Automatyzacja w klimatyzacji i Automatyzacja w klimatyzacji i
ciepłownictwie ciepłownictwie
Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia audytoryjne
Jan Syposz
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 3 –– automatyzacja centrali klimatyzacyjnej automatyzacja centrali klimatyzacyjnej
Schemat układu automatycznej regulacji
T
M ΔP
T
T
M
ΔP
T T
H T H
ΔP M
+ - +
~
K
NT T H
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
Zakres automatyzacji automatyzacji centrali klimatyzacyjnej 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,
c) 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 ym u
y
1
2
3 4
5 z1
z2
Regulacja bezpośrednia temperatury powietrza Regulacja bezpośrednia 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 bezpośrednia prosta
Regulacja bezpośrednia prosta z pomiarem temperatury z pomiarem temperatury powietrza w pomieszczeniu
powietrza 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,
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 ug
y=ti
Regulacja bezpośrednia
Regulacja bezpośrednia prosta prosta z pomiarem temperatury z pomiarem temperatury powietrza
powietrza w kanale wywiewnym w kanale wywiewnym tt
wywiewuwywiewuRegulacja bezpośrednia z utrzymywaniem jako stałej wartości regulowanej temperatury powietrza wywiewanego (z ewentualnym ograniczeniem zakresu temperatury powietrza nawiewanego tNmaxi 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
ti tW
tN y2
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 uch
ug
y=ti
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 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.
Schemat regulacji temperatury nadążnej Schemat regulacji temperatury nadążnej powietrza w pomieszczeniu wentylowanym powietrza w pomieszczeniu wentylowanym
Temperatura powietrza nawiewanego tN (jako wielkość regulowana y1) utrzymywana jest przez regulator na poziomie zadawanym nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego tW.
T
T
R y1 u1
ti tW
tN y2
Przykład zastosowania regulacji nadążnej Przykład zastosowania regulacji nadążnej
Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza wywiewanego stosowany w układach regulacji nadążnej
tW [°C]
tN[°C]
30
tN max
ti 12
12 30
tN min tN=f(tW)
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 tN (jako wielkość pomocnicza y1) utrzymywana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanym przez regulator 2 nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego tW (główna wielkość regulowana y2).
T
T
1 y1
w=ti u1
ti tW
tN
2 y2 u2
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)
tW [°C]
tN[°C]
30 tN max
ti 12
-Δt +Δt
tN min
a b
-1K ti +1K tN max
tN min tN
tW tN=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
Zakres automatyzacji automatyzacji centrali klimatyzacyjnej centrali klimatyzacyjnej – – realizowane
realizowane funkcje c.d. funkcje c.d.
2. Zdalna korekta wartości zadanej temperatury
3. Zdalne załączanie/wyłączanie urządzenia wentylacyjnego
(jednoczesne załączenie wentylatora nawiewnego i wywiewnego) 4. Przełączanie obrotów silników wentylatorów (I bieg/II bieg).
Zakres automatyzacji
Zakres automatyzacji – – realizowane funkcje realizowane funkcje
5. Płynna regulacja wydajności wentylatorów (falownik – przetwornik częstotliwości).
6. Załączanie pompy cyrkulacyjnej przy nagrzewnicy.
7. Zabezpieczenie nagrzewnicy wodnej przed zamrożeniem (termostat przeciwzamrożeniowy, minimum 10% otwarcia zaworu regulacyjnego zimą).
8. Funkcja „odmrażania”( wentylator stop, przepustnica 0% otwarcia, zawór regulacyjny 100% otwarcia –sygnalizacja awarii).
9. W centralach dachowych dodatkowe grzałki elektryczne przy
nagrzewnicy oraz przewody grzejne z termostatem wzdłuż rurociągów wodnych.
10. Sterowanie przepustnicą powietrza zewnętrznego (siłownik z funkcją bezpieczeństwa).
Zakres automatyzacji
Zakres automatyzacji – – realizowane funkcje realizowane funkcje
11. Zabezpieczenie silnika wentylatora przed zerwaniem klinowych pasków napędowych (presostaty wentylatorów przy spadku sprężu wyłączają silniki – sygnalizacja awarii, dobór nastawy presostatu).
12. Sygnalizacja zabrudzenia filtra powietrza (presostat filtra).
13. Sygnalizacja pracy/awarii silników wentylatorów.
14. Zabezpieczenie silników wentylatorów od zwarć i przeciążeń (przegrzania): zabezpieczenia elektryczne i czujniki temperatury uzwojenia silnika.
15. Regulacja wilgotności powietrza w pomieszczeniu (na wywiewie z ograniczeniem wilgotności na nawiewie).
16. Sterowanie pracą nawilżacza parowego (załącz/wyłącz wytwornicę, zaworem regulacyjnym na przewodzie parowym, termostat
nawilżacza dla T<Tn).
Napęd wentylatora ze sprzęgłem paskowym
Napęd wentylatora ze sprzęgłem paskowym
Zakres automatyzacji
Zakres automatyzacji – – realizowane funkcje realizowane funkcje
17. 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,
18. Sterowanie pracą nagrzewnicy wstępnej: stałowartościowa regulacja temperatury powietrza tn=9°C.
Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --
sterowanie odzyskiem ciepła sterowanie odzyskiem ciepła
A. Recyrkulacja: płynne sterowanie przepustnicami W+C- sygnał AO oraz zał/wył .
Warunkiem załączenia odzysku jest Tw>Tzew, (2xAI)
+ T
T
Tw
Tzew
T
Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --
sterowanie odzyskiem ciepła sterowanie odzyskiem ciepła
B. Wymiennik krzyżowy: płynne sterowanie przepustnicami ( wymiennik plus obejście („by-pass”) – sygnał AO.
Recyrkulacja rozruchowa przepustnicami: zał./wył. –DO
Zabezpieczenie przed oszronieniem: tw, ∆p,
M
M
M
T
M M M
∆p
Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --
sterowanie odzyskiem ciepła sterowanie odzyskiem ciepła
C. Wymiennik obrotowy: płynne sterowanie obrotami lub napędem dwu-, (trzy-)biegowym – sygnał AO lub 2(3)xDO.
Odszranianie: AI, DI.
M
Δp T
Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --
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
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:
• - 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 przed szronieniem i
zabezpieczenie przed szronieniem i odszranianie odszranianie wymienników:
wymienników:
• Wymienniki płytowe:
• - 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.
• Wymienniki ciepła z czynnikiem pośredniczącym:
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.