Efektywność energetyczna Efektywność energetyczna systemów klimatyzacji w systemów klimatyzacji w budynkach budynkach

Efektywność energetyczna Efektywność energetyczna

systemów klimatyzacji w systemów klimatyzacji w

budynkach budynkach

Automatyka

LITERATURA LITERATURA

1. Kowal J.: Podstawy automatyki. Kraków 2003

2. Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urządzeń ciepłowniczych. Warszawa 1997.

3. Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego. Warszawa 1997.

4. Zawada B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji. Warszawa 2006.

5. Kostyrko K., Łobzowski A.: Klimat pomiary regulacja. Warszawa 2002.

6. Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik. C.F.

Muller. 2002.

7. Horan T.:Control systems and applications for HVAC/R. New Jersey 1997.

8. Underwood C.P.: HVAC control systems. New York, London 1999.

9. Lewermore G.J.: Building Energy Management Systems. New York, London 2000.

Efektywność energetyczna systemów ogrzewania i Efektywność energetyczna systemów ogrzewania i

klimatyzacji budynków a automatyka budynków klimatyzacji budynków a automatyka budynków

1. Z dotychczasowych doświadczeń dotyczących wdrażania i eksploatacji systemów kompleksowej automatyki i zarządzania energią w budynkach wynika, że systemy te umożliwiają obniżenie zużycia energii w budynku (ciepła, chłodu, energii elektrycznej) sięgające 50% (wartości maksymalne uzyskiwane są w budynkach biurowych - IBMS).

2. Zakres możliwej do zastosowania automatyki budynku zależy od jego konstrukcji i przeznaczenia.

3. Przykłady różnych zakresów automatyzacji budynków:

- budynek mieszkalny jedno- i wielorodzinny (c.o. i c.w.u.), - budynek biurowy i użyteczności publicznej (następny slajd), - obiekty przemysłowe.

Systemy automatyki budynkowej w Systemy automatyki budynkowej w nowoczesnym budynku biurowym nowoczesnym budynku biurowym

Kontrola dostępu Kontrola dostępu Bezpieczeństwo

Bezpieczeństwo Ochrona p.poż.Ochrona p.poż.

Urządzenia ziębnicze Urządzenia ziębnicze

Ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja

Ogrzewanie, wentylacja,

klimatyzacja Sterowanie windamiSterowanie windami Telewizja przemysłowa

Telewizja przemysłowa Inne systemyInne systemy

WPROWADZENIE WPROWADZENIE

DO TECHNIKI REGULACJI DO TECHNIKI REGULACJI

I STEROWANIA I STEROWANIA

(Podstawy automatyki)

(Podstawy automatyki)

6

Podstawowe definicje Podstawowe definicje

• Automatyzacja

Zastępowanie człowieka w czynnościach sterowniczych przez odpowiednie urządzenia sterujące.

• Przykłady automatyzacji systemów ogrzewania i klimatyzacji: np.

automatyzacja instalacji c.o., źródła ciepła (kotłowni, węzła ciepłowniczego), centrali klimatyzacyjnej.

• Automatyka

Dziedzina nauki obejmująca teorię i praktykę budowy urządzeń sterujących i regulacyjnych,

np. automatyka budynkowa, przemysłowa.

Podstawowe pojęcia Podstawowe pojęcia

• Układ regulacji jest połączeniem elementów automatyki, które współdziałają ze sobą realizując wyznaczone zadanie.

Schemat blokowy układu regulacji

obiekt regulacji

w e

u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy +_

Element automatyki Element automatyki

• Element automatyki jest to urządzenie posiadające sygnał wejściowy i wyjściowy

element automatyki

x

sygnał wejściowy

y

sygnał wyjściowy

Elementy i sygnały w typowym systemie Elementy i sygnały w typowym systemie automatyki

automatyki -- BAS ( BAS (Building Building Automation System) Automation System)

• Każdy typowy schemat układu regulacji (funkcjonalny) składa się z następujących elementów składowych:

• 1 = REGULATOR

• 2 = ELEMENT POMIAROWY

• 3 = URZĄDZENIE WYKONAWCZE

• 4 = OBIEKT REGULACJI

• z = wielkości zakłócające (zewnętrzne i wewn.)

• y = wielkość regulowana

• w = wartość zadana

• u = wielkość nastawna

Z1 Z2 Z3

2 2

3 3 1

1

w

y u

4 4 T

Obiekt regulacji Obiekt regulacji

Regulator Człon

wykonawczy

Obiekt regulacji zakłócenia Z

w u

y

Człon

pomiarowy

e y

Obiekt regulacji Obiekt regulacji

Obiektem regulacji może być urządzenie, zespół urządzeń lub proces technologiczny, w którym w wyniku zewnętrznych oddziaływań realizuje się pożądany algorytm działania.

Na obiekt regulacji oddziałują:

• zmienne wejściowe nazywane sygnałami nastawiającymi u,

• zmienne szkodliwe nazywane sygnałami zakłócającymi z.

Sygnały wejściowe wpływają na sygnały wyjściowe

nazywane zmiennymi regulowanymi y.

Wartość zadana, zakłócenie Wartość zadana, zakłócenie

• Wartość zadana w wielkości regulowanej jest określona przez wielkość wiodącą w procesie regulacji.

• Zakłócenie z jest sygnałem wywierającym

niekorzystny wpływ na wartość wielkości

regulowanej.

Regulator Regulator

Regulator Człon

wykonawczy

Obiekt regulacji zakłócenia Z

w u

y

Człon

pomiarowy

e y

Regulator Regulator

• Regulator jest to element układu regulacji, którego zadaniem jest wytworzenie sygnału sterującego wpływającego na przebieg wielkości regulowanej. Sygnałem wejściowym regulatora jest uchyb regulacji e, a sygnałem wyjściowym wielkość sterująca (nastawiająca) u.

• Uchyb regulacji e otrzymuje się w regulatorze w wyniku porównania wartości zadanej w oraz wartości wielkości regulowanej y.

e = w – y

Regulator zależnie od uchybu regulacji odpowiednio zmienia sygnał sterujący u tak aby spełnić warunek równości wielkości regulowanej i wartości zadanej w = y

.

Sygnały (wejściowe/wyjściowe) regulatora Sygnały (wejściowe/wyjściowe) regulatora

W regulatorach elektrycznych cyfrowych sygnały wprowadzane i wyprowadzane z regulatora dzielimy na:

- sygnały analogowe AI/AO, - sygnały cyfrowe DI/DO.

W technice grzewczo-wentylacyjnej jako standardowe sygnały analogowe wejściowe i wyjściowe stosuje się:

- napięcie o zakresie 0 do 10 V,

- prąd o zakresie 0 do 20 mA lub 4 do 20 mA.

Sygnały cyfrowe wejściowe i wyjściowe interpretowane są jako informacja lub polecenie załącz/wyłącz (1/0).

REGULATOR

y^m

sygnał wejściowy AI, DI

u

sygnał wyjściowy AO, DO

e = w – y

Urządzenie wykonawcze Urządzenie wykonawcze

• Urządzenie wykonawcze składa się z elementu napędowego oraz elementu wykonawczego (np. zawór z siłownikiem = napędem).

• Element wykonawczy jest to urządzenie wymuszające zmiany wielkości regulowanej. W przypadku układów ogrzewania i klimatyzacji elementem wykonawczym jest najczęściej zawór regulacyjny, przepustnica, pompa, wentylator.

• Element napędowy służy jako napęd elementu wykonawczego (siłownik zaworu, silnik pompy).

• Element pomiarowy (czujnik) jest to część układu regulacji, której zadaniem jest pomiar wielkości regulowanej y oraz wytworzenie sygnału ym dogodnego do wprowadzenia do regulatora.

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z regulator urządzenie

wykonawcze

obiekt regulacji

element pomiarowy +_

Regulacja Regulacja

• Regulacja jest definiowana jako proces, w trakcie którego mierzy się jakąś wielkość fizyczną y, nazywaną wielkością regulowaną, porównuje z wartością wielkości zadanej w i wpływa na jego przebieg w celu minimalizacji różnicy tych wielkości e.

• W procesie regulacji przebieg sygnałów odbywa się w obwodzie zamkniętym, nazywanym układem automatycznej regulacji.

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator

urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy +_

Przykład układu regulacji Przykład układu regulacji

• Schemat układu regulacji temperatury powietrza w ogrzewanym pomieszczeniu

• Zakłócenia zewnętrzne: z1, z2, z3, z4 i wewnętrzne: z5.

w

T y

1 2

u ³

z₁ z₂ z₃

z₅

z₄ 4

zakłócenia Z

u

Schemat: funkcjonalny

Schemat: funkcjonalny -- blokowy układu blokowy układu regulacji

regulacji

2 2 3 1 3

1 4 4

1 = REGULATOR

2 = CZUJNIK TEMPERATURY 3 = SIŁOWNIK Z ZAWOREM

4 = POMIESZCZENIE Z GRZEJNIKIEM

z = wielkości zakłócające y = wielkość regulowana w = wartość zadana u = wielkość nastawna e = odchyłka regulacji

w

y

T

e y

Układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym Układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym

(zamknięty układ sterowania) (zamknięty układ sterowania)

• W literaturze z zakresu automatyki układ regulacji jest definiowany również jako zamknięty układ sterowania lub układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.

• Aby otrzymać zamknięty układ sterowania należy zamknąć pętlę oddziaływań, uzależniając sterowanie od skutków jakie to sterowanie wywołuje.

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy _

Sterowanie Sterowanie

• Sterowanie jest to proces w układzie, w którym jedna wielkość lub ich większa ilość, jako wielkości wejściowe, wpływają na wielkości wyjściowe według prawidłowości właściwej układowi.

• Układ sterowania jest układem otwartym, w którym sygnał wyjściowy nie jest mierzony ani porównywany z sygnałem wejściowym i nie wpływa na akcję sterowania (brak sprzężenia zwrotnego).

• Otwarte układy sterowania stosowane są wówczas, gdy związek pomiędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym jest znany.

z

urządzenie sterujące

człon wykonawczy

obiekt sterowania

w u y

Regulacja i sterowanie. Różnice!

Regulacja i sterowanie. Różnice!

Sterownik Człon

wykonawczy

Obiekt sterowania zakłócenia Z

w u

Regulator Człon

wykonawczy

Obiekt regulacji zakłócenia Z

w u

y

Człon

pomiarowy

e

Przykład regulacji i sterowania Przykład regulacji i sterowania

6 y’→ t_i

w

T

1 2 u

3

4

5 y y_m

Schemat technologiczny

Przykład sterowania Przykład sterowania

Sterowanie czasowe (programowe) przełączaniem równolegle połączonych pomp

M

M w

u₁

u₂

y₁

y₂ Zegar sterujący

P₁

P₂

Rodzaje regulacji

Rodzaje regulacji

Rodzaje regulacji Rodzaje regulacji

• Ręczna

• Automatyczna

Różnice w regulacji ręcznej i automatycznej.

Przykład:

- termostat grzejnikowy – regulacja automatyczna – ręczne nastawianie wielkości regulowanej,

- zawór grzejnikowy – regulacja ręczna.

27

+ 20°C

°C

24 22 20 18 16

Z

Z

Z

1 1 2

2

3 3

4 4

Ręczna regulacja temperatury powietrza w Ręczna regulacja temperatury powietrza w

pomieszczeniu

pomieszczeniu

28

2 2

3 3

T 1 1

w

y u

4 4

Automatyczna regulacja temperatury Automatyczna regulacja temperatury

powietrza w pomieszczeniu powietrza w pomieszczeniu

Z

Z

Z

Rodzaje regulacji automatycznej Rodzaje regulacji automatycznej

AUTOMATYCZNA REGULACJA

STAŁOWARTOŚCIOWA NADĄŻNA

PROGRAMOWA

Rodzaje regulacji Rodzaje regulacji

• Regulacja stałowartościowa polega na utrzymaniu stałej wartości wielkości regulowanej. Wartość zadana pozostaje na stałym poziomie niezależnie od zakłóceń działających na układ (jest zdeterminowana w = const). Działanie układu regulacji automatycznej prowadzi do eliminowania wpływu zakłóceń na wielkość regulowaną.

• Jest to najczęściej stosowany rodzaj regulacji.

+

T

w =t_N=const y_m

u

y

1

2

3 4

5 z₁

z₂

Regulacja programowa Regulacja programowa

• Regulacja programowa utrzymuje zmienną w czasie wartość wielkości regulowanej zgodnie z zadanym programem zmiany wartości zadanej (w = w(t)).

• Typowym przykładem regulacji programowej w systemach

ogrzewania pomieszczeń jest okresowe obniżanie

temperatury powietrza do poziomu temperatury dyżurnej w

godzinach nocnych lub w dni wolne od pracy.

Regulacja programowa Regulacja programowa

t_i °C

czas

0:00 7:00 17:00 24:00

+20

+15

DZIEŃ

normalna praca instalacji

ogrzewania

NOC

praca instalacji ogrzewania z osłabieniem

NOC

praca instalacji ogrzewania z osłabieniem

Regulacja nadążna Regulacja nadążna

• Regulacja nadążna ma za zadanie nadążne korygowanie wartości wielkości regulowanej stosownie do aktualnej wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowany, tzn. trudny do przewidzenia (w = w(?))

• W ogrzewaniach wodnych temperatura czynnika grzejnego zasilającego instalację wewnętrzną tzco (jako wielkość regulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianami temperatury powietrza zewnętrznego tzew (wartością zadaną w)

• Regulacja ta uwzględnia wpływ parametrów klimatu zewnętrznego potocznie jest nazywana regulacją pogodową lub kompensacyjną.

Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne --

automatyzacja

automatyzacja

Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne --

automatyzacja

automatyzacja

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Schemat układu automatycznej regulacji i sterowania

T

M ΔP

T

T

M

ΔP

T H

ΔP M

+ - +

~

K

NT T H

T T

M

AI AO DI DO

~

Z/W-I/II bieg DO+AO+DI) Z/W-I/II bieg (DO+AO+DI) TK/NTC

TK/NTC

7 4 5 6 Tn=f(Tw),

Tw=f(Tz)

A0R

Klasyfikacja układów sterowania Klasyfikacja układów sterowania

Ze względu na pełnione funkcje:

-układy regulacyjne,

-układy zabezpieczające,

-układy optymalizujące.

Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej – –

realizowane funkcje realizowane funkcje

1. Regulacja temperatury powietrza w pomieszczeniu:

W zależności od struktury układu może być stosowana regulacja:

a) pośrednia,

b) bezpośrednia (prosta i sekwencyjna), c) nadążna,

d) regulacja kaskadowa (tn = f(tw)).

Regulacja pośrednia temperatury powietrza w pomieszczeniu (stałowartościowa powietrza

nawiewanego)

Regulacja pośrednia polega na utrzymaniu stałej wartości temperatury powietrza nawiewanego.

W przypadku zmian wartości wewnętrznych i zewnętrznych zakłóceń (strat, zysków ciepła) nie ma możliwości uzyskania stałej temperatury wewnętrznej.

Regulacja może być stosowana przy dopuszczeniu dużych wahań temperatury powietrza wewnętrznego ti.

Wahania temp. wewnętrznej można kompensować poprzez automatykę instalacji wodnego c.o.

+

T

w =t_N=const y_m

u

y

1

2

3 4

5 z₁

z₂

Regulacja

Regulacja bezpośrednia bezpośrednia temperatury powietrza temperatury powietrza wewnętrznego (stałowartościowa)

wewnętrznego (stałowartościowa)

Regulacja bezpośrednia polega na utrzymywaniu temperatury wewnętrznej jako stałej wartości regulowanej.

Wielkością mierzoną może być temperatura powietrza:

-wewnętrznego,

- wywiewanego (z ewentualnym pomiarem temperatury

powietrza nawiewanego w celu ograniczenia zakresu zmian

temperatury powietrza nawiewanego np. 12 do 24 °C).

Regulacja

Regulacja bezpośrednia prosta bezpośrednia prosta z pomiarem temperatury z pomiarem temperatury powietrza

powietrza w pomieszczeniu w pomieszczeniu ti ti

Regulator w zależności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu wysyła sygnał nastawiający do siłownika nagrzewnicy.

Zalety i wady lokalizacji czujnika temperatury powietrza w wentylowanym pomieszczeniu:

zalety: bezpośredni pomiar wielkości regulowanej w miejscu jej regulacji,

wady: problem wyznaczenia miejsca reprezentatywnego, duża liczba czujników (wysoki koszt) do pomiaru średniej temperatury powietrza dużych pomieszczeń, inercyjny charakter pomiaru (niekorzystne własności dynamiczne czujników pomieszczeniowych), wysoki koszt okablowania czujnik - sterownik.

T

y

w =t_i=const u_g

y=t_i

Regulacja bezpośrednia prosta

Regulacja bezpośrednia prosta z pomiarem temperatury z pomiarem temperatury powietrza

powietrza w kanale wywiewnym w kanale wywiewnym tt

Regulacja bezpośrednia z utrzymywaniem jako stałej wartości regulowanej temperatury powietrza wywiewanego (z ewentualnym ograniczeniem zakresu temperatury powietrza nawiewanego tNmax i tNmiń np. od 12 do 24 °C).

Zalety: duża dynamika pomiaru temperatury powietrza czujnikiem kanałowym, niższy koszt okablowania i tylko jednego czujnika.

Wada : Konieczność korygowania wielkości regulowanej (różna od ti).

T

T

R y₁ u₁

t_i t_W

t_N y₂

w =t_W=const

Regulacja bezpośrednia sekwencyjna Regulacja bezpośrednia sekwencyjna

Układ regulacji temperatury powietrza w wentylowanym pomieszczeniu (z pomiarem wielkości regulowanej w pomieszczeniu lub kanale wywiewnym).

Regulator w zależności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu (lub kanale wywiewnym) wysyła sygnał nastawiający do siłownika nagrzewnicy lub do siłownika chłodnicy.

Załączanie tych sygnałów odbywa się sekwencyjnie (dwa urządzenia wykonawcze)

T

y

w =t_i=const u_ch

u_g

y=t_i

Regulacja bezpośrednia sekwencyjna z Regulacja bezpośrednia sekwencyjna z odzyskiem ciepła w postaci recyrkulacji odzyskiem ciepła w postaci recyrkulacji

Sterowanie odzyskiem ciepła Tw>Tzew(chłodu Tw<Tzew).

Trzy urządzenia wykonawcze.

Tw

+ T

Tzew -

Regulacja bezpośrednia sekwencyjna z Regulacja bezpośrednia sekwencyjna z odzyskiem ciepła w postaci recyrkulacji odzyskiem ciepła w postaci recyrkulacji

Regulator w zależności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu wysyła sygnał nastawiający do siłowników przepustnic powietrza (wywiew + recyrkulacja) oraz do siłownika zaworu regulacyjnego nagrzewnicy lub do siłownika zaworu chłodnicy.

Załączanie tych sygnałów odbywa się sekwencyjnie (trzy urządzenia wykonawcze).

Priorytetowy jest odzysk ciepła i chłodu z powietrza wywiewanego poprzez recyrkulację (ze względów higienicznych odzysk musi być niższy od 100%).

Następnie ogrzewanie lub chłodzenie powietrza nawiewanego (nagrzewnica wodna zimą, chłodnica latem).

Oszczędności na energii cieplnej i chłodniczej.

20°C Ti °C

RECYRKULACJA CHŁODU

CHŁODNICA NAGRZEWNICA

RECYRKULACJA CIEPŁA

Regulacja nadążna Regulacja nadążna

Regulacja nadążna ma za zadanie nadążne korygowanie wartości wielkości regulowanej stosownie do aktualnej wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowany, tzn. trudny do przewidzenia (w = w(?))

W okresie letnim (chłodzenie) temperatura wewnętrzna utrzymywana jest na poziomie zależnym od temperatury zewnętrznej i iemperatury okresu grzewczego.

W ogrzewaniach powietrznych temperatura powietrza nawiewanego tN (jako wielkość regulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianami temperatury powietrza wywiewanego tw lub tzew (wartością zadaną w).

Regulacja ta jest nazywana także regulacją kompensacyjną.

2

o wewn zewn

wewn

t

t = t −

t_N=f(t_W)

t_N=f(t^W)

Schemat regulacji temperatury nadążnej Schemat regulacji temperatury nadążnej powietrza w pomieszczeniu wentylowanym powietrza w pomieszczeniu wentylowanym

Temperatura powietrza nawiewanego t_N (jako wielkość regulowana y₁) utrzymywana jest przez regulator na poziomie zadawanym nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego t_W.

T

T

R y₁ u₁

t_i t_W

t_N y₂

w=tN=f(tW)

Przykład zastosowania regulacji nadążnej Przykład zastosowania regulacji nadążnej

Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza wywiewanego stosowany w układach regulacji nadążnej

t_W [°C]

t_N[°C]

30

t_{N max}

t_i 12

12 30

t_{N min} t_N=f(t^W)

20

Regulacja nadążna kaskadowa Regulacja nadążna kaskadowa

Regulacja nadążna kaskadowa stosowana jest do regulacji temperatury w systemach wentylacji i klimatyzacji w celu uzyskania wysokiej jakości regulacji poprzez kompensację własności dynamicznych obiektu regulacji.

W procesie regulacji zakłada się kaskadowe działanie dwu regulatorów, regulatora głównego (wiodącego) oraz regulatora pomocniczego (nadążnego).

Obydwa regulatory w regulatorach cyfrowych mogą być zaprogramowane w jednym urządzeniu.

Schemat układu kaskadowej regulacji temperatury Schemat układu kaskadowej regulacji temperatury

powietrza w pomieszczeniu wentylowanym powietrza w pomieszczeniu wentylowanym

Temperatura powietrza nawiewanego t_N (jako wielkość pomocnicza y₁) utrzymywana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanym przez regulator 2 nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego t_W (główna wielkość regulowana y₂).

T

T

1 y₁

w=t_N=f(t_W) u₁

t_i t_W

t_N

2 y₂ u_{2 =}t_N

Przykład zastosowania regulacji Przykład zastosowania regulacji

kaskadowej kaskadowej

Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza wywiewanego stosowany w układach regulacji kaskadowej, w klimatyzacji komfortu

(Δti=±1K)

t_W [°C]

t_N[°C]

30

t_{N max}

t_i 12

-Δt +Δt

t_{N min}

a b

-1K t_i +1K t_{N max}

t_{N min} t_N

t_W t_N=f(±Δt)

Regulacja kaskadowa Regulacja kaskadowa

Regulacja kaskadowa korzystna jest szczególnie wówczas gdy własności dynamiczne obu obwodów regulacji różnią się znacznie między sobą.

Dzięki małej inercyjności pierwszego obiektu regulacji (nagrzewnica powietrza) mimo dużej bezwładności cieplnej głównego obiektu regulacji (pomieszczenie wraz z instalacją wentylacyjną) stosując regulację kaskadową można znacznie poprawić własności dynamiczne układu regulacji i uzyskać wysoką jakość regulacji.

Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej – –

realizowane funkcje c.d.

realizowane funkcje c.d.

2. Zdalna korekta wartości zadanej temperatury

3. Zdalne załączanie/wyłączanie urządzenia wentylacyjnego

(jednoczesne załączenie wentylatora nawiewnego i wywiewnego)

T

M ΔP

T

T

M

ΔP

T H

ΔP M

+ - +

~

K

NT T H

T T

M

AI AO DI DO

~

Z/W-I/II bieg DO+AO+DI) Z/W-I/II bieg (DO+AO+DI) TK/NTC

TK/NTC

7 4 5 6 Tn=f(Tw),

Tw=f(Tz)

A0R

Zakres automatyzacji

Zakres automatyzacji – – realizowane funkcje realizowane funkcje

5. Przełączanie obrotów silników wentylatorów (I bieg/II bieg).

6. Płynna regulacja wydajności wentylatorów (falownik – przetwornica częstotliwości).

7. Załączanie pompy cyrkulacyjnej przy nagrzewnicy.

8. Zabezpieczenie nagrzewnicy wodnej przed zamrożeniem (termostat przeciwzamrożeniowy).

9. Funkcja „odmrażania”( wentylator stop, przepustnica 0% otwarcia, zawór regulacyjny 100% otwarcia –sygnalizacja awarii).

10. W centralach dachowych dodatkowe grzałki elektryczne przy

nagrzewnicy oraz przewody grzejne z termostatem wzdłuż rurociągów wodnych.

11. Sterowanie przepustnicą powietrza zewnętrznego (siłownik z funkcją bezpieczeństwa).

Zakres automatyzacji

Zakres automatyzacji – – realizowane funkcje realizowane funkcje

12. Zabezpieczenie silnika wentylatora przed zerwaniem klinowych pasków napędowych (presostaty wentylatorów przy spadku sprężu wyłączają silniki – sygnalizacja awarii, dobór nastawy presostatu).

Zakres automatyzacji

Zakres automatyzacji – – realizowane funkcje realizowane funkcje

13. Sygnalizacja zabrudzenia filtra powietrza (presostat filtra).

14. Sygnalizacja pracy/awarii silników wentylatorów.

15. Zabezpieczenie silników wentylatorów od zwarć i przeciążeń (przegrzania): zabezpieczenia elektryczne i czujniki temperatury (termostaty) uzwojenia silnika.

16. Regulacja wilgotności powietrza w pomieszczeniu (na wywiewie z ograniczeniem wilgotności na nawiewie).

17. Sterowanie pracą nawilżacza parowego (załącz/wyłącz wytwornicę, zaworem regulacyjnym na przewodzie parowym, termostat

nawilżacza dla T<Tn).

Zakres automatyzacji

Zakres automatyzacji – – realizowane funkcje realizowane funkcje

18. Sterowanie chłodzeniem:

- załączanie /wył. agregatu chłodnicy freonowej (typu split), - sterowanie zaworem regulacyjnym chłodnicy wodnej,

- załączanie do pracy agregatu ziębniczego i pompy wody lodowej, - termostat powietrza zewnętrznego zezwalający na pracę agregatu ziębniczego,

19. Sterowanie pracą nagrzewnicy wstępnej: stałowartościowa regulacja temperatury powietrza tn=9°C.

Sygnały obsługiwane przez sterownik Sygnały obsługiwane przez sterownik

centrali klimatyzacyjnej centrali klimatyzacyjnej

T

M ΔP

T

T

M

ΔP

T H T H

ΔP M

+ - +

~

K

NT

AI AO DI DO

~

Z/W-I/II bieg DO+AO+DI) Z/W-I/II bieg (DO+AO+DI) TK/NTC

TK/NTC

7 4 7 5 Tn=f(Tw),

Tw=f(Tz)

A0R

Efektywność energetyczna Efektywność energetyczna

systemów klimatyzacji w systemów klimatyzacji w

budynkach

budynkach

Sterowanie odzyskiem ciepła Sterowanie odzyskiem ciepła

A. Recyrkulacja: płynne sterowanie przepustnicami N+C- sygnał AO oraz zał./wył. W sygnał DO.

Warunkiem załączenia odzysku ciepła jest Tw>Tzew, (2xAI)

+ T

Tw T

Tzew ^T AO

DO

Sterowanie odzyskiem ciepła Sterowanie odzyskiem ciepła

B. Wymiennik krzyżowy: płynne sterowanie przepustnicami ( wymiennik plus obejście („by-pass”) – sygnał AO.

Recyrkulacja rozruchowa, sterowanie przepustnicami: zał./wył. –DO

Zabezpieczenie przed oszronieniem, pomiary: tw (AI), Δp (DI).

M

M

M

T

M M M

∆p

AO

+

tw

DO

T Tw

Sterowanie odzyskiem ciepła Sterowanie odzyskiem ciepła

C. Wymiennik obrotowy: płynne sterowanie obrotami silnika - sygnał AO lub napędem 2, 3 - biegowym (sterowanie 2 lub 3xDO).

Odszranianie, pomiary: tw (AI), Δp (DI).

M

Δp

T

AO

T Tw

+

Sterowanie odzyskiem ciepła Sterowanie odzyskiem ciepła

D. Wymiennik z czynnikiem pośrednim (glikolowy): sterowanie zaworem regulacyjnym (sygnał AO) oraz zał/wył pompą cyrkulacyjną (DO)

T Tg≥-2°C

AO

DO M

T

Tw

+

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --zabezpieczenie zabezpieczenie przed szronieniem i

przed szronieniem i odszranianie odszranianie wymienników wymienników

• Niewielkie szronienie obniża jedynie sprawność układu odzysku ciepła i powoduje wzrost oporów przepływu powietrza.

• Silne zaszronienie powoduje niedrożność wymiennika oraz może spowodować jego uszkodzenie mechaniczne.

• W praktyce nie dopuszcza się do silnego zaszronienia powierzchni albo stosuje się cykliczne odszranianie.

• Sterowanie procesem odszraniania może być realizowane przy zastosowaniu sterowania programowego ze ściśle określonym cyklem czasu pracy i czasu odszraniania. Czasy te powinny być ustalone dla najbardziej niekorzystnych warunków pracy układu.

• Dodatkowo w takim przypadku stosuje się termostat lub czujnik temperatury powietrza zewnętrznego uniemożliwiający załączenie cyklu odszraniania powyżej zadanych temperatur powietrza zewnętrznego.

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --zabezpieczenie zabezpieczenie przed szronieniem i

przed szronieniem i odszranianie odszranianie wymienników wymienników

• Zabezpieczenie przed zaszronieniem wymienników może być realizowane poprzez kontrolę oporów (stratę ciśnienia) wymiennika po stronie powietrza wywiewanego oraz pomiar temperatury powietrza wywiewanego za wymiennikiem.

• Np. zarejestrowany przez presostat różnicy ciśnień wzrost oporów wymiennika inicjuje proces odszraniania. Proces odszraniania zostanie zakończony gdy temperatura powietrza za wymiennikiem osiągnie wartość 4 do 5ºC.

• Możliwe jest także stałe utrzymywanie temperatury powietrza za wymiennikiem powyżej 5ºC, powoduje to jednak obniżenie jego sprawności.

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --zabezpieczenie zabezpieczenie przed szronieniem i

przed szronieniem i odszranianie odszranianie wymienników wymienników

• Wymienniki obrotowe - regeneratory:

• - zwykłe wirniki aluminiowe muszą być odszraniane gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od -8 ºC,

• - wirniki z powłoką higroskopijną muszą być odszraniane gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od -18 ºC.

• Odszranianie na zasadzie programowania czasowego może być realizowane poprzez obniżenie obrotów silnika wentylatora nawiewnego (metoda ta może powodować powstanie podciśnienia w wentylowanym obiekcie) lub redukcję obrotów wirnika wymiennika.

• Zabezpieczenie przed zaszronieniem wymienników może być realizowane poprzez kontrolę oporów (stratę ciśnienia) wymiennika po stronie powietrza wywiewanego oraz pomiar temperatury powietrza wywiewanego za wymiennikiem.

• zarejestrowany przez presostat różnicy ciśnień wzrost oporów wymiennika inicjuje proces odszraniania. Proces odszraniania zostanie zakończony gdy temperatura powietrza za wymiennikiem osiągnie wartość 4 do 5ºC.

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --zabezpieczenie zabezpieczenie przed szronieniem i

przed szronieniem i odszranianie odszranianie wymienników: wymienników:

• Wymienniki płytowe - rekuperatory:

• - wymagają odszraniania gdy temperatura powietrza zewnętrznego spada poniżej - 3 ºC,

• - odszranianie realizowane jest poprzez zmianę ilości powietrza świeżego na wymienniku (zmniejszenie) i obejściu wymiennika (zwiększenie).

• Odszranianie może być realizowane jako programowe lub poprzez kontrolę oporów wymiennika oraz temperaturę powietrza za wymiennikiem na wywiewie.

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --zabezpieczenie przed zabezpieczenie przed szronieniem i

szronieniem i odszranianieodszranianie wymienników:wymienników:

• Wymienniki ciepła z czynnikiem pośredniczącym:

• W układach tych nie stosuje się odszraniania lecz zabezpiecza przed szronieniem przez regulację temperatury glikolu tak aby temperatura glikolu przed wymiennikiem na wywiewie nie spadła poniżej -2°C.

• Do regulacji temperatury glikolu wykorzystuje się zawór trójdrogowy przeznaczony głównie do regulacji temperatury powietrza.

Oprogramowanie aplikacyjne centrali Oprogramowanie aplikacyjne centrali

wentylacyjnej

wentylacyjnej

Monitoring centrali klimatyzacyjnej

Monitoring centrali klimatyzacyjnej

ELEMENTY AUTOMATYKI ELEMENTY AUTOMATYKI

Schemat blokowy układu regulacji

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy +_

Konstrukcje zaworów regulacyjnych Konstrukcje zaworów regulacyjnych

przelotowych (jednodrogowych)

przelotowych (jednodrogowych)

Zastosowanie zaworów przelotowych Zastosowanie zaworów przelotowych

c.o.

LC1

LC2

sieć

w.z.

cyrk.

c.w.u.

1 2

4 3

5

6

WCO WCWII

WCWI

Zco Zcw

ZRRC

Δp^RRC

Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b) Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b)

rozdzielający

rozdzielający

Sposoby montażu zaworów trójdrogowych Sposoby montażu zaworów trójdrogowych

a) zawór mieszający,

b) zawór mieszający pełniący

funkcję zaworu rozdzielającego,

c) zawór rozdzielający

Zastosowanie zaworów regulacyjnych Zastosowanie zaworów regulacyjnych

trójdrogowych trójdrogowych

T

y w u_ch

u_g

y=t_i

Napędy Napędy

W technice ogrzewczej i klimatyzacji najczęściej stosowanymi napędami są siłowniki zaworów i przepustnic oraz silniki pomp i wentylatorów.

Siłowniki służą do zmiany stopnia otwarcia zaworów i przepustnic a silniki do utrzymania stałej lub zmiennej prędkości obrotowej pomp i wentylatorów.

Napędy zaworów regulacyjnych Napędy zaworów regulacyjnych

Jako napędy zaworów regulacyjnych stosuje się a) w układach nieelektrycznych siłowniki:

• mechaniczne,

• hydrauliczne,

• pneumatyczne,

b) w układach elektrycznych siłowniki:

• elektryczne,

• elektrohydrauliczne,

• termoelektryczne,

• elektromagnetyczne,

ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW

REGULACYJNYCH

REGULACYJNYCH

ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW

W siłownikach elektrycznych energia elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną, która wykorzystywana jest do napędzania elementu nastawczego.

Trzpień siłownika napędzany jest silnikiem za

pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o dużym

przełożeniu (zmniejszenie prędkości) oraz przekładni

ślimakowej zamieniającej ruch obrotowy w ruch posuwisty.

SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE FIRMY LANDIS

SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE FIRMY LANDIS

SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE FIRMY SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE FIRMY

Landis

Landis & & Gyr Gyr. .

• Typowym przykładem siłownika elektrohydraulicznego jest pokazany na rys. siłownik firmy Landis & Gyr.

• Energia elektryczna w tym siłowniku służy do napędu pompy tłokowej przetłaczającej olej ze zbiornika nad tłokiem siłownika do cylindra pod tłokiem. Ciśnienie oleju pokonując opór sprężyny powoduje przemieszczanie się przymocowanego do cylindra trzpienia siłownika. Otwarcie zaworu elektromagnetycznego na przewodzie upustowym do zbiornika powoduje wyciskanie przez sprężynę powrotną oleju spod powierzchni tłoka i przemieszczanie się trzpienia siłownika w kierunku przeciwnym.

• Siłowniki z funkcją bezpieczeństwa posiadają dodatkowy

zawór elektromagnetyczny, który przy zaniku zasilania

pozostaje w stanie otwartym powodując uwolnienie

sprężyny przetłaczającej olej w celu zamknięcia zaworu.

SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE

• Elektrohydrauliczne elementy napędowe dobrze odpowiadają wymaganiom elementów nastawczych, gdyż umożliwiają łatwe realizowanie dużych sił i powolnego ruchu elementu nastawczego.

• Siłowniki elektrohydrauliczne rozwijają dużą siłę nacisku w porównaniu z siłownikami elektrycznymi z zębatą przekładnią mechaniczną.

• Siłowniki elektrohydrauliczne są wielokrotnie lżejsze od elektrycznych przy tej samej mocy.

• Charakteryzują się także wysokim stopniem

samohamowności.

SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE

SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE

SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE

• Siłowniki termoelektryczne powstały przez modyfikację termostatów przygrzejnikowych.

• W siłownikach tych sprzężony z trzpieniem element zamykający zawór zwiększa swoją objętość przez podgrzewanie przy pomocy grzałki elektrycznej.

• Wzrost temperatury powoduje przemieszczanie się trzpienia siłownika i zamykanie zaworu.

• Wyłączenie zasilania elektrycznego powoduje

ochładzanie siłownika i otwieranie zaworu.

SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE

• Siłownik ma w zasadzie działanie dwustawne. Jednak ze względu na czas potrzebny do podgrzania i ponownego schłodzenia siłownika działanie to przyjmuje charakter quasiciągły.

• Zaletą siłownika jest prostota konstrukcji, niezawodność i niska cena.

• Siłowniki tego typu stosowane są do regulacji przepływu czynnika grzejnego (ziębniczego) w wentylokonwektorach (fancoilach) w układach wentylacji i klimatyzacji.

• Siłowniki cechuje mały skok przy stosunkowo małej sile potrzebnej do przestawiania zaworu.

• Temperatura pracy siłownika wynosi 100 do 200°C. Tak

wysoka temperatura niezbędna jest dla uzyskania dużej

szybkości przestawiania siłownika w obu kierunkach.

SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE

SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE

SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE

• Zasada działania siłownika (cewki elektromagnetycznej) polega na wykorzystaniu siły działającej na materiał ferromagnetyczny w polu magnetycznym.

• Pole magnetyczne wytwarzane w rdzeniu wskutek przepływu prądu przez cewkę elektryczną powoduje powstanie siły działającej na rdzeń. Rdzeń przesuwa się, powodując przestawianie połączonego z nim grzybka zaworu.

• Po wyłączeniu zasilania cewki rdzeń i połączony z nim grzybek przesuwany jest pod wpływem sprężyny w położenie pierwotne.

• W zależności od rodzaju uzwojenia cewki (lewoskrętne lub

prawoskrętne) oraz usytuowania sprężyny zawory mogą być

otwarte lub zamknięte w stanie beznapięciowym.

Elementy wykonawcze Elementy wykonawcze

Przepustnice regulacyjne powietrza Przepustnice regulacyjne powietrza

• Przepustnice regulacyjne lub nastawcze stosuje się w instalacjach powietrznych do zmian ilości lub ciśnienia powietrza w zależności od zadanych wielkości np.

temperatury, prędkości, ciśnienia.

• Są one jednoelementowe lub wieloelementowe, te zaś dzielą się na:

a) przepustnice żaluzjowe z łopatkami współbieżnymi,

b) przepustnice żaluzjowe z łopatkami

przeciwbieżnymi.

jednoelementowe i wieloelementowe

jednoelementowe i wieloelementowe

Moment obrotowy przepustnic Moment obrotowy przepustnic

• Moment obrotowy potrzebny do uruchomienia przepustnic zależy od prędkości powietrza, tarcia łożysk i przepustnic.

• Wg BELIMO - jednego z czołowych producentów siłowników przepustnic moment obrotowy siłownika przepustnicy należy dobierać

M = 5 A [Nm]

• gdzie:

• A - powierzchnia czołowa przepustnicy w m2.

Zastosowanie przepustnic Zastosowanie przepustnic

• Żaluzje do zewnętrznego powietrza i powietrza wywiewanego na początku i końcu instalacji służą do zamykania i mają z tego względu mają działanie dwupozycyjne zamknięty-otwarty.

• Przepustnice dławiące do zmiany ilości powietrza

powinny z reguły posiadać przeciwbieżne łopatki.

Zastosowanie przepustnic Zastosowanie przepustnic

• Przepustnice mieszające są stosowane w urządzeniach klimatyzacyjnych do mieszania powietrza recyrkulacyjnego z powietrzem zewnętrznym (rys.).

• Przepustnice te są najczęściej sprzężone ze sobą i dodatkowo z przepustnicą powietrza wywiewanego (sterowane jednym sygnałem sterującym).

Przepustnica obejściowa dla wymiennika Przepustnica obejściowa dla wymiennika

ciepła ciepła

• Przepustnice obejściowe powinny mieć opór przy otwarciu w przybliżeniu równy oporowi drugiej przepustnicy powiększonej o opór wymiennika ciepła, tak aby ilość powietrza pozostawała w przybliżeniu stała (zwężenie, duża prędkość).

Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych

Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych

Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych

Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych

Charakterystyka siłowników przepustnic Charakterystyka siłowników przepustnic

• Funkcja bezpieczeństwa. Przepustnice, które muszą być zamykane lub otwierane po zatrzymaniu urządzenia wentylacyjnego powinny być wyposażane w siłowniki ze sprężyną powrotną.

• Napięcie zasilania. Napięcie zasilania 24 V lub 230 V powinno być dostosowane do napięcia stosowanego w układzie regulacji.

• Sygnał sterujący. Siłowniki przepustnic mogą być

sterowane sygnałem zamknij/otwórz (dwustawnie),

sygnałem krokowym - pulsacyjnym (trójstawnie),

proporcjonalne - sygnałem analogowym (0÷10V)

lub binarnie np. magistralą LonWorks.

Charakterystyka siłowników Charakterystyka siłowników

przepustnic przepustnic

• Kąt obrotu najczęściej można ustawiać mechanicznie w zakresie od 0 do 95 ° .

• Czas przejścia pomiędzy skrajnymi położeniami siłownika zależy od typu siłownika i może mieścić się w przedziale od 40 do 150 s. Czas zamykania sprężyną powrotną wynosi ok. 20s.

• Temperatura otoczenia podczas pracy siłownika szczególnie dla urządzeń wentylacyjnych zewnętrznych powinna uwzględniać lokalne warunki klimatyczne (najczęściej –30 do 50 ° C).

• Średnica uchwytu siłownika powinna być dopasowana do

średnicy osi napędowej przepustnicy.

Podział i rodzaje czujników w OWK Podział i rodzaje czujników w OWK

Automatyzacja instalacji budynkowych wymaga

zastosowania czujników służących do pomiaru takich wielkości jak:

• temperatura,

• ciśnienie,

• wilgotność,

• prędkość przepływającego medium,

• strumień objętości,

• strumień ciepła,

• entalpia,

• jakość powietrza,

• zawartość CO

,

• poziom cieczy,

• ruch,

• obecność itp.

CZUJNIKI TEMPERATURY CZUJNIKI TEMPERATURY

• Czujniki temperatury posiadają element czuły na temperaturę, który przy zmianie temperatury (wejście) zmienia wartość sygnału wyjściowego.

• W zależności od zastosowanej zasady pomiaru temperatury

czujniki można podzielić na: rezystancyjne, termoelementy,

bimetalowe, manometryczne i cieczowe.

CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE

• W typowych układach z regulatorami cyfrowymi stosowane są czujniki rezystancyjne z elementami zmieniającymi swoją oporność elektryczną przy zmianie temperatury.

• Są to przeważnie oporniki drutowe lub warstwowe z platyny lub niklu, jak również specjalne elementy półprzewodnikowe – termistory.

• Opór elektryczny czujnika rezystancyjnego oznaczonego w literaturze symbolem RTD (ang. Resistance Temperature Device) zależy od temperatury, wzrasta z temperaturą.

• Termometry rezystancyjne robione są najczęściej z platyny i niklu.

• Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do mechanicznej trwałości i kosztu.

Czujniki rezystancyjne platynowe Czujniki rezystancyjne platynowe

• Są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ platyna jest najbardziej trwała i odporna na korozję.

• Termometrem platynowym do dokładnych pomiarów jest termometr Pt1000, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0°C wynosi 100 0Ω (R⁰= 1000 Ω).

Czujniki rezystancyjne platynowe Czujniki rezystancyjne platynowe

Termometr rezystancyjny platynowy:

a) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b) z uzwojeniem nawiniętym na zewnątrz,

c) cienkowarstwowy