Elementy i układy automatyki stosowane w nowoczesnych

Gdańsk 15.II.2009
AUTOMATYKA CHŁODNICZA
Temat 11: Elementy i układy automatyki stosowane w nowoczesnych centralach
wentylacyjnych i klimatyzacyjnych wyposaŜonych w bloki odzysku ciepła:
budowa + działanie + przykłady rozwiązań + ocena uŜytkowa.
Dawid Szuliński, Łukasz Tryc
SUChiKl sem. IX
Wydział Mechaniczny
Spis treści
1. Wstęp
a) Zadanie wentylacji i klimatyzacji
b) Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne
c) Cechy układu wentylacji i klimatyzacji
d) Regulacja
e) Sterowanie
f) Wielkości regulowane
g) Pomieszczenie klimatyzowane
h) Funkcje układów automatyki central
2. Elementy układów automatyki central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych
3. Przykładowy układ automatyki centrali
4. Wnioski
Bibliografia
1. Wstęp
a) Zadaniem współczesnych układów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych jest usuwanie z
pomieszczeń powietrza zanieczyszczonego oraz dostarczanie w jego miejsce powietrza
świeŜego, czystego, o określonej temperaturze. W tych układach następuje przygotowanie
powietrza, zgodnie z wymaganiami organizmu ludzkiego lub procesu technologicznego.
b) W praktycznych rozwiązaniach technicznych powietrze przeznaczone do rozprowadzania
po obiekcie przygotowywane jest w urządzeniach zwanymi centralami klimatyzacyjnymi.
Centrale takie, złoŜone są najczęściej ze zblokowanych elementów modułowych,
zawierają niezbędne urządzenia do przetłaczania, czyszczenia, ogrzewania, chłodzenia,
nawilŜania i osuszania powietrza. Ponadto znajduje się w nich, komora mieszania
powietrza zewnętrznego z powietrzem obiegowym oraz układ słuŜący do odzysku ciepła,
czyli do podgrzewania powietrza nawiewanego kosztem powietrza usuwanego z obiektu.
Dzisiejsze centrale klimatyzacyjne w większości przypadków zamawiane i produkowane
są w blokiem odzysku ciepła, ze względu na wymogi dotyczące odzysku ciepła.
Mianowicie, przepisy wymuszają odzysk ciepła przy przepływie powietrza powyŜej 2000
m3/h. Jako urządzenia stosowane do odzysku ciepła stosuje się wymienniki obrotowe,
krzyŜowe, rurkę ciepła, pompy ciepła, układ z czynnikiem pośredniczącym oraz
recyrkulację.
c) Cechy prawidłowo działającego układu klimatyzacji:
•
•
•
•
musi ona być ciągła, czyli pracować takŜe podczas nieobecności ludzi,
powinna obsługiwać kaŜde pomieszczenie i zapewniać stałą wymianę
powietrza we wszystkich przewidzianych strefach,
automatyczne dostosowanie się zarówno do dynamicznie zmieniających się
warunków wewnątrz pomieszczeń jak i zmiennych warunków zewnętrznych
(pogodowych),
powinien być wyposaŜony w zespoły pozwalające na samoregulację działania
poszczególnych elementów instalacji.
Dla spełnienia tych właśnie cech istnieją elementy i układy automatycznej regulacji .
d) Ogromne znaczenie w tych elementach i układach odgrywa regulacja. Regulacja jest to
proces, w wyniku, którego wielkości fizyczne, np. temperatura czy ciśnienie powietrza
utrzymywane są na stałym poziome lub przybierają określone, z góry załoŜone wartości,
mimo wpływu czynników zakłócających. Układ moŜe podlegać przy tym oscylacjom,
podczas których wartość regulowana nie zachowuje stałej wartości, lecz wartość jej waha
się wokół określonej wartości średniej. W wentylacji i klimatyzacji moŜna wskazać
następujące wielkości zakłócające:
•
•
wpływ pogody(temperatura zewnętrzna, promieniowanie słoneczne, wiatr),
wahania temperatury i ciśnienia wewnątrz ( zakłócenia temperatury pomieszczeń
przez ludzi i maszyny, otwieranie okien i drzwi).
e) Sterowanie natomiast, jest to proces, w którym jedna wielkość „przestawia” drugą, np.
termostat temperatury powietrza zewnętrznego sterujący połoŜeniem zaworu
mieszającego wody. Urządzenie sterujące realizuje w tym przypadku następujące funkcje:
•
•
•
•
pomiar np. temperatury za pomocą czujnika w wybranym miejscu,
porównanie wartości rzeczywistej z wartością zadaną,
wzmacnianie i ewentualne przetwarzanie sygnałów w regulatorze,
przestawienie elementu nastawczego, np.: grzybka zaworu.
f) Wielkość regulowana jest to wielkość którą jak sama nazwa wskazuje zamierza się
regulować lub która ma być sterowana przez inny parametr. W wentylacji i klimatyzacji
regulacją objęte są zazwyczaj następujące wielkości fizyczne: temperatura, wilgotność
oraz w miarę potrzeb takŜe ciśnienie oraz natęŜenie przepływu powietrza.
g) Pomieszczenie klimatyzowane moŜe być rozpatrywane jako obiekt regulacji temperatury,
obiekt regulacji wilgotności powietrza lub jako obiekt regulacji ciśnienia. W pierwszym
przypadku jako wielkość sterującą przyjmuje się temperaturę powietrza nawiewanego.
Prawidłowym miejscem pomiaru tej temperatury jest kanał wywiewny lub wnętrze
pomieszczenia klimatyzowanego. W drugim przypadku uprzywilejowanym miejscem jest
równieŜ przewód wywiewny. Wielkością sterującą będzie stan powietrza nawiewanego.
W tym przypadku jest większa liczba rozwiązań poniewaŜ moŜna regulować wilgotność
w pomieszczeniu na dwa sposoby: poprzez wilgotność względna lub wilgotność
bezwzględna.
h) Układy automatyki central klimatyzacyjnych i wentylacyjnych
podstawowe funkcje:
•
•
spełniają dwie
sterującą,
zabezpieczającą.
Zabezpieczenia (przykłady):
•
•
•
•
•
nagrzewnicy wodnej przed zamarznięciem,
nagrzewnicy elektrycznej przed przegrzaniem,
wymiennika krzyŜowego i obrotowego odzysku ciepła przed zeszronieniem,
sygnalizowanie stanu awarii,
utrzymanie minimalnej temperatury w pomieszczeniu podczas pracy w okresie
czuwania.
Sterowanie:
Regulator programowalny steruje pracą centrali zgodnie z zaprogramowanymi
wytycznymi. W zaleŜności od ustawień zegara, następuje włączenie centrali do pracy i
utrzymanie określonych parametrów lub przejście zespołu w stan czuwania. Z regulatora
sygnał przekazywany jest do:
•
•
•
wymienników ciepła (np.: nagrzewnicy elektrycznej),
sterowania siłownikami przepustnic,
sterowania nawilŜaniem i wymiennikami odzysku ciepła.
W urządzeniach klimatyzacyjnych zastosowanie znajdują pneumatyczne i elektryczne układy
regulacji.
2. Elementy układów automatyki central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych
a) Czujniki temperatury
SłuŜą do pomiaru temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego lub
zewnętrznego. Posiadają element czuły na temperaturę,
temperatur , który przy zmianie temperatury
(wejścia)
cia) zmienia swoje wyjście.
wyjś
RozróŜnić moŜna
na czujniki kanałowe i pokojowe. Te
pierwsze słuŜą do pomiaru temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego lub
zewnętrznego (wewnątrz
trz samej centrali oraz bezpośrednio
bezpo rednio w kanałach wentylacyjnych. Mogą
Mog
dostarczać sygnał aktywny 0…10V (przetworniki), lub sygnał pasywny oporowy (czujniki
rezystancyjne).
•
Kanałowe czujniki temperatury
-tolerancja +/- 0.12%
-zakres temp. -50 do 500 stC
-maksymalny prąd – 1mA
- Sygnał 0-10V
•
Pokojowe czujniki i przetworniki temperatury
Czujniki pokojowe mierzą temperaturę bezpośrednio
rednio w pomieszczeniu. Wytwarzać
Wytwarza
mogą sygnał aktywny bądź
ą ź pasywny. WyposaŜone
Wyposa
mogą być w wbudowany nastawnik
temperatury formujący
cy sygnał 0…10V. NaleŜy
Nale pamiętać o montowaniu czujnika w
prawidłowym miejscu (w miejscu reprezentatywnym, z dala od okien, drzwi, w miejscach
nienasłonecznionych).
- sygnał od 0-10V
- dokładność pomiaru - +/- 0.2 stC
Najprostszym połączeniem czujnika i regulatora jest termostat.
Przykładowe rozmieszczenie czujnika.
b) Czujniki wilgotności
W tego typu czujnikach elementem czułym jest kondensator z dielektrykiem wykonanym
z polimeru o właściwościach higroskopijnych. Sygnał z czujnika zmienia się proporcjonalnie
do zmian wilgotności względnej powietrza. Czujnikiem temperatury jest rezystor, w którym
wartość rezystancji zmienia się proporcjonalnie do zmian mierzonej temperatury.
sygnał 0-10V
- dokładność +/-4% dla przedziału od
10-90%
- dokładność +/-6% dla przedziału od
0-10%
c) Czujniki ciśnienia
W czujnikach ciśnienia sygnał
pomiarowy jest ujmowany
pojemnościowo przez połoŜenie
membrany bądź przepony wewnątrz
czujnika. MoŜe on pełnić kilka funkcji.
Dokonuje pomiaru róŜnicy ciśnień przed i
za filtrem (spadek ciśnienia) dostarczając
w ten sposób informacji o stopniu
zanieczyszczenia filtra. MoŜe dostarczać teŜ informacji o
prawidłowości działania wentylatora napędzanego paskiem
klinowym (w razie zerwania paska sygnał o awarii), lub wentylatora napędzanego
bezpośrednio, gdy w centrali występuje takŜe nagrzewnica elektryczna.
d) Termostat przeciwzamroŜeniowy po stronie powietrza
Termostat przeciwzamroŜeniowy po stronie
powietrza Zabezpiecza nagrzewnicę wodną
przed zamarznięciem czynnika grzewczego w
nagrzewnicy. Czujnik mierzy temperaturę
powietrza wypływającego z nagrzewnicy,
następnie dokonywane jest porównanie z
minimalną dopuszczalną temperaturą
(zalecane 4 ÷ 5°C). W momencie spadku
temperatury poniŜej dopuszczalnej wartości
regulator centrali podejmuje zamknięcie przepustnic powietrza, wy łączenie
wentylatorów i całkowite otwarcie zaworu nagrzewnicy.
Czujka temperatury to kapilara wypełniona czynnikiem niskowrzącym , którego ciśnienie
zmienia się wraz z temperaturą. Ciśnienie przetwarzane jest następnie w układzie podobnym
do stosowanego w presostacie róŜnicowym. Termostat wyposaŜony jest w śruby regulacyjne
umoŜliwiające nastawę dopuszczalnej minimalnej temperatury pracy oraz temperaturę
ponownego załączenia układu.
e) Termostat zabezpieczający przed przegrzaniem
Termostat zabezpieczający przed przegrzaniem
Zabezpieczenie nagrzewnicy elektrycznej przed
nadmiernym wzrostem temperatury. W momencie
przekroczenia temperatury dopuszczalnej następuje
wyłączenie nagrzewnicy i zezwolenie na włączenie
następuje dopiero po odpowiednim obniŜeniu
temperatury.
Działanie termostatu oparte jest na właściwościach
elementu bimetalowego. Włączony jest on w obwód
sterowania nagrzewnicy elektrycznej.
f) Czujniki tlenku węgla
Czujniki tlenku węgla. Zadaniem
czujnika tlenku węgla jest kontrola
zawartości tlenku węgla (czadu) w
powietrzu
w
pomieszczeniach
zamkniętych. Zmiana stęŜenia CO
powyŜej
wartości dopuszczalnej
uaktywnia
wyjścia
sterujące
wymuszające zmianę prędkości
obrotowej wentylatora. Detektory
wykorzystują
czujniki
elektrochemiczne
i
układy
mikroprocesorowe.
g) Czujniki zanieczyszczenia powietrza
Czujnik zanieczyszczenia powietrza
włącza lub wyłącza wentylator, kiedy
jakość powietrza spadnie poniŜej
nastawionego poziomu. Czujnik reaguje
na: wyziewy, nieprzyjemne zapachy, dym z
papierosów, zawilgocenie, itp. W
urządzeniu moŜna ustawić zwłokę
czasową, po której wentylator zostanie
wyłączony.
h) Napędy nastawcze
W elementach nastawczych stosuje się zwykle silniki elektryczne o stałej liczbie
obrotów. W zaleŜności od impulsu elektrycznego silnik obraca się w lewo lub w prawo,
przestawiając człon nastawczy (zawór lub klapę) za pośrednictwem przekładni zębatej lub
przełoŜenia dźwigniowego. Stosowane są równieŜ pneumatyczne siłowniki nastawcze. Mogą
być napędzane membraną lub korpusem spręŜystym. Ruch wywoływany ciśnieniem
sterującym jest przenoszony poprzez przełoŜenie dźwigniowe bezpośrednio na przepustnicę
lub zawór. Siła napędowa jest zwykle większa niŜ przy siłownikach elektrycznych.
i) Zawory nastawcze
Zawory nastawcze są takimi elementami, które pod wpływem sygnału z
regulatora zmieniają strumień energii wody lub pary czy innego medium dostarczanego do
centrali klimatyzacyjnej. MoŜna wyróŜnić zawory przelotowe jak i trójdrogowe. Te drugie
mają trzy przyłącza i umoŜliwiają przepływ czynnika w dwóch kierunkach. Mogą być
stosowane zarówno do rozdzielania jak i mieszania strumieni cieczy.
j) Falowniki
Przemiennik częstotliwości (falownik). Zadaniem przemiennika częstotliwości jest
płynna regulacja ydajności powietrza centrali wentylacyjnej poprzez proporcjonalną
zmianę prędkości obrotowej zespołu silnik-wentylator. Zastosowanie falownika pozwala
na utrzymywanie stałych parametrów pracy centrali przy zmiennych oporach przepływu
powietrza przez instalację. Układ elektroniczny pozwalający na zmianę częstotliwości
napięcia silnika oraz utrzymanie optymalnej zaleŜności napięcie/częstotliwość.
k) Pomieszczeniowy interfejs uŜytkownika
Realizuje pomiar temperatury powietrza
pomieszczeniu. Dodatkowo umoŜliwia zadawać i
odczytywać parametry pracy centrali wentylacyjnej lub
klimatyzacyjnej takie jak:
- parametry powietrza,
- zmiana wydajności (stopniowa)
- START / STOP,
- stany awarii.
l) Zewnętrzny interfejs uŜytkownika
Realizuje pomiar temperatury powietrza w pomieszczeniu.
Dodatkowo umoŜliwia zadawać i odczytywać parametry pracy
centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej takie jak:
- parametry powietrza,
- zmiana wydajności
- stopień recyrkulacji, (plynna)
a pracy, - ustawienia kalendarz
- START / STOP,
- stany awarii.
m) Sterowniki programowalne
SłuŜą do obsługi (wysyłania sygnałów) do poszczególnych urządzeń centrali
klimatyzacyjnej wg narzuconego programu/schematu. Są w pełni programowalne.
n) Szafki sterownicze
3. Przykładowy układ automatyki centrali
Schemat układu z nagrzewnicą i chłodnicą wodną:
Działanie:
Rozdzielnica elektryczna RC steruje pracą centrali. Po włączeniu centrali do pracy,
siłownik XD/1-01 otwiera przepustnicę wlotową powietrza, a czujniki temperatury w
zaleŜności od temperatury pomieszczenia ustawiają odpowiedni stopień otwarcia siłownika
zaworu nagrzewnicy XV/1-01 lub chłodnicy XV/1-02. Kanałowy czujnik temperatury TT/101 kontroluje minimalną temperaturę nawiewanego powietrza, natomiast pomieszczeni owy
czujnik temperatury TT/1-02 reguluje temperaturę klimatyzowanego pomieszczenia. Gdy
temperatura za nagrzewnicą spadnie poniŜej 5oC termostat przeciwzamroŜeniowy TS/1-01
wyłączy pracę centrali, zamknie przepustnicę i otworzy dopływ wody grzewczej do
nagrzewnicy. Gdy centrala nie pracuje, a temperatura za nagrzewnicą spadnie, otworzy się
tylko zawór nagrzewnicy. Presostat DPS/1-01 informuje o nadmiernym zanieczyszczeniu
filtra. Presostat DPS/1-02, przy spadku spręŜu na wentylatorze, wyłączy pracę instalacji.
4. Wnioski
Automatyzacja urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych jest niezbędna nie tylko
dla stworzenia najlepszych warunków sanitarno-higienicznych w pomieszczeniach, ale
równieŜ przyczynia się do racjonalizacji wykorzystania energii.
Stosowanie automatyzacji urządzeń klimatyzacyjnych i wentylacyjnych pozwala na:
•
uzyskanie wysokiego komfortu przebywania w pomieszczeniach, w których nawet bez
Ŝadnych ingerencji człowieka zawsze będą utrzymywane zadane parametry powietrza,
•
•
znaczne oszczędności ekonomiczne związane z eksploatacją urządzeń (zuŜycie energii
zmniejszone o 10-15%),
kontrolę pracy i zabezpieczenie elementów urządzeń przed uszkodzeniami.
Bibliografia
•
•
•
•
Paweł Tymiński – „Elementy automatyki nowoczesnych central wentylacyjnych i
klimatyzacyjnych”, TChiKl 8/2006 str. 304-308
G.W. Archipow: „Automatyczna regulacja urządzeń wentylacyjnych i
klimatyzacyjnych”, WNT Warszawa 1963
WyŜykowska Katarzyna – „Elementy automatyki stosowane w nowoczesnych
centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych”.
www.wentylacja.com.pl