram suchego powietrza. Powietrze w pomieszczeniu o temperaturze 10°C i wilgotności względnej 100% zawiera już tylko 7,6 g, a w temperaturze stopni – jedynie 5g/kg powietrza suchego.

Różnica jest ogromna.

Oznacza to, że latem każdy dodatkowy metr sześcienny powietrza zewnętrznego może oznaczać dodatkową porcję wilgoci, którą potem trzeba usunąć na chłodnicy, osuszaczu albo w innym elemencie instalacji. Zatem w takich warunkach „więcej powietrza” nie zawsze oznacza lepiej.

Automatyka powinna sterować według temperatury, wilgotności i punktu rosy

Jeżeli osią problemu jest wilgotność i temperatura, to właśnie te parametry powinny być podstawą sterowania.

Centrala wentylacyjna w zakładzie spożywczym powinna pracować inaczej zimą, inaczej latem, inaczej podczas produkcji, inaczej podczas mycia, a jeszcze inaczej podczas osuszania po myciu.

Sterowanie wyłącznie według stałego harmonogramu albo stałej liczby wymian powietrza jest w takim przypadku zbyt uproszczone.

Automatyka powinna analizować przede wszystkim temperaturę i wilgotność powietrza zewnętrznego, parametry w pomieszczeniu, punkt rosy, tryb pracy zakładu, minimalny wymagany strumień powietrza, bilans nawiewu i wywiewu oraz pracę chłodnic, nagrzewnic i ewentualnych układów osuszania.

Nie chodzi więc o to, aby zawsze wentylować więcej. Chodzi o to, aby dostarczać tyle powietrza, ile wymaga proces, higiena i bilans stref, ale nie więcej niż wynika to z aktualnych warunków.

Właśnie w tym miejscu pojawia się potencjał oszczędności energii. Nie w przypadkowym ograniczaniu wydajności, ale w takim sterowaniu, które nie wymusza niepotrzebnego chłodzenia i osuszania powietrza, którego w danym momencie wcale nie musimy wprowadzać w takiej ilości.

Mycie i osuszanie po myciu

Osobnym zagadnieniem jest mycie oraz osuszanie po myciu. W wielu zakładach to właśnie wtedy pojawia się największe chwilowe obciążenie wilgocią. Powierzchnie są mokre, temperatura lokalnie się zmienia, a wilgotność gwałtownie rośnie.

Wentylacja powinna mieć specjalny tryb pracy odpowiadający procesom mycia – nie wolno traktować tego czasu tak samo jak normalnej pracy produkcyjnej.

Jeżeli w pomieszczeniu nie ma produktu i procedury zakładu na to pozwalają, podczas mycia oraz osuszania po myciu chłodnice powinny zostać wyłączone. Chłodzenie bardzo wilgotnego powietrza w momencie, w którym chcemy szybko osuszyć powierzchnie, jest zwyczajnie marnowaniem energii.

Powietrze o wyższej temperaturze może pomieścić więcej pary wodnej. Ma więc większy potencjał osuszający. Zatem w wielu przypadkach korzystniej jest czasowo podnieść temperaturę w pomieszczeniu np. do 20-24°C, umożliwić odparowanie wody z powierzchni, a następnie usunąć wilgotne powietrze.

To trochę tak, jakby próbować zmywać tłuszcz lodowatą wodą. Teoretycznie można, ale trudno nazwać to rozwiązaniem efektywnym.

Tryb osuszania po myciu powinien więc być osobnym scenariuszem automatyki. Powinien obejmować wyłączenie chłodnic, podniesienie temperatury, odpowiednią pracę wentylatorów, kontrolę wilgotności i punktu rosy oraz zakończenie procesu nie według sztywnego czasu, ale według faktycznych parametrów powietrza.

Dopiero po zakończeniu osuszania instalacja powinna wrócić do warunków produkcyjnych.

Bilans stref i kierunek przepływu powietrza

Bilans powietrza między strefami jest w zakładzie spożywczym bardzo ważny, ale należy dobrze rozumieć jego rolę.

Nie chodzi o bilans dla samego bilansu. Chodzi o kontrolę kierunku przemieszczania się powietrza wewnątrz zakładu.

Powietrze powinno przepływać zgodnie z założeniami higienicznymi i technologicznymi. Nie powinno przenosić wilgoci, zapachów, aerozoli czy zanieczyszczeń ze stref o gorszych parametrach do stref bardziej wymagających.

W praktyce oznacza to konieczność uwzględniania pracy drzwi, śluz, bram, lokalnych wyciągów, transferów powietrza oraz różnic ciśnienia między pomieszczeniami.

Jednocześnie bilans stref nie może być prowadzony w oderwaniu od wilgotności. Jeżeli utrzymanie założonego kierunku przepływu wymusza latem duży napływ powietrza zewnętrznego, to automatyka musi uwzględnić także konsekwencje wilgotnościowe i energetyczne takiej decyzji.

Dane, tryby pracy i odbiór automatyki

W zakładach spożywczych automatyka centrali nie powinna ograniczać się do trybu praca/postój.

Powinniśmy mieć osobne tryby dla produkcji, postoju, mycia, osuszania po myciu. Każdy z tych trybów może wymagać innych parametrów i innej pracy chłodnicy, nagrzewnicy oraz wentylatorów.

Równie ważna jest rejestracja danych. Bez trendów trudno później ocenić, czy problem wynika z procesu, powietrza zewnętrznego, zabrudzonych filtrów, pracy chłodnicy, błędnych nastaw czy niewłaściwego trybu automatyki.

Odbiór automatyki powinien obejmować nie tylko sprawdzenie sygnałów. Trzeba sprawdzić scenariusze technologiczne: przejście z produkcji na mycie, wyłączenie chłodnic w trybie osuszania, podniesienie temperatury, zakończenie osuszania oraz powrót do warunków produkcyjnych.

Dopiero wtedy można powiedzieć, że automatyka rzeczywiście prowadzi instalację, a nie tylko uruchamia urządzenia.

Podsumowanie

Jeżeli mielibyśmy jednym zdaniem podsumować ten artykuł, powiedzielibyśmy tak: w zakładach spożywczych, szczególnie mięsnych, wentylacja nie powinna działać według zasady „więcej powietrza znaczy lepiej”.

Powinna działać według zasady: tyle powietrza, ile wymaga proces, higiena i bilans stref, ale o takich parametrach, które pomagają utrzymać temperaturę, wilgotność i punkt rosy na właściwym poziomie.

Największy potencjał oszczędności energii nie polega na prostym ograniczaniu wentylacji. Polega na unikaniu niepotrzebnego chłodzenia i osuszania powietrza, którego w danym momencie nie trzeba wprowadzać w takiej ilości, oraz na właściwym prowadzeniu instalacji w różnych trybach pracy zakładu.

W Micro-Clima od lat dobieramy centrale wentylacyjne dla obiektów, w których powietrze jest częścią procesu technologicznego. Dlatego patrzymy nie tylko na wydajność centrali, ale także na temperaturę, wilgotność, punkt rosy, sposób osuszania, układ stref i automatykę.