Требования к системе кондиционированияСогласно техническому заданию, сформулированному заказчиком, к системе кондиционирования предъявляются следующие требования:
1) энергоэффективность: суммарная электрическая мощность климатического оборудования не должна превышать определенного значения;
2) установка узлов и агрегатов системы на крыше зданий — монтаж приборов на фасадах исключен;
3) поэтапный ввод в эксплуатацию по мере выполнения чистовой отделки жилых помещений;
4) построение единой системы диспетчеризации климатического оборудования для всего комплекса зданий;
5) дифференцированный учет электропотребления в рамках центральной системы.
Энергоэффективность
Наилучшим показателем энергоэффективности среди центральных решений на сегодняшний день обладают мультизональные системы прямого расширения — так называемые, VRF-системы. Их принципиальным отличием от систем «чиллер-фэнкойлы» является отсутствие промежуточного контура теплоносителя, а, значит, и потерь на промежуточных теплообменниках. Только VRF-системы позволяют вписаться в существующее на объекте ограничение по установочной мощности климатического оборудования.
Установка агрегатов на крыше зданийСовременные VRF-системы, использующие хладагент R410A, характеризуются значительной протяженностью фреонопроводов (300-400 м) и позволяют разместить наружные агрегаты вне зоны видимости на кровле зданий. При этом важный вопрос, который решали проектировщики — выбор производительности наружных блоков. Если установить приборы повышенной мощности, например с холодопроизводительностью до 140 кВт, то стоимость 1 кВт окажется меньше. Кроме того, удастся получить ощутимый выигрыш в стоимости расходных материалов и продолжительности монтажных работ. Но, объединив большое количество квартир общим гидравлическим контуром, ухудшится «непотопляемость» системы кондиционирования жилого комплекса. В случае аварии в магистрали хладагента в одной из квартир придется временно отключить кондиционеры у многих соседей. Поэтому для уменьшения неудобств при авариях или при профилактических отключениях выбраны наружные блоки оптимальной мощности из расчета 1 блок на 1 этаж, то есть 4 квартиры. При этом предполагается, что в каждой из квартир в зависимости от площади будет от 3 до 5 внутренних блоков.
Поэтапный ввод в эксплуатациюЗадача организации поэтапного ввода в эксплуатацию системы, а именно постепенного подключения внутренних блоков, на данном объекте является чрезвычайно важной. Выполнение чистовой отделки помещений и заселение квартир, скорее всего, растянется на несколько лет, поэтому очень важно обеспечить уже первых жильцов работоспособной системой кондиционирования. Это требование стало второй причиной невозможности применения чиллера на объекте, поскольку для его функционирования необходимо набрать, как минимум, 50 % смонтированных фэнкойлов. В мультизональных системах вопрос минимальной установочной мощности не стоит столь остро. Именно поэтому разработчики мультизональных систем Сити Мульти не заложили в алгоритмы управления принудительную блокировку работы системы при несоответствии минимальной установочной мощности внутренних блоков, в то время как максимальное ограничение установочной мощности является строгим и не может быть превышено. Нижнее ограничение установочной мощности обусловлено минимальным расходом хладагента (его скоростью) на магистральных участкахдля обеспечения нормального возврата масла и сбора хладагента из системы фреонопроводов в специально предусмотренных технологических режимах. Решение о возможности эксплуатации системы в случае установки менее 50 % мощности внутренних приборов принималось исходя из следующих соображений. Во-первых, оптимальный выбор производительности наружных блоков гарантирует суммарную производительность внутренних блоков в первое время не менее 20 %, если быстрее всего закончена отделка квартиры минимальной площади на этаже. Во-вторых, если на каком-то этаже предполагается продолжительная эксплуатация системы в таком состоянии, то будут временно установлены электрически управляемые шунтирующие элементы-блоки электронных расширительных вентилей — в других квартирах, не готовых еще для подключения внутренних блоков к общему контуру. Эти блоки будут задействованы только в технологических режимах сбора хладагента и масла.
Сказанное выше относится именно к установочной мощности внутренних блоков — то есть блоки должны быть подключены в гидравлический контур, но включать их при этом совершенно необязательно. Пользователям не следует беспокоиться о том, будет ли нормально работать система, если включить только один внутренний блок минимальной производительности. Наружные блоки Сити Мульти имеют широкий диапазон почти плавного регулирования производительности — от 5 до 107 % относительно номинального значения. Это достигается инверторным регулированием частоты вращения приводного электродвигателя компрессора от 20 до 105 оборотов в секунду, а также секционной конструкцией теплообменника наружного блока.
Каким же образом будет происходить поэтапный ввод системы в эксплуатацию? К моменту сдачи дома подрядная организация смонтировала наружные блоки и магистрали хладагента, доведя их до входа в квартиры.
Концы жидкостной и газовой труб перекрыты с помощью шаровых запорных вентилей. Кроме того, в каждой квартире установлена распаечная коробка, в которую подведена единая сигнальная линия от наружного блока. Далее в процессе отделки помещений производится монтаж внутренних блоков и подключение магистралей хладагента к запорным вентилям. Со стороны внутренних блоков относительно запорных вентилей в газовую и жидкостную магистрали впаиваются клапаны Шредера. Сигнальная линия доводится до распаечной коробки и пока не подключается. Собственно пусконаладочные работы по подключению новой квартиры к системе сводятся к следующему:
1) вакуумирование (удаление воздуха и осушение) и опрессовка (проверка герметичности и прочности) фреонопроводов в квартире через клапаны Шредера;
2) заправка дополнительного количества хладагента, исходя из длин и диаметров фреонопроводов в данной квартире;
3) далее потребуется на несколько минут выключить питание наружного блока для подключения сигнальной линии внутренних блоков в распаечной коробке;
4) после этого включается питание наружного блока и открываются запорные вентили в квартире.
Два первых этапа могут продлиться 1-2 дня, но при этом функционирование существующей части системы не нарушается. Как видно, процесс очень прост и не причинит беспокойства существующим пользователям. Скорее всего, они вообще не заметят кратковременное отключение питания системы. Очень важно, что мультизональным системам прямого расширения Сити Мульти не требуется регулировка и настройка в процессе поэтапного ввода. Алгоритмы управления на основе принципов нечеткой логики (fuzzy logic), заложенные в наружный и внутренний приборы, позволяют системе автоматически подстроиться под новую конфигурацию. В отличие от VRF- систем, при подключении дополнительных фэнкойлов к чиллеру потребовалась бы многократная балансировка контура теплоносителя, известная значительной трудоемкостью.
Система диспетчеризацииСледующей важной задачей стало построение системы диспетчеризации климатического оборудования. Поскольку в техническом задании отсутствовало требование интеграции кондиционеров в единую систему управления жилым комплексом, то в проекте был предусмотрен программно-аппаратный комплекс производства «Мицубиси Электрик». Он состоит из следующих компонентов.
1) Универсальный центральный контроллер GB-50A из расчета один прибор на каждые 50 внутренних блоков. Его универсальность заключается в том, что он предназначен для выполнения всех основных задач диспетчеризации: центральное управление и контроль, дифференцированный учет электропотребления, ограничение пиковой мощности системы, подключение к сетям BACnet и многие другие. Для заказчика эта особенность прибора привлекательна тем, что если в процессе эксплуатации понадобится расширение возможностей системы диспетчеризации, то для этого не потребуется ни аппаратная, ни программная модернизация прибора. Каждый контроллер GB-50A уже имеет все возможные программные модули и они активируются при необходимости реализации той или иной функции с помощью специального кода. Полный список встроенных программных моделей приведен в табл. 1. Для связи с компьютером и масштабирования системы управления контроллер оснащен интерфейсом Ethernet. Обмен данными между компонентами системы осуществляется в формате XML.
2) Программное обеспечение TG-2000A визуализирует контроль и управление. Программа позволяет располагать пиктограммы внутренних блоков на поэтажных планах, хранить информацию о электропотреблении, настраивать универсальные контроллеры GB-50A для выполнения специальных функций, например для ограничения пиковой мощности, организации дежурного обогрева или настройки параметров режима энергосбережения. Работа программы основана на взаимодействии с системой управления базами данных (СУБД) MS SQL. Вся информация о настройках программы, о состоянии кондиционеров, а также данные о электропотреблении хранятся в базе данных. Это позволяет обеспечить высокую скорость доступа к информации и надежность ее хранения. TG-2000A позволяет подключить до 40 универсальных контроллеров GB-50A, то есть обеспечивает взаимодействие с 2000 внутренних блоков. Причем это могут быть не только внутренние блоки мультизональной системы Сити Мульти, но и современные кондиционеры бытовой и полупромышленной серий, а также приточно-вытяжные установки «Мицубиси Электрик».
Процесс проектирования системы управления начали с определения необходимого количества контроллеров GB-50A. Для этого, принимая во внимание максимально возможное количество внутренних блоков, фиксированное для любой квартиры, сформировали объединения наружных блоков с суммарным количеством внутренних не более 50. К каждому такому объединению подключается GB-50A. В результате расчета получилось, что в зависимости от этажности на каждое здание жилого комплекса потребуется 3-4 универсальных контроллера. Все контроллеры, а также компьютер диспетчера связываются локальной сетью Ethernet. Для взаимодействия контроллеров GB-50A с программой диспетчеризации TG-2000A следует активировать в них, как минимум, программный модуль «web-управление».
Раздельный учет электропотребленияРаздельный учет электропотребления в рамках центральной системы является очень важной задачей. При этом учет электропотребления внутренних блоков не вызывает сложностей — их цепь запитана через вводной автоматический выключатель квартиры и соответствующие затраты фиксируются поквартирным счетчиком. Сложнее разделить мощность наружного агрегата общего для нескольких квартир. Можно предложить следующие простые варианты решения этой задачи:
1) разделить затраченную энергию пропорционально площади квартир;
2) поквартирно учитывать продолжительность работы внутренних блоков.
К сожалению, простые решения не обеспечивают справедливого деления затрат и, скорее всего, не найдут понимания у пользователей. Как же реализовать справедливый учет? Единственный параметр, который можно взять за основу расчета — это расход хладагента через внутренние блоки. Для этого в универсальном контроллере предусмотрен программный модуль «учет электропотребления». После его активации контроллер GB-50A начинает передавать в программу диспетчеризации данные о загрузке наружного агрегата тем или иным внутренним блоком. Этот параметр вычисляется контроллером исходя из степени открытия расширительного клапана внутреннего блока. На этом задачу деления расходов на эксплуатацию наружного агрегата можно считать решенной, если службу эксплуатации устраивает ручной ввод данных о электроэнергии, потребленной наружным блоком за расчетный период.
Если же требуется полностью автоматизированный учет вплоть до печати квитанций на оплату, то следует усложнить систему. Необходимо дополнительно организовать канал сбора данных со счетчиков электроэнергии и подключить его к компьютеру диспетчера. «Мицубиси Электрик» предлагает законченный вариант на базе свободно программируемого контроллера (PLC) MELSEC серии «Q», который по силам реализовать любой климатической компании. Спецификация контроллера приведена в табл. 2.
К входным модулям PLC может быть подключено до 32 счетчиков, имеющих релейный телеметрический выход. Количество счетчиков соответствует числу контроллеров GB-50A и включаются они в цепь питания наружных блоков, объединенных данным контроллером. Согласно спецификации входного модуля QX40 используется дополнительный источник питания напряжением 24 В постоянного тока. Специально разработанное программное обеспечение контроллера PAC-YG11CDA oсуществляет подсчет импульсов от счетчиков и передачу данных в программу диспетчеризации TG-2000A через модуль Ethernet QJ71E71-100.
Нужно отметить важную особенность представленной схемы учета: компьютер диспетчера используется только для визуализации управления, выполнения финальных расчетов и хранения информации об электропотреблении за прошлые месяцы. Оперативная информация о коэффициентах загрузки наружного блока и данные со счетчиков обрабатываются и буферизиру-ются по каналам, не зависящим от стабильности операционной системы Windows. 61 день соответствующие данные будут автономно собираться контроллерами (GB-50A и PLC) системы учета электропотребления в случае неисправности компьютера диспетчера.
К сожалению, схему «Мицубиси Электрик» в полном варианте на данном объекте применить не удалось по причине невозможности установки счетчиков с релейным телеметрическим выходом. Вместо них использовали счетчики «Меркурий 230АМ» с импульсным выходом «открытый коллектор», рассчитанным на номинальное напряжение 12 В постоянного тока. Теоретически существовала возможность замены входного модуля PLC на аналог, работающий с такими выходными цепями — QX70. Но этой возможностью не удалось воспользоваться, поскольку для подтверждения работоспособности требовалась полномасштабная проверка системы на заводе изготовителе. Решено было применить комбинированное решение: канал информации о загрузке наружного агрегата внутренними блоками организовать на базе контроллеров GB-50A, а сбор показаний счетчиков осуществлять предусмотренными для них сетевыми решениями.
Получилась следующая система дифференцированного учета электропотребления. Контроллеры GB-50A передают в программу TG-2000A данные о расходе хладагента внутренними блоками каждой квартиры. Программа поквартирно вычисляет коэффициенты использования наружного агрегата. Сумма коэффициентов для всех квартир в пределах зоны охвата одного контроллера GB-50A (или всех контроллеров) равна 1, то есть 100 %. Программа сохраняет таблицу «номер квартиры — коэффициент использования наружного блока» в текстовом файле csv-формата (данные, разделенные запятыми). Импульсный выход каждого счетчика подключается к преобразователю CAN-интерфейса для объединения счетчиков в сеть и передачи данных в диспетчерскую, расположенную в одном из зданий жилого комплекса. Компьютер диспетчера оснащен CAN-преобразователем, а также специализированным программным обеспечением, которое поддерживает обмен данными со счетчиками и сохраняет данные в текстовом формате. В результате, в конце отчетного периода на компьютере диспетчера появляются два текстовых файла: один — с коэффициентами загрузки наружного блока, второй — с показаниями счетчиков. Специально для этого проекта была написана небольшая программа, которая объединяет данные из двух файлов и производит форматированный вывод информации — печать квитанций на оплату.
Применив комбинированное решение, одно из достоинств первоначальной схемы было утеряно. Канал сбора данных со счетчиков оказался не буферизированным. Действительно, исключив PLC, в этой цепи не осталось устройств с памятью, а подсчет импульсов ведет программа под операционной системой Windows. А этой системе не принято доверять задачи реального времени. Конечно, это не является непреодолимым препятствием, и если компьютер «зависнет» и пропустит несколько импульсов от счетчиков, то, обнаружив расхождение показаний счетчиков и программы, диспетчеру потребуется всего лишь восстановить соответствие вручную.
