1.3. Количественное регулирование СКВ
На рис. 1.12 приведена схема регулирования многозональной СКВ изменением расхода приточного воздуха. До подачи в помещение производится предварительная подготовка воздуха. Далее воздух подается в помещение для ассимиляции тепла и влаги. При этом в каждое помещение подается различное количество воздуха, изменяемое системой автоматического регулирования по датчикам, расположенным в помещениях (на схеме не показаны).

В этой системе необходимо управлять входными и выходными заслонками в каждом помещении, независимо от состояния заслонок в других помещениях, причем приточные и вытяжные заслонки должны управляться синхронно. Необходимо управлять также скоростью вентиляторов, трехходовыми клапанами, водяным насосом и т. д., а также обеспечивать защиту водяных калориферов от замораживания, двигателей вентиляторов от перегрева и возгорания. В центральном (общем) канале воздух подогревается или охлаждается до определенной температуры и затем поступает в помещения. В каждом помещении есть датчик температуры. В зависимости от разности между требуемой температурой в помещении (требуемая температура — уставка — задается пользователем) и реальной температурой, измеренной датчиком, устройство управления должно устанавливать в необходимое положение входные и выходные заслонки, изменяя этим расход воздуха, проходящего через каждое помещение.

В случае, если большинство заслонок закроется, давление в общем канале при неизменной производительности вентиляторов возрастет, что приведет к недопустимому увеличению скорости потока воздуха через остальные заслонки и возникновению акустического шума (свиста). Для исключения такой ситуации в общих приточном и вытяжном каналах установлены датчики статического давления. По сигналам от этих датчиков изменяется скорость вращения вентиляторов, благодаря чему давление в канале поддерживается на постоянном уровне и, следовательно, скорость потока воздуха через любое количество открытых в данный момент заслонок остается неизменной.

Производительность водяного калорифераобеспечивается циркуляционным насосом и трехходовым регулирующим клапаном.

Циркуляционный насос обеспечивает постоянную (независимо от положения трехходового клапана) скорость циркуляции теплоносителя через калорифер, а трехходовой клапан регулирует количество теплоносителя, поступающего для этой цели в калорифер, пропуская при необходимости часть теплоносителя по байпасной линии мимо него. Если невозможно получить теплоснабжение от сети центрального отопления, используют электрический калорифер с несколькими ступенями мощности (до четырех).

Расход воздуха в приточно-вытяжных системах обеспечивается изменением производительности приточно-вытяжных вентиляторов. Если при низкой температуре наружного воздуха полной мощности электрического калорифера для поддержания заданной температуры недостаточно, то снижается производительность (скорость вращения) вентиляторов. Следует помнить, что при снижении скорости вращения вентиляторов количество поступившего в помещение воздуха может не соответствовать требованиям санитарных норм. Однако это позволяет обеспечить работу центрального кондиционера до темпе ратуры наружного воздуха минус 20-25 °С. Аналогичная ситуация возникает в летний период в случае работы на охлаждение при высокой (выше расчетной) температуре наружного воздуха.

В в центральном канале устанавливается датчик потока воздуха и датчик перегрева калорифера. При отсутствии
потока воздуха электрокалорифер выйдет из строя через 10-15 с, поэтому для его защиты устанавливается датчик потока. Помимо этого, в калориферах, как правило, устанавливают два термостата:

• термостат защиты от перегрева с самовозвратом (температура срабатывания 50 °С);
• термостат защиты от возгорания с ручным возвратом (температура срабатывания 150 °С).

Первый термостат срабатывает обратимо, то есть после того, как температура воздуха за электрокалорифером снизится до 40 °С, калорифер включится снова. Однако если такое выключение случится 4 раза в течение 1 часа, то произойдет аварийное отключение системы. При срабатывании второго термостата система отключится,включить ее повторно можно будет только вручную после устранения неисправности. Контроль запыленности фильтра оценивается падением давления на нем, которое измеряется дифференциальным
датчиком давления. Датчик измеряет разность давлений воздуха до и после фильтра.

Допустимое падение давления на фильтре указывается в его паспорте (обычно 150-300 Па). Это значение устанавливают при наладке системы на дифференциальном датчике давления (уставка датчика). Когда падение давления достигает значения уставки, от датчика поступает сигнал о предельной запыленности фильтра и необходимости его обслуживания или замены. Если в течение 24 часов после выдачи сигнала предельной запыленности фильтр не будет очищен или заменен, произойдет аварийная остановка системы.

Аналогичные датчики устанавливаются на вентиляторах. Если выйдет из строя вентилятор или ремень привода вентилятора, то система будет остановлена в аварийном режиме.

1.4. Регулирование СКВ по оптимальному режиму
Термодинамическая модель подготовки приточного воздуха, основанная на регулировании влагосодержания по температуре точки росы, обуславливает большой перерасход холода и тепла. Однако широта ее использования связана с отсутствием быстродействующих точных регуляторов влажности.

В последнее время применяют метод регулирования СКВ по оптимальному режиму, позволяющему избежать повторного подогрева воздуха. Термодинамическая модель по оптимальному режиму меняется непрерывно, обеспечивая наименьший расход холода и тепла.

В таких моделях учитывается взаимное влияние двух контуров регулирования: температуры и влажности. Связанные системы регулирования с двумя стабилизирующими контурами описываются довольно сложными математическими зависимостями, а их аппаратурная реализация имеет высокую стоимость. Поэтому регулирование по оптимальному режиму применяется в технологическом или прецизионном кондиционировании воздуха.

Из описанных выше схем регулирования центральных кондиционеров вытекает, что для нормального функционирования установки центрального кондиционирования воздуха должна реализовываться определенная технология, обеспечивающая поддержание требуемого микроклимата в помещении. Для этого разрабатываются алгоритмы работы центральных кондиционеров по показаниям датчиков температуры, влажности, давления, величин токов, напряжения на элементах управления и т. д. Реализация алгоритмов осуществляется исполнительными и защитными элементами (электродвигатели, клапаны, заслонки и др.).

Таким образом, система автоматического управления установкой центрального кондиционирования должна выполнять следующие функции:

• управляющие (включение, выключение, задержки);
• защитные (отключение при авариях, предупреждение повреждений установки);
• регулирующие (поддержание комфортных условий при минимальных эксплутационных расходах).

1.5. Управляющие функции систем автоматизации СКВ
Управляющие функции обеспечивают выполнение заложенных алгоритмов нормального функционирования системы. К ним относятся функции:

• последовательность пуска;
• последовательность останова;
• резервирующие и дополняющие.

1.5.1. Последовательность пуска
Для обеспечения нормального пуска кондиционера необходимо соблюдать следующую последовательность:

1. Предварительное открытие воздушных заслонок
Предварительное открытие воздушных заслонок до пуска вентиляторов выполняется в связи с тем, что не все заслонки в закрытом состоянии могут выдержать перепад давлений, создаваемый вентилятором, а время полного открытия заслонки электроприводом доходит до 2 мин. Входное напряжение управления электроприводом может быть 0-10 В (пропорциональное позиционное управление при плавном регулировании) или ~24 В (~220 В) — двухпозиционное управление (открыто/закрыто).

2. Разнесение моментов запуска электродвигателей
Асинхронные электродвигатели имеют большие пусковые токи. Так, компрессоры холодильных машин имеют пусковые токи, в 7-8 раз превышающие рабочие (до 100 А). Если одновременно запустить вентиляторы, холодильные машины и другие приводы, то из-за большой нагрузки на электрическую сеть здания сильно упадет напряжение, и электродвигатели могут не запуститься. Поэтому запуск электродвигателей необходимо разносить по времени.

3. Предварительный прогрев калорифера
Если включить кондиционер, не прогрев водяной калорифер, то при низкой температуре наружного воздуха может сработать защита от замораживания. Поэтому при включении кондиционера необходимо открыть заслонки приточного воздуха, открыть трехходовой клапан водяного калорифера и прогреть калорифер. Как правило, эта функция включается при температуре наружного воздуха ниже 12 °С.

В системах с вращающимся рекуператором сначала включается вытяжной вентилятор, затем начинает вращаться колесо рекуператора, а после его прогрева вытяжным воздухом включается приточный вентилятор.

Таким образом, последовательность включения должна быть следующей:
вытяжная заслонка — вытяжной вентилятор — приточная заслонка — рекуператор — трехходовой клапан — приточный вентилятор. Время запуска в летний период составляет 30-40 с, в зимний — до 2 мин.

1.5.2. Последовательность останова
1. Задержка остановки вентилятора приточного воздуха
В установках с электрокалорифером необходимо после снятия напряжения с электрокалорифера охлаждать его неко- торое время, не выключая вентилятор приточного воздуха. В противном случае нагревательный элемент калорифера (тепловой электрический нагреватель — ТЭНов) может выйти из строя.

2. Задержка выключения холодильной машины
При выключении холодильной машины хладагент сосредоточится в самом холодном месте холодильного контура, т. е. в испарителе. При последующем пуске возможен гидроудар. Поэтому перед выключением компрессора сначала закрывается клапан, устанавливаемый перед испарителем, а затем при достижении давления всасывания 2,0-2,5 бар компрессор выключается. Вместе с задержкой выключения компрессора производится задержка выключения приточного вентилятора.

3. Задержка закрытия воздушных заслонок
Воздушные заслонки закрываются полностью только после остановки вентиляторов. Так как вентиляторы останавливаются с задержкой, то и воздушные заслонки закрываются с задержкой.

1.5.3. Резервирующие и дополняющие функции
Дополняющие функции закладываются при работе в схеме нескольких одинаковых функциональных модулей
(электрокалориферов, испарителей, холодильных машин), когда в зависимости от затребованной производительности включаются один или несколько элементов.

Для повышения надежности устанавливаются резервные вентиляторы, электронагреватели, холодильные машины. При этом периодически (например, через 100 ч) основной и резервный элементы меняются функциями.

1.6. Защитные функции систем автоматизации СКВ
К защитным функциям относятся:

• защита водяного калорифера от замораживания;
• защита при выходе из строя вентиляторов или привода вентилятора;
• защита при повышении перепада давления на фильтрах (засорение фильтров);
• защита холодильной машины при отклонении от допустимых значений питающего напряжения, давлений, температур, токов;
• защита электрокалорифера от перегрева и сгорания.

1.6.1. Требования, предъявляемые к системам автоматизации СКВ
1.6.1. Общие требования
Требования к системам автоматизации условно можно разделить на три группы:

• общие требования для всех систем автоматизации;
• требования, учитывающие специфику СКВ;
• требования к системам автоматизации, определяемые конкретной СКВ.

Общие требования для всех систем автоматизации, независимо от объекта управления, определяются рядом общегосударственных, нормативных документов. Главным из них являются: ДСТУ БА 2.4.-3-95 (ГОСТ 21.4.08-93), СНиП 3.05.07.85 «Системы автоматизации», «Правила устройства электроустановок (ПУЭ)» и ДНАОП 0.00-1.32-01. В ДСТУ БА 2.4.-3-95 (ГОСТ 21.4.0893) изложены нормы и правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов. Сборник норм и правил СНиП 3.05.07- 85 определяет порядок и правила выполнения всех работ, связанных с производством, монтажом и наладкой систем автоматизации технологических процессов и инженерного оборудования.

В ПУЭ даны определения и общие указания по устройству электроустановок, выбору проводников и электрических аппаратов по способу их защиты. В ДНАОП 0.00-1.32-01 приведены правила устройств электрооборудования специальных установок, в т. ч. в разделах 2 и 3 — электрооборудования жилых, общественных, административных, спортивных и культурно-зрелищных зданий и сооружений, т. е. объектов, где установка СКВ обязательна. К отдельным положениям этих документов мы будем обращаться в разделах, посвященных технической документации, монтажу и наладке систем автоматики.

1.6.2. Требования, учитывающие специфику СКВ
Эти требования в общем виде представлены в разделе 9. СНиП 2.04.05- 91*У «Отопление, вентиляция и кондиционирование» и регламентируют объем обязательных функций систем автоматизации: измерения, регулирования, сигнализации, автоматических блокировок и защиты технологического оборудования и т. п.

Автоматическое регулирование параметров обязательно для воздушного отопления, приточной и вытяжной вентиляции, работающей с переменным расходом, переменной смесью наружного и рециркуляционного воздуха и тепловой мощности калориферов 50 кВти более, а также кондиционирования, холодоснабжения и местного доувлажнения воздуха в помещениях.

Основные контролируемые параметры СКВ:

• температура воздуха и теплоносителя (холодоносителя) на входе и на выходе устройств;
• температура наружного воздуха и в контрольных точках помещения;
• давление тепло- и холодоносителя до и после устройств, где давление изменяет свое значение;
• расход теплоты, потребляемой системы отопления и вентиляции;
• давление (разность давлений) воздуха в СКВ с фильтрами и теплоутилизаторами по требованию технических условий на оборудование или по условию эксплуатации.

Необходимость дистанционного контроля и регистрации основных параметров определяется технологическими требованиями.

Датчики следует размещать в характерных точках в обслуживаемой (рабочей) зоне помещения, в местах, где они не подвергаются влиянию нагретых или охлажденных поверхностей или струй приточного воздуха. Допускается установка датчиков в воздуховодах, если параметры в них не отличаются от параметров воздуха в помещении или отличаются на постоянную величину. Если отсутствуют специальные технологические требования к точности, то точность поддержания в точках установки датчиков должна быть ±1 °С по температуре и ±7 % по относительной влажности. В случае применения местных кондиционеров-доводчиков с индивидуальными регуляторами прямого действия точность поддержания температуры ±2 °С.

Автоматическое блокирование предусматривается в:

• системах с переменным расходом наружного и приточного воздуха дляобеспечения минимально допустимой подачи воздуха;
• теплообменниках первого подогрева и рекуператорах для предотвращения их замораживания;
• контурах воздухообмена, циркуляции теплоносителя и хладагента для защиты теплообменников, ТЭН, компрессоров и др.;
• системах противопожарной защиты и отключения оборудования в аварийных ситуациях.

Причиной возможного замерзания воды в трубах является ламинарное движение воды при отрицательной температуре наружного воздуха и переохлаждении воды в аппарате. При диаметре трубки теплообменника dтр = 2,2 см и скорости воды меньшей 0,1 м/с скорость воды у стенки практически равна нулю. Вследствие малого термического сопротивления трубки температура воды у стенки приближается к температуре наружного воздуха. Особенно подвержена замерзанию вода в первом ряду трубок со стороны потока наружного воздуха.

Выделим три основных фактора, способствующих замерзанию воды:

• ошибки, допущенные при проектировании и связанные с завышенной поверхностью нагрева, обвязкой по теплоносителю и способом управления;
• превышение температуры горячей воды и, как следствие, резкое снижение скорости движения воды, из-за чего создается опасность замерзания воды в теплообменнике;
• перетекание холодного воздуха из-за негерметичности клапана наружного воздуха и при полном закрытии плунжера водяного клапана.

Обычно защита от замерзания теплообменников выполняется на базе двухпозиционных регуляторов с датчиками температуры перед аппаратом и в обратном трубопроводе воды. Опасность замораживания прогнозируют по температуре воздуха перед аппаратом (tн < 3 °С) и одновременным понижении температуры обратной воды, например, twmin < 15 °С. При достижении указанных значений полностью открывают клапаны и останавливают приточный вентилятор. В нерабочее время клапан остается приоткрытым (5-25 %) при закрытой заслонке наружного воздуха. Приведенные выше регламентированные функции автоматики СКВ не исчерпывают всех особенностей процесса и оборудования воздухообработки.

Практика наладки и эксплуатации таких систем показала необходимость выполнения еще целого ряда требований. Здесь следует, прежде всего, остановиться на обязательном прогреве воздухонагревателя первого прогрева перед пуском двигателя приточного вентилятора и соблюдении последовательности включения и останова рабочего оборудования системы. На рис. 1.13 показан типовой график включения и выключения аппаратов и устройств приточновытяжной системы. Первым полностью открывается клапан калорифера, после его прогрева в течение 120 с подается команда на открытие воздушных заслонок, еще через 40 с включается вытяжной вентилятор и только при полностью открытых заслонках — приточный вентилятор. Кроме того, должен быть предусмотрен индивидуальный пуск оборудования, которое необходимо включать при наладке и профилактических работах.

1.6.3. Требования, определяемые конкретными объектами
Эти требования формулируются на основе алгоритмов функционирования и управления СКВ. При этом выбор алгоритма управления определяется двумя основными качествами: точностью и экономичностью управления. Первое качество определяет выбор оптимального закона управления, второe — оптимальной программы управления. Другие показатели, такие как надежность,стоимость и т. д. накладываются как ограничения на выбранный критерий оптимальности первых двух факторов. И если определение оптимального закона управления производится специалистом по автоматизации, то определение оптимальной программы управления должно вестись совместно специалистами по кондиционированию и вентиляции и специалистами по автоматизации. При таком подходе учитываются как требования к системе автоматизации, так и к автоматизируемому объекту. На практике более распространено раздельное проектирование с выдачей технического задания или исходных данных на автоматизацию.

В этих документах обычно оговаривается:

• диапазон изменения возмущающих воздействий;
• заданные параметры состояния воздуха и требования к точности их поддержания;
• требования к поддержанию параметров воздуха в обслуживаемых помещениях в нерабочее время;
• функциональная схема объекта с техническими характеристиками выбранных аппаратов и устройств тепловлажностной обработки воздуха;
• данные о расчетных максимальных и минимальных тепловлажностных нагрузках объекта, режимах тепловлагообработки воздуха и условия перехода от одного режима к другому;
• графики или диапазоны изменения нагрузок на протяжении суток, рабочей недели, месяца и т.п.

Эти данные необходимы для реализации программного управления СКВ в указанные периоды с целью экономии электроэнергии, затрат тепла и холода. На основании описанных требований и исходных данных производится выбор технических средств автоматики и разрабатывается техническая документация на систему автоматизации.

 

 

По материалам книги Г.В. Нимича, В.А. Михайлова, А.С. Гордиенко, Е.С. Бондаря «Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха»