Automatyzacja w klimatyzacji i

Automatyzacja w klimatyzacji i

ciep

łownictwie

ciep

łownictwie

Ćwiczenie audytoryjne nr 4

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Schemat uk

ładu automatycznej regulacji

T

M

ΔP

T

T

M

ΔP

H

T

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 uk

ładów sterowania

Klasyfikacja uk

ładów sterowania

Ze wzgl

ędu na pełnione funkcje:

-uk

łady regulacyjne,

-uk

łady zabezpieczające,

-uk

łady optymalizujące.

Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej

Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej –

–

realizowane funkcje

realizowane funkcje

1.

Regulacja temperatury powietrza w pomieszczeniu:

W zale

żności od struktury układu może być stosowana regulacja:

a) po

średnia,

b) bezpo

średnia (prosta i sekwencyjna),

c) nad

ążna,

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

Regulacja po

średnia temperatury powietrza w

pomieszczeniu (sta

łowartościowa powietrza

nawiewanego)

Regulacja po

średnia polega na utrzymaniu stałej wartości temperatury powietrza

nawiewanego.

W przypadku zmian warto

ści wewnętrznych i zewnętrznych zakłóceń (strat, zysków

ciep

ła) nie ma możliwości uzyskania stałej temperatury wewnętrznej.

Regulacja mo

że być stosowana przy dopuszczeniu dużych wahań temperatury

powietrza wewn

ętrznego ti.

Wahania temp. wewn

ętrznej można kompensować poprzez automatykę instalacji

wodnego c.o..

+

T

w

y

m

u

y

1

2

3

4

5

z

1

z

2

Regulacja bezpo

średnia temperatury powietrza

Regulacja bezpo

średnia temperatury powietrza

wewn

ętrznego (stałowartościowa)

wewn

ętrznego (stałowartościowa)

Regulacja bezpo

średnia polega na utrzymywaniu temperatury

wewn

ętrznej jako stałej wartości regulowanej.

Wielko

ścią mierzoną może być temperatura powietrza:

-wewn

ętrznego,

- wywiewanego

(z

ewentualnym

pomiarem

temperatury

powietrza nawiewanego w celu ograniczenia zakresu zmian
temperatury powietrza nawiewanego (np. 12 do 24 °C).

Regulacja bezpo

średnia prosta z pomiarem temperatury

Regulacja bezpo

średnia prosta z pomiarem temperatury

powietrza w pomieszczeniu

powietrza w pomieszczeniu ti

ti

Regulator w zale

żności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu wysyła

sygna

ł nastawiający do siłownika nagrzewnicy.

Zalety i wady lokalizacji czujnika temperatury powietrza w wentylowanym
pomieszczeniu:

zalety: bezpo

średni pomiar wielkości regulowanej,

wady: problem wyznaczenia miejsca reprezentatywnego, du

ża liczba czujników

(wysoki koszt) do pomiaru

średniej temperatury powietrza dużych pomieszczeń,

inercyjny charakter pomiaru (niekorzystne

w

łasności dynamiczne czujników

pomieszczeniowych), wysoki koszt okablowania czujnik - sterownik.

T

y

w

u

g

y=t

i

Regulacja bezpo

średnia prosta z pomiarem temperatury

Regulacja bezpo

średnia prosta z pomiarem temperatury

powietrza w kanale wywiewnym

powietrza w kanale wywiewnym tt

wywiewu

wywiewu

Regulacja bezpo

średnia z utrzymywaniem jako stałej wartości regulowanej

temperatury powietrza wywiewanego (z ewentualnym ograniczeniem zakresu
temperatury powietrza nawiewanego t

Nmax

i t

Nmi

ń

np. od 12 do 24 °C).

Zalety: du

ża dynamika pomiaru temperatury powietrza czujnikiem kanałowym,

ni

ższy koszt okablowania i tylko jednego czujnika.

Wada : Konieczno

ść korygowania wielkości regulowanej (różna od ti).

T

T

R

y

1

u

1

t

i

t

W

t

N

y

2

w

Regulacja bezpo

średnia sekwencyjna

Regulacja bezpo

średnia sekwencyjna

Uk

ład regulacji temperatury powietrza w wentylowanym pomieszczeniu (z

pomiarem wielko

ści regulowanej w pomieszczeniu lub kanale wywiewnym).

Regulator w zale

żności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu (lub

kanale wywiewnym) wysy

ła sygnał nastawiający do siłownika nagrzewnicy lub do

si

łownika chłodnicy.

Za

łączanie tych sygnałów odbywa się sekwencyjnie (dwa urządzenia wykonawcze)

T

y

w

u

ch

u

g

y=t

i

Regulacja bezpo

średnia sekwencyjna z

Regulacja bezpo

średnia sekwencyjna z

odzyskiem ciep

ła w postaci recyrkulacji

odzyskiem ciep

ła w postaci recyrkulacji

Sterowanie odzyskiem ciep

ła Tw>Tzew(chłodu Tw<Tzew).

Trzy urz

ądzenia wykonawcze.

Tw

+

T

-

Tzew

Regulacja bezpo

średnia sekwencyjna z

Regulacja bezpo

średnia sekwencyjna z

odzyskiem ciep

ła w postaci recyrkulacji

odzyskiem ciep

ła w postaci recyrkulacji

Regulator w zale

żności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu

wysy

ła sygnał nastawiający do siłowników przepustnic powietrza (wywiew +

recyrkulacja) oraz do si

łownika zaworu regulacyjnego nagrzewnicy lub do

si

łownika zaworu chłodnicy.

Za

łączanie tych sygnałów odbywa się sekwencyjnie (trzy urządzenia

wykonawcze).
Priorytetowy jest odzysk ciep

ła i chłodu z powietrza wywiewanego poprzez

recyrkulacj

ę (ze względów higienicznych odzysk musi być niższy od 100%).

Nast

ępnie ogrzewanie lub chłodzenie powietrza nawiewanego (nagrzewnica

wodna zim

ą, chłodnica latem).

Oszcz

ędności na energii cieplnej i chłodniczej.

20°C

Ti °C

RECYRKULACJA CH

ŁODU

CHŁODNICA

NAGRZEWNICA

RECYRKULACJA CIEP

ŁA

Regulacja nad

ążna

Regulacja nad

ążna

Regulacja nad

ążna ma za zadanie nadążne korygowanie wartości wielkości

regulowanej stosownie do aktualnej warto

ści zadanej, która zmienia się w sposób

niezdeterminowany, tzn. trudny do przewidzenia (w = w(?))

W ogrzewaniach powietrznych temperatura powietrza nawiewanego t

N

(jako

wielko

ść regulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianami temperatury

powietrza wywiewanego tw lub tzew (warto

ścią zadaną w)

Regulacja ta jest nazywana tak

że regulacją kompensacyjną.

Schemat regulacji temperatury nad

ążnej

Schemat regulacji temperatury nad

ążnej

powietrza w pomieszczeniu wentylowanym

powietrza w pomieszczeniu wentylowanym

Temperatura powietrza nawiewanego t

N

(jako wielko

ść regulowana y

1

)

utrzymywana jest przez regulator na poziomie zadawanym nad

ążnie za

aktualn

ą wartością temperatury powietrza wywiewanego t

W.

T

T

R

y

1

u

1

t

i

t

W

t

N

y

2

Przyk

ład zastosowania regulacji nadążnej

Przyk

ład zastosowania regulacji nadążnej

Wykres zale

żności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza

wywiewanego stosowany w uk

ładach 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

)

Regulacja nad

ążna kaskadowa

Regulacja nad

ążna kaskadowa

Regulacja nad

ążna kaskadowa stosowana jest do regulacji temperatury

w systemach wentylacji i klimatyzacji w celu uzyskania wysokiej jako

ści

regulacji poprzez kompensacj

ę własności dynamicznych obiektu regulacji.

W procesie regulacji zak

łada się kaskadowe działanie dwu regulatorów,

regulatora

g

łównego

(wiod

ącego)

oraz

regulatora

pomocniczego

(nad

ążnego).

Obydwa regulatory w regulatorach cyfrowych mog

ą być zaprogramowane

w jednym urz

ądzeniu.

Schemat uk

ładu kaskadowej regulacji temperatury

Schemat uk

ładu kaskadowej regulacji temperatury

powietrza w pomieszczeniu wentylowanym

powietrza w pomieszczeniu wentylowanym

Temperatura

powietrza

nawiewanego

t

N

(jako

wielko

ść pomocnicza y

1

)

utrzymywana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanym przez regulator 2
nad

ążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego t

W

(g

łówna

wielko

ść regulowana y

2

).

T

T

1

y

1

w=t

i

u

1

t

i

t

W

t

N

2

y

2

u

2

Przyk

ład zastosowania regulacji

Przyk

ład zastosowania regulacji

kaskadowej

kaskadowej

Wykres zale

żności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza

wywiewanego stosowany w uk

ładach 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 w

łasności

dynamiczne obu obwodów regulacji ró

żnią się znacznie między sobą.

Dzi

ęki małej inercyjności pierwszego obiektu regulacji (nagrzewnica

powietrza) mimo du

żej bezwładności cieplnej głównego obiektu regulacji

(pomieszczenie

wraz

z

instalacj

ą wentylacyjną) stosując regulację

kaskadow

ą można znacznie poprawić własności dynamiczne układu

regulacji i uzyska

ć wysoką jakość regulacji.

Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej

Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej –

–

realizowane funkcje c.d.

realizowane funkcje c.d.

2.

Zdalna korekta warto

ści zadanej temperatury

3.

Zdalne za

łączanie/wyłączanie urządzenia wentylacyjnego

(jednoczesne za

łączenie wentylatora nawiewnego i wywiewnego)

4.

Prze

łączanie obrotów silników wentylatorów (I bieg/II bieg).

Zakres automatyzacji

Zakres automatyzacji –

– realizowane funkcje

realizowane funkcje

5.

P

łynna regulacja wydajności wentylatorów (falownik – przetwornik

cz

ęstotliwości).

6.

Za

łączanie pompy cyrkulacyjnej przy nagrzewnicy.

7.

Zabezpieczenie nagrzewnicy wodnej przed zamro

żeniem (termostat

przeciwzamro

żeniowy, minimum 10% otwarcia zaworu regulacyjnego

zim

ą).

8.

Funkcja „odmra

żania”( wentylator stop, przepustnica 0% otwarcia,

zawór regulacyjny 100% otwarcia –sygnalizacja awarii).

9.

W centralach dachowych dodatkowe grza

łki elektryczne przy

nagrzewnicy oraz przewody grzejne z termostatem wzd

łuż rurociągów

wodnych.

10.

Sterowanie przepustnic

ą powietrza zewnętrznego (siłownik z funkcją

bezpiecze

ństwa).

Zakres automatyzacji

Zakres automatyzacji –

– realizowane funkcje

realizowane funkcje

11. Zabezpieczenie silnika wentylatora przed zerwaniem klinowych

pasków nap

ędowych (presostaty wentylatorów przy spadku sprężu

wy

łączają silniki – sygnalizacja awarii, dobór nastawy presostatu).

12. Sygnalizacja zabrudzenia filtra powietrza (presostat filtra).
13. Sygnalizacja pracy/awarii silników wentylatorów.
14. Zabezpieczenie silników wentylatorów od zwar

ć i przeciążeń

(przegrzania): zabezpieczenia elektryczne i czujniki temperatury
(termostaty) uzwojenia silnika.

15. Regulacja wilgotno

ści powietrza w pomieszczeniu (na wywiewie z

ograniczeniem wilgotno

ści na nawiewie).

16.

Sterowanie prac

ą nawilżacza parowego (załącz/wyłącz wytwornicę,

zaworem regulacyjnym na przewodzie parowym, termostat
nawil

żacza dla T<Tn).

Nap

ęd wentylatora ze sprzęgłem paskowym

Nap

ęd wentylatora ze sprzęgłem paskowym

Zakres automatyzacji

Zakres automatyzacji –

– realizowane funkcje

realizowane funkcje

17.

Sterowanie ch

łodzeniem:

-

za

łączanie /wył. agregatu chłodnicy freonowej (typu split),

-

sterowanie zaworem regulacyjnym ch

łodnicy wodnej,

-

za

łączanie do pracy agregatu ziębniczego i pompy wody lodowej,

-

termostat powietrza zewn

ętrznego zezwalający na pracę agregatu

zi

ębniczego,

18.

Sterowanie prac

ą nagrzewnicy wstępnej: stałowartościowa regulacja

temperatury powietrza tn=9°C.

Sygna

ły obsługiwane przez sterownik

Sygna

ły obsługiwane przez sterownik

centrali klimatyzacyjnej

centrali klimatyzacyjnej

T

M

ΔP

T

T

M

ΔP

T

H

H

T

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

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --

sterowanie odzyskiem ciep

ła

sterowanie odzyskiem ciep

ła

A. Recyrkulacja: p

łynne sterowanie przepustnicami W+C- sygnał AO

oraz za

ł./wył. DO.

Warunkiem za

łączenia odzysku ciepła jest Tw>Tzew, (2xAI)

+

T

T

Tw

Tzew

T

AO

DO

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --

sterowanie odzyskiem ciep

ła

sterowanie odzyskiem ciep

ła

B. Wymiennik krzy

żowy: płynne sterowanie przepustnicami ( wymiennik

plus obej

ście („by-pass”) – sygnał AO.

Recyrkulacja rozruchowa, sterowanie przepustnicami: za

ł./wył. –DO

Zabezpieczenie przed oszronieniem, pomiary: tw (AI),

Δp (DI).

M

M

M

T

M

M

M

∆p

AO

+

tw

DO

T

Tw

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --

sterowanie odzyskiem ciep

ła

sterowanie odzyskiem ciep

ła

C. Wymiennik obrotowy: p

łynne sterowanie obrotami silnika - sygnał AO lub

nap

ędem 2, 3 - biegowym (sterowanie 2 lub 3xDO).

Odszranianie, pomiary: tw (AI),

Δp (DI).

M

Δp

T

AO

T

Tw

+

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --

sterowanie odzyskiem ciep

ła

sterowanie odzyskiem ciep

ła

D. Wymiennik z czynnikiem po

średnim (glikolowy): sterowanie zaworem

regulacyjnym (sygna

ł AO) oraz zał/wył pompą cyrkulacyjną (DO)

T

Tg

≥-2°C

AO

M

DO

T

Tw

+

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --zabezpieczenie

zabezpieczenie

przed szronieniem i

przed szronieniem i odszranianie

odszranianie wymienników

wymienników

•

Niewielkie szronienie obni

ża jedynie sprawność układu odzysku ciepła i

powoduje wzrost oporów przep

ływu powietrza.

•

Silne zaszronienie powoduje niedro

żność wymiennika oraz może

spowodowa

ć jego uszkodzenie mechaniczne.

•

W praktyce nie dopuszcza si

ę do silnego zaszronienia powierzchni

albo stosuje si

ę cykliczne odszranianie.

•

Sterowanie

procesem

odszraniania

mo

że być realizowane przy

zastosowaniu sterowania programowego ze

ściśle określonym cyklem

czasu pracy i czasu odszraniania. Czasy te powinny by

ć ustalone dla

najbardziej niekorzystnych warunków pracy uk

ładu.

•

Dodatkowo w takim przypadku stosuje si

ę termostat

lub czujnik

temperatury powietrza zewn

ętrznego uniemożliwiający załączenie cyklu

odszraniania powy

żej 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

mo

że

by

ć

realizowane poprzez kontrol

ę oporów (stratę ciśnienia) wymiennika po

stronie powietrza wywiewanego oraz pomiar temperatury powietrza
wywiewanego za wymiennikiem.

•

Np. zarejestrowany przez presostat ró

żnicy ciśnień wzrost oporów

wymiennika inicjuje proces odszraniania. Proces odszraniania zostanie
zako

ńczony gdy temperatura powietrza za wymiennikiem osiągnie

warto

ść 4 do 5ºC.

•

Mo

żliwe jest także stałe utrzymywanie temperatury powietrza za

wymiennikiem powy

żej 5ºC, powoduje to jednak obniżenie jego

sprawno

ści.

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --zabezpieczenie

zabezpieczenie

przed szronieniem i

przed szronieniem i odszranianie

odszranianie wymienników

wymienników

•

Wymienniki obrotowe:

•

- zwyk

łe wirniki aluminiowe muszą być odszraniane gdy temperatura

powietrza zewn

ętrznego jest niższa od -8 ºC,

•

-

wirniki

z pow

łoką higroskopijną muszą być odszraniane gdy

temperatura powietrza zewn

ętrznego jest niższa od -18 ºC.

•

Odszranianie na zasadzie programowania czasowego mo

że być

realizowane poprzez obni

żenie obrotów silnika wentylatora nawiewnego

(metoda ta mo

że powodować powstanie podciśnienia w wentylowanym

obiekcie) lub redukcj

ę obrotów wirnika wymiennika.

•

Zabezpieczenie

przed

zaszronieniem

wymienników

mo

że

by

ć

realizowane poprzez kontrol

ę oporów (stratę ciśnienia) wymiennika po

stronie powietrza wywiewanego oraz pomiar temperatury powietrza
wywiewanego za wymiennikiem.

•

zarejestrowany

przez

presostat

ró

żnicy ciśnień wzrost oporów

wymiennika inicjuje proces odszraniania. Proces odszraniania zostanie
zako

ńczony gdy temperatura powietrza za wymiennikiem osiągnie

warto

ść 4 do 5ºC.

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --

zabezpieczenie przed szronieniem i

zabezpieczenie przed szronieniem i odszranianie

odszranianie

wymienników:

wymienników:

•

Wymienniki p

łytowe:

•

- wymagaj

ą odszraniania gdy temperatura powietrza zewnętrznego

spada poni

żej - 3 ºC,

•

- odszranianie realizowane jest poprzez zmian

ę ilości powietrza

świeżego na wymienniku (zmniejszenie) i obejściu wymiennika
(zwi

ększenie).

•

Odszranianie mo

że być realizowane jako programowe lub poprzez

kontrol

ę

oporów

wymiennika

oraz

temperatur

ę

powietrza

za

wymiennikiem na wywiewie.

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej

Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej --zabezpieczenie przed

zabezpieczenie przed

szronieniem i

szronieniem i odszranianie

odszranianie wymienników:

wymienników:

•

Wymienniki ciep

ła z czynnikiem pośredniczącym:

•

W uk

ładach tych nie stosuje się odszraniania lecz zabezpiecza przed

szronieniem przez regulacj

ę temperatury glikolu tak aby temperatura

glikolu przed wymiennikiem na wywiewie nie spad

ła poniżej -2°C.

•

Do regulacji

temperatury glikolu wykorzystuje si

ę zawór trójdrogowy

przeznaczony g

łównie do regulacji temperatury powietrza.

KONIEC

KONIEC

do zobaczenia

J