w=y - więcej

Efektywność energetyczna
systemów klimatyzacji w
budynkach
Automatyka
LITERATURA
1.
Kowal J.: Podstawy automatyki. Kraków 2003
2.
Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urządzeń ciepłowniczych. Warszawa 1997.
3.
Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego. Warszawa
1997.
4.
Zawada B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji. Warszawa 2006.
5.
Kostyrko K., Łobzowski A.: Klimat pomiary regulacja. Warszawa 2002.
6.
Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik. C.F.
Muller. 2002.
7.
Horan T.:Control systems and applications for HVAC/R. New Jersey 1997.
8.
Underwood C.P.: HVAC control systems. New York, London 1999.
9.
Lewermore G.J.: Building Energy Management Systems. New York, London 2000.
Efektywność energetyczna systemów ogrzewania i
klimatyzacji budynków a automatyka budynków
1. Z dotychczasowych doświadczeń dotyczących wdrażania i eksploatacji
systemów kompleksowej automatyki i zarządzania energią w budynkach
wynika, że systemy te umożliwiają obniżenie zużycia energii w budynku
(ciepła, chłodu, energii elektrycznej) sięgające 50% (wartości maksymalne
uzyskiwane są w budynkach biurowych - IBMS).
2. Zakres możliwej do zastosowania automatyki budynku zależy od jego
konstrukcji i przeznaczenia.
3. Przykłady różnych zakresów automatyzacji budynków:
- budynek mieszkalny jedno- i wielorodzinny (c.o. i c.w.u.),
- budynek biurowy i użyteczności publicznej (następny slajd),
- obiekty przemysłowe.
Systemy automatyki budynkowej w
nowoczesnym budynku biurowym
Kontrola dostępu
Urządzenia ziębnicze
Telewizja przemysłowa
Inne systemy
Bezpieczeństwo
Ogrzewanie, wentylacja,
klimatyzacja
Sterowanie windami
Ochrona p.poż.
WPROWADZENIE
DO TECHNIKI REGULACJI
I STEROWANIA
(Podstawy automatyki)
Podstawowe definicje
•
•
•
Automatyzacja
Zastępowanie człowieka w czynnościach sterowniczych przez
odpowiednie urządzenia sterujące.
Przykłady automatyzacji systemów ogrzewania i klimatyzacji: np.
automatyzacja instalacji c.o., źródła ciepła (kotłowni, węzła
ciepłowniczego), centrali klimatyzacyjnej.
Automatyka
Dziedzina nauki obejmująca teorię i praktykę budowy urządzeń
sterujących i regulacyjnych,
np. automatyka budynkowa, przemysłowa.
6
Podstawowe pojęcia
• Układ regulacji jest połączeniem elementów automatyki,
które współdziałają ze sobą realizując wyznaczone zadanie.
Schemat blokowy układu regulacji
z
w
+_
e
regulator
u
y
obiekt regulacji
urządzenie
wykonawcze
obiekt
regulacji
ym
element
pomiarowy
y
Element automatyki
• Element automatyki jest to urządzenie
posiadające sygnał wejściowy i wyjściowy
x
sygnał
wejściowy
element automatyki
y
sygnał
wyjściowy
Elementy i sygnały w typowym systemie
automatyki - BAS (Building
(Building Automation System)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Każdy typowy schemat układu regulacji (funkcjonalny) składa się z
następujących elementów składowych:
1 = REGULATOR
2 = ELEMENT POMIAROWY
3 = URZĄDZENIE WYKONAWCZE
4 = OBIEKT REGULACJI
Z1
Z2
Z3
z = wielkości zakłócające
2 T
(zewnętrzne i wewn.)
1
y
u
y = wielkość regulowana
w = wartość zadana
3
w
u = wielkość nastawna
4
Obiekt regulacji
zakłócenia Z
u
e
w
Regulator
Człon
wykonawczy
y
Człon
pomiarowy
Obiekt
regulacji
y
Obiekt regulacji
Obiektem regulacji może być urządzenie, zespół urządzeń
lub proces technologiczny, w którym w wyniku
zewnętrznych oddziaływań realizuje się pożądany
algorytm działania.
Na obiekt regulacji oddziałują:
• zmienne
wejściowe
nazywane
sygnałami
nastawiającymi u,
• zmienne szkodliwe nazywane sygnałami zakłócającymi
z.
Sygnały wejściowe
wpływają na sygnały wyjściowe
nazywane zmiennymi regulowanymi y.
Wartość zadana, zakłócenie
• Wartość zadana w wielkości regulowanej jest
określona przez wielkość wiodącą w procesie
regulacji.
• Zakłócenie z jest sygnałem wywierającym
niekorzystny
wpływ
na
wartość
wielkości
regulowanej.
Regulator
zakłócenia Z
e
w
u
Regulator
Człon
wykonawczy
ym
Człon
pomiarowy
Obiekt
regulacji
y
Regulator
• Regulator jest to element układu regulacji, którego
zadaniem
jest
wytworzenie
sygnału
sterującego
wpływającego na przebieg wielkości regulowanej. Sygnałem
wejściowym regulatora jest uchyb regulacji e, a sygnałem
wyjściowym wielkość sterująca (nastawiająca) u.
• Uchyb regulacji e otrzymuje się w regulatorze w wyniku
porównania wartości zadanej w oraz wartości wielkości
regulowanej y.
e=w–y
Regulator zależnie od uchybu regulacji odpowiednio
zmienia sygnał sterujący u tak aby spełnić warunek
równości wielkości regulowanej i wartości zadanej w = y
.
Sygnały (wejściowe/wyjściowe) regulatora
e=w–y
ym
sygnał wejściowy
AI, DI
W
REGULATOR
u
sygnał wyjściowy
AO, DO
regulatorach elektrycznych cyfrowych sygnały wprowadzane i
wyprowadzane z regulatora dzielimy na:
sygnały analogowe AI/AO,
sygnały cyfrowe DI/DO.
W technice grzewczo-wentylacyjnej jako standardowe sygnały analogowe
wejściowe i wyjściowe stosuje się:
napięcie o zakresie 0 do 10 V,
prąd o zakresie 0 do 20 mA lub 4 do 20 mA.
Sygnały cyfrowe wejściowe i wyjściowe interpretowane są jako informacja
lub polecenie załącz/wyłącz (1/0).
Urządzenie wykonawcze
•
•
•
•
Urządzenie wykonawcze składa się z elementu napędowego oraz
elementu wykonawczego (np. zawór z siłownikiem = napędem).
Element wykonawczy jest to urządzenie wymuszające zmiany
wielkości regulowanej. W przypadku układów ogrzewania i klimatyzacji
elementem wykonawczym jest najczęściej zawór regulacyjny,
przepustnica, pompa, wentylator.
Element napędowy służy jako napęd elementu wykonawczego
(siłownik zaworu, silnik pompy).
Element pomiarowy (czujnik) jest to część układu regulacji, której
zadaniem jest pomiar wielkości regulowanej y oraz wytworzenie sygnału
ym dogodnego do wprowadzenia do regulatora.
w +_
e
regulator
ym
u
obiekt
regulacji
urządzenie
wykonawcze
element
pomiarowy
z
obiekt
regulacji
y
y
Regulacja
•
•
Regulacja jest definiowana jako proces, w trakcie którego mierzy się
jakąś wielkość fizyczną y, nazywaną wielkością regulowaną,
porównuje z wartością wielkości zadanej w i wpływa na jego przebieg
w celu minimalizacji różnicy tych wielkości e.
W procesie regulacji przebieg sygnałów odbywa się w obwodzie
zamkniętym, nazywanym układem automatycznej regulacji.
z
w +_
e
u
regulator
urządzenie
obiekt
regulacji
wykonawcze
obiekt
regulacji
ym
element
pomiarowy
y
y
Przykład układu regulacji
• Schemat układu
regulacji temperatury powietrza w
ogrzewanym pomieszczeniu
• Zakłócenia zewnętrzne: z1, z2, z3, z4 i wewnętrzne: z5.
z1
z2
z3
z5
2
T
y
w
3
u
1
z4
4
Schemat: funkcjonalny - blokowy układu
regulacji
zakłócenia
Z
u
e
w
ym
1
y
3
4
T
1 = REGULATOR
2 = CZUJNIK TEMPERATURY
3 = SIŁOWNIK Z ZAWOREM
4 = POMIESZCZENIE Z GRZEJNIKIEM
2
z = wielkości zakłócające
y = wielkość regulowana
w = wartość zadana
u = wielkość nastawna
e = odchyłka regulacji
Układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym
(zamknięty układ sterowania)
•
•
W literaturze z zakresu automatyki układ regulacji jest definiowany
również jako zamknięty układ sterowania lub układ sterowania ze
sprzężeniem zwrotnym.
Aby otrzymać zamknięty układ sterowania należy zamknąć pętlę
oddziaływań, uzależniając sterowanie od skutków jakie to sterowanie
wywołuje.
z
_
w
e
u
regulator
obiekt
regulacji
urządzenie
wykonawcze
y
obiekt regulacji
ym
element
pomiarowy
y
Sterowanie
• Sterowanie jest to proces w układzie, w którym jedna
wielkość lub ich większa ilość, jako wielkości wejściowe,
wpływają na wielkości wyjściowe według prawidłowości
właściwej układowi.
• Układ sterowania jest układem otwartym, w którym
sygnał wyjściowy nie jest mierzony ani porównywany z
sygnałem wejściowym i nie wpływa na akcję sterowania
(brak sprzężenia zwrotnego).
• Otwarte układy sterowania stosowane są wówczas, gdy
związek pomiędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym jest
znany.
z
w
urządzenie
sterujące
u
człon
wykonawczy
obiekt
sterowania
y
Regulacja i sterowanie. Różnice!
zakłócenia Z
u
e
w
Regulator
Człon
wykonawczy
Obiekt
regulacji
y
Człon
pomiarowy
zakłócenia Z
w
u
Sterownik
Człon
wykonawczy
Obiekt
sterowania
Przykład regulacji i sterowania
y’→ ti
6
u
w
2
1
T
ym
3
y
4
Schemat technologiczny
5
Przykład sterowania
Sterowanie czasowe (programowe) przełączaniem
równolegle połączonych pomp
w
Zegar sterujący
u1
M
P1
y1
P2
u2
y2
M
Rodzaje regulacji
Rodzaje regulacji
• Ręczna
• Automatyczna
Różnice w regulacji ręcznej i automatycznej.
Przykład:
- termostat grzejnikowy – regulacja
automatyczna – ręczne nastawianie
wielkości regulowanej,
- zawór grzejnikowy – regulacja ręczna.
Ręczna regulacja temperatury powietrza w
pomieszczeniu
Z1
Z2
Z3
°C
24
22
2
20
18
16
+ 20°C
3
1
4
27
Automatyczna regulacja temperatury
powietrza w pomieszczeniu
Z1
Z2
Z3
2
T
y
1
u
3
w
4
28
Rodzaje regulacji automatycznej
AUTOMATYCZNA
REGULACJA
STAŁOWARTOŚCIOWA
PROGRAMOWA
NADĄŻNA
Rodzaje regulacji
• Regulacja stałowartościowa polega na utrzymaniu stałej
wartości wielkości regulowanej. Wartość zadana pozostaje
na stałym poziomie niezależnie od zakłóceń działających na
układ (jest zdeterminowana w = const). Działanie układu
regulacji automatycznej prowadzi do eliminowania wpływu
zakłóceń na wielkość regulowaną.
• Jest to najczęściej stosowany rodzaj regulacji.
z1
+
y
5
T 2
4
3
ym
u
1
z2
w =tN=const
Regulacja programowa
• Regulacja programowa utrzymuje zmienną w czasie
wartość wielkości regulowanej zgodnie z zadanym
programem zmiany wartości zadanej (w = w(t)).
• Typowym przykładem regulacji programowej w systemach
ogrzewania pomieszczeń jest okresowe obniżanie
temperatury powietrza do poziomu temperatury dyżurnej w
godzinach nocnych lub w dni wolne od pracy.
Regulacja programowa
NOC
DZIEŃ
NOC
praca instalacji
ogrzewania
z osłabieniem
normalna praca
instalacji
ogrzewania
praca instalacji
ogrzewania
z osłabieniem
ti °C
+20
+15
czas
0:00
7:00
17:00
24:00
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 wodnych temperatura czynnika grzejnego zasilającego
instalację wewnętrzną tzco (jako wielkość regulowana y) w procesie
regulacji nadąża za zmianami temperatury powietrza zewnętrznego
tzew (wartością zadaną w)
Regulacja ta uwzględnia wpływ parametrów klimatu zewnętrznego
potocznie jest nazywana regulacją pogodową lub kompensacyjną.
Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne automatyzacja
Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne automatyzacja
Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej
Schemat układu automatycznej regulacji i sterowania
Z/W-I/II bieg
(DO+AO+DI)
TK/NTC
M
T
H
ΔP
T
+
TT
TK/NTC
TT
Z/W-I/II bieg
DO+AO+DI)
+
-
Tn=f(Tw),
Tw=f(Tz)
M
T
H
K
NT
M
M
~
ΔP
A0R
ΔP
~
AI
7
AO
4
DI
5
DO
6
Klasyfikacja układów sterowania
Ze względu na pełnione funkcje:
-układy regulacyjne,
-układy zabezpieczające,
-układy optymalizujące.
Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej –
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,
d) 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.
z1
+
y
5
T 2
4
3
ym
u
1
z2
w =tN=const
Regulacja bezpośrednia temperatury powietrza
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 z pomiarem temperatury
powietrza w pomieszczeniu 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 w miejscu jej regulacji,
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.
y=ti
T
ug
y
w =ti=const
Regulacja bezpośrednia prosta z pomiarem temperatury
powietrza w kanale wywiewnym twywiewu
Regulacja bezpośrednia z utrzymywaniem jako stałej wartości regulowanej
temperatury powietrza wywiewanego (z ewentualnym ograniczeniem zakresu
temperatury powietrza nawiewanego tNmax i 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
tW
ti
T
y1
u1
tN
y2
R
w =tW=const
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)
y=ti
T
uch
ug
y
w =ti=const
Regulacja bezpośrednia sekwencyjna z
odzyskiem ciepła w postaci recyrkulacji
Sterowanie odzyskiem ciepła Tw>Tzew(chłodu Tw<Tzew).
Trzy urządzenia wykonawcze.
Tw
T
Tzew
+
-
Regulacja bezpośrednia sekwencyjna z
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.
RECYRKULACJA CIEPŁA
RECYRKULACJA CHŁODU
NAGRZEWNICA
CHŁODNICA
20°C
Ti °C
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 okresie letnim (chłodzenie) temperatura wewnętrzna utrzymywana jest na
poziomie zależnym od temperatury zewnętrznej i iemperatury okresu grzewczego.
t wewn
o
t zewn − t wewn
=
2
tN=f(tW)
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).
tN=f(tW)
Regulacja ta jest nazywana także regulacją kompensacyjną.
Schemat regulacji temperatury nadążnej
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
tW
ti
T
tN
y1
u1
R
w=tN=f(tW)
y2
Przykład zastosowania regulacji nadążnej
Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza
wywiewanego stosowany w układach regulacji nadążnej
tN [°C]
tN=f(tW)
tN max
30
20
tN min
12
12
ti
30
tW [°C]
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
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
tW
ti
T tN
u1
y2
y1
1 u2 =tN
2
w=tN=f(tW)
Przykład zastosowania regulacji
kaskadowej
Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza
wywiewanego stosowany w układach regulacji kaskadowej, w klimatyzacji komfortu
(Δti=±1K)
a
b
tN [°C]
tN max
tN
tN=f(±Δt)
30
tN min
tN max
tN min
12
-Δt
ti
+Δt
tW [°C]
-1K ti +1K
tW
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 automatyzacji centrali klimatyzacyjnej –
realizowane funkcje c.d.
2.
Zdalna korekta wartości zadanej temperatury
3.
Zdalne załączanie/wyłączanie urządzenia wentylacyjnego
(jednoczesne załączenie wentylatora nawiewnego i wywiewnego)
Z/W-I/II bieg
(DO+AO+DI)
TK/NTC
M
T
H
ΔP
T
+
TT
TK/NTC
TT
Z/W-I/II bieg
DO+AO+DI)
+
-
Tn=f(Tw),
Tw=f(Tz)
M
T
H
K
NT
M
M
~
ΔP
A0R
ΔP
~
AI
7
AO
4
DI
5
DO
6
Zakres automatyzacji – realizowane funkcje
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Przełączanie obrotów silników wentylatorów (I bieg/II bieg).
Płynna regulacja wydajności wentylatorów (falownik – przetwornica
częstotliwości).
Załączanie pompy cyrkulacyjnej przy nagrzewnicy.
Zabezpieczenie nagrzewnicy wodnej przed zamrożeniem (termostat
przeciwzamrożeniowy).
Funkcja „odmrażania”( wentylator stop, przepustnica 0% otwarcia,
zawór regulacyjny 100% otwarcia –sygnalizacja awarii).
W centralach dachowych dodatkowe grzałki elektryczne przy
nagrzewnicy oraz przewody grzejne z termostatem wzdłuż rurociągów
wodnych.
Sterowanie przepustnicą powietrza zewnętrznego (siłownik z funkcją
bezpieczeństwa).
Zakres automatyzacji – realizowane funkcje
12. Zabezpieczenie silnika wentylatora przed zerwaniem klinowych
pasków napędowych (presostaty wentylatorów przy spadku sprężu
wyłączają silniki – sygnalizacja awarii, dobór nastawy presostatu).
Zakres automatyzacji – realizowane funkcje
13.
14.
15.
16.
17.
Sygnalizacja zabrudzenia filtra powietrza (presostat filtra).
Sygnalizacja pracy/awarii silników wentylatorów.
Zabezpieczenie silników wentylatorów od zwarć i przeciążeń
(przegrzania): zabezpieczenia elektryczne i czujniki temperatury
(termostaty) uzwojenia silnika.
Regulacja wilgotności powietrza w pomieszczeniu (na wywiewie z
ograniczeniem wilgotności na nawiewie).
Sterowanie pracą nawilżacza parowego (załącz/wyłącz wytwornicę,
zaworem regulacyjnym na przewodzie parowym, termostat
nawilżacza dla T<Tn).
Zakres automatyzacji – realizowane funkcje
18.
19.
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,
Sterowanie pracą nagrzewnicy wstępnej: stałowartościowa regulacja
temperatury powietrza tn=9°C.
Sygnały obsługiwane przez sterownik
centrali klimatyzacyjnej
Z/W-I/II bieg
(DO+AO+DI)
TK/NTC
M
T
H
ΔP
T
+
T
TK/NTC
T
Z/W-I/II bieg
DO+AO+DI)
M
+
-
T
H
Tn=f(Tw),
Tw=f(Tz)
K
NT
M
~
ΔP
A0R
ΔP
~
AI
7
AO
4
DI
7
DO
5
Efektywność energetyczna
systemów klimatyzacji w
budynkach
Sterowanie odzyskiem ciepła
A. Recyrkulacja: płynne sterowanie przepustnicami N+C- sygnał AO oraz
zał./wył. W sygnał DO.
Warunkiem załączenia odzysku ciepła jest Tw>Tzew, (2xAI)
Tw
DO
AO
Tzew
T
T
+
T
Sterowanie odzyskiem ciepła
B. Wymiennik krzyżowy: płynne sterowanie przepustnicami ( wymiennik
plus obejście („by-pass”) – sygnał AO.
Recyrkulacja rozruchowa, sterowanie przepustnicami: zał./wył. –DO
Tw
T
M
M
AO
M
M
+
M
T
tw
M
∆p
DO
Zabezpieczenie przed oszronieniem, pomiary: tw (AI), Δp (DI).
Sterowanie odzyskiem ciepła
C. Wymiennik obrotowy: płynne sterowanie obrotami silnika - sygnał AO lub
napędem 2, 3 - biegowym (sterowanie 2 lub 3xDO).
Odszranianie, pomiary: tw (AI), Δp (DI).
Δp
Tw
T
T
+
M
AO
Sterowanie odzyskiem ciepła
D. Wymiennik z czynnikiem pośrednim (glikolowy): sterowanie zaworem
regulacyjnym (sygnał AO) oraz zał/wył pompą cyrkulacyjną (DO)
Tw
T
T
AO
DO
Tg≥-2°C
M
+
Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej -zabezpieczenie
przed szronieniem i odszranianie 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 -zabezpieczenie
przed szronieniem i odszranianie 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 -zabezpieczenie
przed szronieniem i odszranianie wymienników
•
•
•
•
•
•
Wymienniki obrotowe - regeneratory:
- 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 -zabezpieczenie
przed szronieniem i odszranianie wymienników:
•
•
•
•
Wymienniki płytowe - rekuperatory:
- 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.
Automatyzacja centrali klimatyzacyjnej -zabezpieczenie przed
szronieniem i odszranianie 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.
Oprogramowanie aplikacyjne centrali
wentylacyjnej
Monitoring centrali klimatyzacyjnej
ELEMENTY AUTOMATYKI
Schemat blokowy układu regulacji
z
+_
w
e
u
regulator
obiekt
regulacji
urządzenie
wykonawcze
y
obiekt regulacji
ym
element
pomiarowy
y
Konstrukcje zaworów regulacyjnych
przelotowych (jednodrogowych)
Zastosowanie zaworów przelotowych
Zco
c.w.u.
Zcw
5
WCWII
WCO
LC2
c.o.
cyrk.
6
1
2
WCWI
sieć
ΔpRRC
LC1
ZRRC
4
3
w.z.
Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b)
rozdzielający
Sposoby montażu zaworów trójdrogowych
a) zawór mieszający,
b) zawór mieszający pełniący
funkcję zaworu rozdzielającego,
c) zawór rozdzielający
Zastosowanie zaworów regulacyjnych
trójdrogowych
y=ti
T
uch
y
w
ug
Napędy
W technice ogrzewczej i klimatyzacji najczęściej stosowanymi napędami
są siłowniki zaworów i przepustnic oraz silniki pomp i wentylatorów.
Siłowniki służą do zmiany stopnia otwarcia zaworów i przepustnic a
silniki do utrzymania stałej lub zmiennej prędkości obrotowej pomp i
wentylatorów.
Napędy zaworów regulacyjnych
Jako napędy zaworów regulacyjnych stosuje się
a) w układach nieelektrycznych siłowniki:
• mechaniczne,
• hydrauliczne,
• pneumatyczne,
b) w układach elektrycznych siłowniki:
• elektryczne,
• elektrohydrauliczne,
• termoelektryczne,
• elektromagnetyczne,
ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW
REGULACYJNYCH
ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW
W
siłownikach
elektrycznych
energia
elektryczna
przetwarzana jest na energię mechaniczną, która
wykorzystywana jest do napędzania elementu nastawczego.
Trzpień
siłownika
napędzany
jest
silnikiem
za
pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o dużym
przełożeniu (zmniejszenie prędkości) oraz przekładni
ślimakowej zamieniającej ruch obrotowy w ruch posuwisty.
SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE FIRMY LANDIS
SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE FIRMY
Landis & Gyr.
Gyr.
• Typowym przykładem siłownika elektrohydraulicznego jest
pokazany na rys. siłownik firmy Landis & Gyr.
• Energia elektryczna w tym siłowniku służy do napędu
pompy tłokowej przetłaczającej olej ze zbiornika nad tłokiem
siłownika do cylindra pod tłokiem. Ciśnienie oleju pokonując
opór
sprężyny
powoduje
przemieszczanie
się
przymocowanego do cylindra trzpienia siłownika. Otwarcie
zaworu elektromagnetycznego na przewodzie upustowym
do zbiornika powoduje wyciskanie przez sprężynę powrotną
oleju spod powierzchni tłoka i przemieszczanie się trzpienia
siłownika w kierunku przeciwnym.
• Siłowniki z funkcją bezpieczeństwa posiadają dodatkowy
zawór elektromagnetyczny, który przy zaniku zasilania
pozostaje w stanie otwartym powodując uwolnienie
sprężyny przetłaczającej olej w celu zamknięcia zaworu.
SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE
• Elektrohydrauliczne
elementy
napędowe
dobrze
odpowiadają wymaganiom elementów nastawczych, gdyż
umożliwiają łatwe realizowanie dużych sił i powolnego ruchu
elementu nastawczego.
• Siłowniki elektrohydrauliczne rozwijają dużą siłę nacisku w
porównaniu z siłownikami elektrycznymi z zębatą
przekładnią mechaniczną.
• Siłowniki elektrohydrauliczne są wielokrotnie lżejsze od
elektrycznych przy tej samej mocy.
• Charakteryzują
się
także
wysokim
stopniem
samohamowności.
SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE
SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE
• Siłowniki
termoelektryczne
powstały
przez
modyfikację termostatów przygrzejnikowych.
• W siłownikach tych sprzężony z trzpieniem element
zamykający zawór zwiększa swoją objętość przez
podgrzewanie przy pomocy grzałki elektrycznej.
• Wzrost temperatury powoduje przemieszczanie się
trzpienia siłownika i zamykanie zaworu.
• Wyłączenie zasilania elektrycznego powoduje
ochładzanie siłownika i otwieranie zaworu.
SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE
• Siłownik ma w zasadzie działanie dwustawne. Jednak ze
względu na czas potrzebny do podgrzania i ponownego
schłodzenia siłownika działanie to przyjmuje charakter
quasiciągły.
• Zaletą siłownika jest prostota konstrukcji, niezawodność i
niska cena.
• Siłowniki tego typu stosowane są do regulacji przepływu
czynnika grzejnego (ziębniczego) w wentylokonwektorach
(fancoilach) w układach wentylacji i klimatyzacji.
• Siłowniki cechuje mały skok przy stosunkowo małej sile
potrzebnej do przestawiania zaworu.
• Temperatura pracy siłownika wynosi 100 do 200°C. Tak
wysoka temperatura niezbędna jest dla uzyskania dużej
szybkości przestawiania siłownika w obu kierunkach.
SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE
SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE
• Zasada działania siłownika (cewki elektromagnetycznej)
polega na wykorzystaniu siły działającej na materiał
ferromagnetyczny w polu magnetycznym.
• Pole magnetyczne wytwarzane w rdzeniu wskutek
przepływu prądu przez cewkę elektryczną powoduje
powstanie siły działającej na rdzeń. Rdzeń przesuwa się,
powodując przestawianie połączonego z nim grzybka
zaworu.
• Po wyłączeniu zasilania cewki rdzeń i połączony z nim
grzybek przesuwany jest pod wpływem sprężyny w
położenie pierwotne.
• W zależności od rodzaju uzwojenia cewki (lewoskrętne lub
prawoskrętne) oraz usytuowania sprężyny zawory mogą być
otwarte lub zamknięte w stanie beznapięciowym.
Elementy wykonawcze
Przepustnice regulacyjne powietrza
• Przepustnice regulacyjne lub nastawcze stosuje się w
instalacjach powietrznych do zmian ilości lub ciśnienia
powietrza w zależności od zadanych wielkości np.
temperatury, prędkości, ciśnienia.
• Są one jednoelementowe lub wieloelementowe, te zaś
dzielą się na:
a) przepustnice żaluzjowe z łopatkami
współbieżnymi,
b) przepustnice żaluzjowe z łopatkami
przeciwbieżnymi.
jednoelementowe i wieloelementowe
Moment obrotowy przepustnic
• Moment obrotowy potrzebny do uruchomienia
przepustnic zależy od prędkości powietrza, tarcia
łożysk i przepustnic.
• Wg BELIMO - jednego z czołowych producentów
siłowników przepustnic moment obrotowy siłownika
przepustnicy należy dobierać
M = 5 A [Nm]
• gdzie:
• A - powierzchnia czołowa przepustnicy w m2.
Zastosowanie przepustnic
• Żaluzje do zewnętrznego powietrza i powietrza
wywiewanego na początku i końcu instalacji służą
do zamykania i mają z tego względu mają działanie
dwupozycyjne zamknięty-otwarty.
• Przepustnice dławiące do zmiany ilości powietrza
powinny z reguły posiadać przeciwbieżne łopatki.
Zastosowanie przepustnic
•
•
Przepustnice
mieszające
są
stosowane
w
urządzeniach
klimatyzacyjnych do mieszania powietrza recyrkulacyjnego z
powietrzem zewnętrznym (rys.).
Przepustnice te są najczęściej sprzężone ze sobą i dodatkowo z
przepustnicą powietrza wywiewanego (sterowane jednym sygnałem
sterującym).
Przepustnica obejściowa dla wymiennika
ciepła
•
Przepustnice obejściowe powinny mieć opór przy otwarciu w
przybliżeniu równy oporowi drugiej przepustnicy powiększonej o opór
wymiennika ciepła, tak aby ilość powietrza pozostawała w przybliżeniu
stała (zwężenie, duża prędkość).
Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych
Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych
Charakterystyka siłowników przepustnic
• Funkcja bezpieczeństwa. Przepustnice, które
muszą być zamykane lub otwierane po zatrzymaniu
urządzenia
wentylacyjnego
powinny
być
wyposażane w siłowniki ze sprężyną powrotną.
• Napięcie zasilania. Napięcie zasilania 24 V lub
230 V powinno być dostosowane do napięcia
stosowanego w układzie regulacji.
• Sygnał sterujący. Siłowniki przepustnic mogą być
sterowane sygnałem zamknij/otwórz (dwustawnie),
sygnałem krokowym - pulsacyjnym (trójstawnie),
proporcjonalne - sygnałem analogowym (0÷10V)
lub binarnie np. magistralą LonWorks.
Charakterystyka siłowników
przepustnic
• Kąt obrotu najczęściej można ustawiać mechanicznie w
zakresie od 0 do 95°.
• Czas przejścia pomiędzy skrajnymi położeniami siłownika
zależy od typu siłownika i może mieścić się w przedziale od
40 do 150 s. Czas zamykania sprężyną powrotną wynosi
ok. 20s.
• Temperatura otoczenia podczas pracy siłownika
szczególnie dla urządzeń wentylacyjnych zewnętrznych
powinna uwzględniać lokalne warunki klimatyczne
(najczęściej –30 do 50°C).
• Średnica uchwytu siłownika powinna być dopasowana do
średnicy osi napędowej przepustnicy.
Podział i rodzaje czujników w OWK
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Automatyzacja instalacji budynkowych wymaga
zastosowania czujników służących do pomiaru takich
wielkości jak:
temperatura,
ciśnienie,
wilgotność,
prędkość przepływającego medium,
strumień objętości,
strumień ciepła,
entalpia,
jakość powietrza,
zawartość CO2,
poziom cieczy,
ruch,
obecność itp.
CZUJNIKI TEMPERATURY
• Czujniki temperatury posiadają element czuły na
temperaturę, który przy zmianie temperatury (wejście)
zmienia wartość sygnału wyjściowego.
• W zależności od zastosowanej zasady pomiaru temperatury
czujniki można podzielić na: rezystancyjne, termoelementy,
bimetalowe, manometryczne i cieczowe.
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
•
•
•
•
•
W typowych układach z regulatorami cyfrowymi stosowane są czujniki
rezystancyjne z elementami zmieniającymi swoją oporność elektryczną
przy zmianie temperatury.
Są to przeważnie oporniki drutowe lub warstwowe z platyny lub niklu, jak
również specjalne elementy półprzewodnikowe – termistory.
Opór elektryczny czujnika rezystancyjnego oznaczonego w literaturze
symbolem RTD (ang. Resistance Temperature Device) zależy od
temperatury, wzrasta z temperaturą.
Termometry rezystancyjne robione są najczęściej z platyny i niklu.
Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu
temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do mechanicznej
trwałości i kosztu.
Czujniki rezystancyjne platynowe
•
Są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ platyna jest
najbardziej trwała i odporna na korozję.
•
Termometrem platynowym do dokładnych pomiarów jest termometr
Pt1000, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0°C wynosi
100 0Ω (R0= 1000 Ω).
Czujniki rezystancyjne platynowe
Termometr rezystancyjny platynowy:
a) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej,
b) z uzwojeniem nawiniętym na zewnątrz,
c) cienkowarstwowy
Czujniki rezystancyjne platynowe
Rysunek a: Czujnik z platynowym uzwojeniem 1,
umieszczonym w okrągłych studniach wywierconych w
ceramicznej obudowie 2, uzwojenie uszczelnione jest w
obudowie szklanym szczeliwem 3. Termometr tego typu
przystosowany jest raczej do wyższych temperatur.
Rysunek b: Typ czujnika o prostej konstrukcji stosowany do
pomiaru
temperatury
umiarkowanego
środowiska
termicznego. Na pręcie ceramicznym 2 nawinięte jest
uzwojenie platynowe 1 (z przyspawanymi przewodami
zewnętrznymi 4 w obrębie czujnika), które jest pokryte
szklaną polewą 5.
Czujniki rezystancyjne platynowe
cienkowarstwowe
• Na rysunku c pokazano konstrukcję czujników platynowych
temperatury firmy Heraeus Sensor-Nite (ang. New
Innovative Technologies for the Environment).
• Czujnik zawiera (wykonaną techniką fotolitograficzną)
cienką warstwę platynowego rezystora 1 naniesioną na
płytkę 2 pokrytą tlenkiem glinu Al2O3, którą przykrywa płytka
szklana 3 z wtopionymi stykami 4 i przewodami 5.
• Dla uszczelnienia strefę styków 4 przykrywa warstwa 6 z
pasty szklano-ceramicznej.
Termistory
• Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w
postaci tlenków metali: chromu, manganu, żelaza, kobaltu,
niklu i miedzi.
• Termistory typu NTC (ang. Negative Temperature
Coefficient) charakteryzują się dużym jednostkowym
spadkiem oporu elektrycznego przy wzroście temperatury.
• Dzięki wysokiej wartości oporności nie wymagają układów
kompensacji oporności linii łączącej czujnik z regulatorem,
co znacząco obniża koszt okablowania układu automatyki.
• Małe stałe czasowe oraz duża dokładność przyczyniła się
do szerokiego stosowania tych czujników.
Temperatura
°C
Rezystancja
Ω
-5
8093
0
7661
+5
7182
10
6667
15
6126
20
5573
25
5025
30
4492
35
3987
40
3518
45
3089
50
2702
55
2358
60
2056
65
1792
70
1563
75
1364
80
1193
85
1047
90
921
95
815
Pasywne i aktywne czujniki temperatury
• W zależności od typu regulatora czujniki rezystancyjne
mogą być łączone bezpośrednio do regulatora jako czujniki
pasywne (pomiar rezystancji),
• mogą być również wykonywane w połączeniu z
przetwornikiem elektrycznym, ze standardowym sygnałem
elektrycznym na wyjściu z czujnika 0-10 VDC lub 0(4)-20
mA, jako czujniki nazywane aktywnymi.
• Czujnik inteligentny – wyjściu sygnał cyfrowy binarny np. w
standardzie LonWorks
ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW
CZUJNIKI ZANURZENIOWE
ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW
Czujnik przylgowy
Czujnik kanałowy
Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza
oraz czujnik temperatury z nastawnikiem
ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW
Czujnik pomieszczeniowy
ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW
Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI
• Zasada działania elektrycznych czujników wilgotności
oparta jest na zastosowaniu substancji lub złożonych
układów, które absorbują lub tracą wilgoć przy zmianie
wilgotności względnej otoczenia, co powoduje zmianę
właściwości elektrycznych układu jak impedancja i
pojemność elektryczna lub inne parametry elektryczne.
• Czujniki elektryczne mogą mieć wyjście napięciowe lub
częstotliwościowe, w przypadku którego stosuje się
przetwornik częstotliwościowo-napięciowy dla uzyskania
sygnału napięciowego proporcjonalnego do wilgotności.
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI
a) Czujnik rezystancyjny Dumnore'a,
b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu: model struktury
czujnika i układ zastępczy czujnika.
Czujnik rezystancyiny Dunmor'a
• Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę pokrytą
warstwą z utrwalonym 2 do 5% roztworem chlorku litu.
Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu.
Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu.
•
•
•
Czujnikiem jest płytka aluminiowa z naniesioną elektrolitycznie warstwą
tlenku glinu o dużej higroskopijności (ma strukturę włóknistą z
podłużnymi porami skierowanymi ku powierzchni).
Tlenek pokrywa przepuszczalna dla wilgoci mikrowarstewka
naparowanego chromu lub złota.
Nie trawiona część płytki aluminiowej oraz metalowa warstwa
stanowiąca elektrodę tworzą dwie elektrody, okładki kondensatora
złożonego z warstwy tlenku glinu.
Czujniki ciśnienia
Czujniki ciśnienia
•
•
•
W przetwornikach ciśnienia elementem pomiarowym jest membrana lub
piezorezystor.
Piezorezystorami nazywa się czujniki wykonane z materiałów
półprzewodnikowych, których rezystancja zależy od naprężeń w
materiale.
Zachodzące pod wpływem zmian ciśnienia odkształcenia membrany lub
zmiany rezystancji elementu piezorezystora w przetworniku
przetwarzane są na standardowy sygnał elektryczny napięciowy lub
prądowy.
CZUJNIK PRZEPŁYWU
Czujnik przepływu płynu
• Przełącznik elektryczny z łopatką zanurzoną w medium (w
przewodzie) zwiera lub rozwiera styki elektryczne. Alarm
przy przekroczeniu lub spadku wartości strumienia poniżej
wartości zadanej (wielkością łopatki).
Pomiar zawartości CO2 w powietrzu
Schemat blokowy
przetwarzającym.
czujnika
optycznego
zawartości
CO2
wraz
z
układem
Oznaczenia: 1,2 – fotodiody odbiorcze, 3 – dioda nadawcza emitująca światło, 4,5 –
wzmacniacze sygnałowe, 6 – drajwer impulsowy, 7 – mikrokontroler zasilający, 8 –
wyświetlacz, 9 – interfejs RS232/485.
Czujniki CO2 działają w oparciu o technologię nie
rozproszonej podczerwieni (NDIR), dają sygnał wyjściowy
0...10Vdc lub cyfrowy odpowiadający koncentracji 0...2030
ppm (cząsteczek na milion) CO2
Czujnik jakości powietrza VOC
• Czujnik jakości
powietrza w pomieszczeniu służy do
pomiaru zawartości niekorzystnych składników w postaci
łatwo utleniających się gazów organicznych lub par (VOC –
Volatile Organic Compounds - lotne składniki organiczne).
• Pomiar umożliwia optymalizację jakości powietrza w
pomieszczeniu oraz ograniczenie zużycia energii poprzez
określenie
niezbędnego
zapotrzebowania
powietrza
świeżego.
Czujnik jakości powietrza VOCVOC-C7110A
•
•
Czujnik C7110A przeznaczony jest do pomiaru jakości powietrza w
pomieszczeniach zarówno biurowych jak i produkcyjnych.
Wykrywa nieprzyjemne zapachy, dym tytoniowy, opary z obiektów takich
jak: meble, dywany, farby, kleje,... Jak udowodniono w praktyce, czujnik
tek wykrywa nieprzyjazne dla zdrowia ludzkiego składniki znajdujące się
w powietrzu, nawet wtedy, gdy osoby będące w danym pomieszczeniu
nie zdają sobie sprawy z obecności tych składników.
Czujnik jakości powietrza VOCVOC-C7110A
Honewell
•
•
•
•
DZIAŁANIE
Przewodność elektryczna półprzewodnikowego czujnika opartego na
wzbudzonym dwutlenku cyny, zmienia się proporcjonalnie do ilości
cząsteczek reduktora. Przetwarzana jest na wartość napięcia i
wzmacniana do zakresu 0..10Vdc.
Następujące gazy obecne w pomieszczeniu są wykrywane: dym
papierosów, wodór, tlenek węgla, etanol, amoniak, itp.
W porównaniu do czujników CO2, które mierzą koncentrację tego
jednego rodzaju gazu, czujnik jakości powietrza jest czujnikiem
szerokopasmowym. Zmienność zawartości różnych rodzajów gazów w
powietrzu w pomieszczeniu, wymaga stosowania czujników
wykrywających więcej niż jeden szkodliwy gaz.
System zliczania liczby osób
• Przykładowym zastosowaniem czujników pyroelektrycznych
jest ustalanie liczby osób przebywających w danym
momencie w hali sprzedaży supermarketu i ustalanie na tej
podstawie w systemach wentylacji pomieszczeń ilości
powietrza świeżego podawanego przez wentylatory
nawiewne przy założeniu jednostkowego strumienia
minimalnego przypadającego na jedną osobę.
System zliczania liczby osób
Zasada działania
• Czujniki umieszczone w bramach wejściowych i
wyjściowych działają na zasadzie pasywnych czujników
podczerwieni reagujących na promieniowanie cieplne osób
przechodzących w obu kierunkach w strefie ich zasięgu .
• Informacje
z
czujników
przesyłane
są
do
mikroprocesorowego analizatora z możliwością dalszego
przesyłania danych w formie cyfrowej, po RS 232, lub w
formie niezależnych impulsów oddzielnie dla osób
wchodzących i osób wychodzących.
System zliczania liczby osób – zasada działania
• Główną część czujnika stanowi pyroelektryczny nadajnik.
• Elementy składowe czujnika wytwarzają w zakresie strefy
roboczej po dwie kurtyny po stronie wewnętrznej bramy i po
stronie zewnętrznej.
• Osoby wchodzące
w przestrzeń pomiędzy kurtyny
wewnętrzne lub zewnętrzne generują sygnały informujące o
ilości osób wchodzących i wychodzących.
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób
REGULATORY
BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
- Regulatory bezpośredniego działania charakteryzują się tym,
że energię niezbędną do działania pobierają za pomocą
czujnika z obiektu regulacji.
- Z tego powodu nazywane są również regulatorami bez
energii pomocniczej.
- W
regulatorze
bezpośredniego
działania
element
pomiarowy, regulator, napęd i element wykonawczy
najczęściej stanowią jedną całość.
- Zaletą tych urządzeń jest prosta budowa i niski koszt.
- Wadą ich jest mała dokładność regulacji spowodowana
odchyłką statyczną i histerezą oraz możliwość realizacji
wyłącznie regulacji stałowartościowej.
Zastosowanie regulatorów bezpośredniego
działania
Regulatory bezpośredniego działania w systemach
ogrzewania i klimatyzacji stosowane są do regulacji:
– temperatury (termostaty przygrzejnikowe, ograniczniki
temperatury powrotu, regulatory temperatury ciepłej
wody),
– ciśnienia (regulatory i reduktory ciśnienia),
– różnicy ciśnień ( regulatory różnicy ciśnień),
– przepływu (regulatory i ograniczniki przepływu),
– poziomu (regulatory poziomu wody).
Wykonywane są również jako wielofunkcyjne regulatory
bezpośredniego działania, na przykład w ciepłownictwie
do jednoczesnej regulacji różnicy ciśnień i przepływu
wody sieciowej w węźle.
Termostat grzejnikowy
•
•
•
•
•
1 - nastawnik temperatury,
2 - cieczowy czujnik temperatury,
3 – zabezpieczenie przeciążeniowe,
4 – skala nastawianych temperatur,
5 – dławnica,
6 – tuleja,
7 – połączenie gwintowe.
Termostat grzejnikowy
• W
czujnikach
termostatów
grzejnikowych
wykorzystywane są następujące zjawiska fizyczne
zachodzące pod wpływem temperatury:
- rozszerzalność cieplna cieczy,
- rozszerzalność cieplna ciał stałych,
- zmiana prężności pary nad powierzchnią cieczy,
- zmiana objętości substancji w czasie krzepnięcia i
topnienia.
Ograniczniki temperatury wody w
instalacjach
Na podobnej zasadzie działają ograniczniki
temperatury wody w instalacjach centralnego
ogrzewania i cyrkulacji ciepłej wody
użytkowej.
Wielkością regulowaną w tym przypadku nie
jest jednak temperatura powietrza w
ogrzewanym
pomieszczeniu
lecz
temperatura wody powrotnej w miejscu
zamontowania ogranicznika.
Regulator temperatury c.w.u.
bezpośredniego działania
•
Termostat z nastawnikiem wartości zadanej, kapilarą oraz czujnikiem
.
temperatury pracującym na zasadzie adsorbcji
Regulatory bezpośredniego działania
różnicy ciśnień i przepływu
• Urządzenie regulacyjne składa się z
regulatora, zaworu regulacyjnego i siłownika.
• Sterowanie zaworem regulacyjnym odbywa
się
przez
wykorzystanie
energii
przepływającego medium bez konieczności
doprowadzania energii zewnętrznej.
• Wzrost różnicy ciśnień zamyka lub otwiera
zawór.
Regulatory bezpośredniego działania
różnicy ciśnień
»
»
»
»
»
»
Regulator różnicy ciśnień upustowy
Regulatory bezpośredniego działania
różnicy ciśnień
Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień –
zasada działania
•
•
•
•
•
•
Regulowana różnica ciśnień ∆p wytwarza na powierzchni membrany
siłownika siłę
Fm = ∆p × A
Siła ta porównywana jest na trzpieniu grzyba z siłą napięcia sprężyny Fs
odpowiadającą wartości zadanej.
Siła napięcia sprężyny może być regulowana na nastawniku wartości
zadanej lub zadana na stałe.
Jeżeli zmienia się wartość różnicy ciśnień ∆p, a wraz z nią również siła
Fm, grzyb zaworu przesuwany jest do momentu, gdy Fm=Fs.
Dla zadanej powierzchni membrany A stała sprężyny nastawczej
określa wielkość współczynnika wzmocnienia Kp oraz zakres
proporcjonalności Xp.
Urządzenia są regulatorami proporcjonalnymi sterowanymi za pomocą
medium.
Regulator przepływu
Regulator przepływu
Ciśnienie regulowanego medium może
być przenoszone do siłowników przy
pomocy przewodów impulsowych lub
przez kanał nawiercony w trzpieniu
grzyba.
Podczas
projektowania
należy
pamiętać o tym, że różnica ciśnień w
instalacji obliczana jest ze spadku
ciśnienia na dławiku i spadku ciśnienia
przy
obliczeniowym
przepływie
regulowanego medium w instalacji:
∆p = ∆pinstalacji + ∆pmiernicze
Regulator przepływu - zastosowanie
Regulator różnicy ciśnień
z ograniczeniem przepływu
Regulator różnicy ciśnień
z ograniczeniem przepływu
Podczas projektowania należy
pamiętać o tym, że różnica
ciśnień w instalacji obliczana
jest ze spadku ciśnienia na
dławiku i spadku ciśnienia przy
obliczeniowym
przepływie
regulowanego
medium
w
instalacji:
∆p = ∆pinstalacji + ∆pmiernicze
Regulator różnicy ciśnień
z ograniczeniem przepływu
Regulator różnicy ciśnień i przepływu
Regulator różnicy ciśnień i przepływu zastosowanie
REGULATORY DWUSTAWNE
REGULATORY DWUSTAWNE
•
•
•
•
•
Regulacja dwustawna jest regulacją nieciągłą, w której wielkość
sterująca przyjmuje tylko dwie wartości minimalną lub maksymalną, w
zależności od tego czy sygnał uchybu jest dodatni czy ujemny.
Minimalna wartość wielkości sterującej jest zwykle oznaczana jako
umowne 0 a maksymalna jako 1.
Wartość 0 oznacza wyłączenie sygnału wyjściowego z regulatora a
wartość 1 pełne włączenie sygnału wyjściowego.
Przełączenie sygnału sterującego następuje po przejściu sygnału
uchybu przez obszar nazywany strefą histerezy.
Histereza pełni w tym przypadku pozytywną rolę zapobiegania zbyt
częstemu działaniu mechanizmu załączającego regulatora (np. styki
elektryczne) oraz zmniejsza częstotliwość załączania urządzeń
wykonawczych.
Przykładowy przebieg wartości regulowanej w
układzie z regulatorem dwustawnym
Sygnał wyjściowy układu regulacji oscyluje pomiędzy dwoma granicami
strefy histerezy.
Jakość regulacji dwustawnej ocenia się na podstawie amplitudy,
częstotliwości oraz wartości średniej oscylacji.
Jak wynika z rys. amplituda drgań wielkości regulowanej może być
zmniejszona przez ograniczenie szerokości obszaru histerezy. Spowoduje to
jednak zwiększenie częstotliwości przełączeń regulatora oraz liczby
zadziałań elementów wykonawczych, co może niekorzystnie wpłynąć na
trwałość tych urządzeń.
H = 2K
załącz
c.o.
y(τ)
14°C
Histereza H = 2K
12°C
wyłącz
c.o.
12°C 14°C Te
0
τ
Regulatory dwustawne
• Regulatory dwustawne są proste w budowie i
działaniu oraz niedrogie.
• Najczęściej wykonywane są jako regulatory
elektryczne sterujące napędami silnikowymi lub
elektromagnetycznymi.
• W klimatyzacji i ciepłownictwie znalazły szerokie
zastosowanie jako urządzenia zabezpieczające
przed niedopuszczalnym spadkiem lub wzrostem
temperatury
(termostaty)
oraz
ciśnienia
(presostaty).
Służą
także
jako
regulatory
wilgotności (higrostaty) oraz regulatory poziomu
cieczy.
TERMOSTATY
• Różne termostaty elektryczne: a - bimetalowy,
b - prętowy, c – membranowy.
TERMOSTATY
• Sprężyna bimetalowa to zwinięte razem dwa
metalowe paski o różnej rozszerzalności cieplnej.
• Czujnik prętowy stanowią dwa powiązane ze sobą
pręty. Jeden z materiału o dużej rozszerzalności
cieplnej,
drugi
wykonany
z
inwaru,
charakteryzujący się znikomą rozszerzalnością
cieplną.
• Czujniki
membranowe
(ew.
z
kapilarą)
wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieczy
(nafta) i gazów (butan, fluorowęglowodór np.freon)
oraz zjawisko adsorbcji.
Termostaty-przykłady zastosowań w technice
Termostatygrzewczo--wentylacyjnej.
grzewczo
Termostaty pomieszczeniowe służą do
sterowania
aparatami
grzewczowentylacyjnymi i klimakonwektorami.
Aparat grzewczogrzewczo-wentylacyjny
Termostaty-przykłady zastosowań w technice
Termostatygrzewczo--wentylacyjnej.
grzewczo
Termostaty pomieszczeniowe zastosowane
do sterowania wentylokonwektorami,
1. mogą załączać nagrzewnice elektryczne,
2. otwierać lub zamykać zawory regulacyjne
doprowadzające czynnik
grzejny lub
chłodniczy,
3. zmieniać obroty silników napędzających
wentylatory,
4. sterować pracą gazowych urządzeń
grzewczych.
Termostaty zabezpieczające
Termostaty zabezpieczające stosowane są do:
• zabezpieczania kotłów i wymienników ciepła przed nadmiernym
wzrostem temperatury czynnika grzejnego:
• termostaty ze stykiem przełączającym i automatycznym powrotem do
zadanego położenia (STW),
• termostaty ze stykiem otwierającym i blokadą (powrót do zadanego
położenia po naciśnięciu przycisku wyzwalacza tylko po spadku
temperatury poniżej wartości granicznej - reset) - (STB),
• zabezpieczania nagrzewnic elektrycznych przed nadmiernym wzrostem
temperatury,
Termostat– ogranicznik temperatury bezpieczeństwa
(STB) firmy SAMSON, ze stykiem otwierającym i
blokadą
Termostaty przeciwzamrożeniowe
•
(f-my Johnson Controls)
Termostaty przeciwzamrożeniowe
• Stosowane są do zabezpieczania przed zamrożeniem
nagrzewnic
wodnych
central
wentylacyjnych
oraz
przewodów wypełnionych zamarzającą cieczą.
• Elementem pomiarowym jest kapilara o długości 2 do 6 m,
która rozpinana jest na powierzchni zabezpieczanej
nagrzewnicy.
• Przełączenie
zestyku
termostatu
następuje,
gdy
temperatura dowolnego odcinka o długości 30 cm lub
dłuższej elementu pomiarowego spadnie poniżej wartości
zadanej.
• Termostaty posiadają nastawialny zakres oraz stałą strefę
histerezy.
• Termostat w zależności od wykonania, po ponownym
wzroście temperatury może sam wrócić do stanu
normalnego (STW) lub przywrócenie tego stanu musi być
poprzedzone ręcznym odblokowaniem dźwigni kasującej
(termostat z ręcznym resetem STB).
Termostaty przeciwzamrożeniowe
• Przy montażu termostatu należy zwrócić
uwagę na to aby cała powierzchnia
nagrzewnicy była
pokryta
elementem
pomiarowym.
• Przy
bardzo
dużych
powierzchniach
nagrzewnic stosuje się dwa lub trzy
termostaty zabezpieczeniowe.
Higrostaty
Higrostaty stosowane są do regulacji i
monitorowania wilgotności względnej w
instalacjach
wentylacji
i
klimatyzacji.
Zapewniają regulację wilgotności względnej
powietrza w pomieszczeniu z wartością
zadaną ustawioną w zakresie od 30 do 100 %
r.h.
przez
sterowanie
urządzeniami
nawilżającymi lub osuszającymi. Mogą być
również
stosowane
do
monitorowania
minimalnego lub maksymalnego poziomu
wilgotności.
Jako elementy wydłużające się stosowane są
w higrostatach włosy ludzkie, nici nylonowe,
błony zwierzęce, drewno i papier. Czujniki
cechuje nieliniowość i histereza
Presostaty - przykłady zastosowania
• Zabezpieczenie kotłów
• Zabezpieczenie agregatów chłodniczych
• Zabezpieczenie wymienników płytowych
przed oszronieniem
• Kontrola sprężu wentylatorów
• Kontrola stanu filtrów
Presostaty - presostat różnicy ciśnień
Presostat różnicy ciśnień znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie
muszą być sygnalizowane zmiany normalnych różnic ciśnienia (również
nadciśnienia i podciśnienia), monitorowanie i sterowanie ciśnieniem
różnicowym, monitorowanie przepływu, automatyczna kontrola stacji
filtrów i awarii wentylatorów.
Presostat z wyświetlaczem wartości zadanej
Presostaty - presostat różnicy ciśnień
•
Kontrola stanu filtrów powietrza– przewody ciśnieniowe odłączone są po
obu stronach filtra, jeśli spadek ciśnienia na filtrze przekroczy ustalony
poziom przełączenie styków powoduje uruchomienie sygnalizacji
alarmowej
Sterowanie pracą wentylatorów.
•
Kontrola pracy wentylatorów– przewody ciśnieniowe podłączone są
do komory wentylatora (przed wentylatorem) i kanału wentylacyjnego
(za wentylatorem), w przypadku awarii wentylatora spada różnica
ciśnień pomiędzy punktami w których jest ono mierzone, następuje
przełączenie styków skutkujące wyłączeniem wentylatora i
uruchomieniem sygnalizacji alarmowej.
∆P
P1
P2
Praca: P1 < P2
Stop lub awaria: P1 = P2
Sposób montażu i nastawiania wartości
zadanej presostatu
Szafy sterownicze
Szafy sterownicze
• Sterowniki obiektowe wraz z innymi urządzeniami
niezbędnymi w układzie regulacji i sterowania HVAC
(ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji) jak: przekaźniki,
elektryczna aparatura rozdzielcza i sterująca, elementy
układu zasilania, urządzenia zabezpieczające i ochronne,
elementy do sygnalizacji oraz urządzenia do ręcznej obsługi
są montowane w rozdzielnicach zasilająco-sterowniczych
nazywanych też szafami sterowniczymi.
• Podstawowym zadaniem szafy sterowniczej jest stworzenie
odpowiednich warunków do zabudowy i połączenia wyżej
wymienionych urządzeń przy pomocy okablowania, z
automatyzowaną instalacją technologiczną.
Elewacja i zawartość rozdzielnicy zasilająco
zasilająco-sterującej
Wykonanie
•
•
•
•
Wykonanie
obudowy
rozdzielnicy
powinno
zapewnić ochronę:
przed porażeniem przez dotyk,
wnikaniem obcych ciał stałych,
dostępem kurzu i wilgoci
oraz
zapewnić
odpowiednie
warunki
temperaturowe.
Wymaga
to zachowania
określonej
klasy
szczelności oznaczanej zgodnie z normą PN-EN
0529:2003
przez kod IP XX (Interelement
Protektion).
Zalecane IP
• W praktyce dla szaf umieszczanych wewnątrz
budynków najczęściej w stosowany jest stopień
ochrony IP 54 (tzw. wykonanie bryzgoszczelne).
• Niezależnie od zastosowań i lokalizacji ten stopień
ochrony zabezpiecza urządzenie przed wnikaniem
kurzu oraz wodą padającą pod dowolnym kątem.
• Dla szaf umieszczanych na zewnątrz budynków
wymagana jest ochrona na poziomie co najmniej IP
65.
Chłodzenie rozdzielnic
• Do odprowadzenia większych zysków ciepła na
ogół wystarcza wentylacja naturalna przez otwory
nawiewne i wywiewne w obudowie szafy.
• Przy dużych zyskach są montowane wentylatory
wymuszające cyrkulację powietrza wewnątrz szafy.
• W celu ochrony rozdzielnicy przed wnikaniem
kurzu, w otworze nawiewnym są montowane filtry
powietrza.
• W przypadku wysokich temperatur otoczenia
przekraczających 35°C do chłodzenia rozdzielnicy
są stosowane małe urządzenia ziębnicze oraz
elementy chłodzące Peltiera
Zabezpieczenie przed wykraplaniem pary
wodnej
• Przy wysokim stopniu ochrony, ze względu na brak
wymiany
powietrza,
może
dochodzić
do
wykraplania pary wodnej.
• Po to aby temperatura wewnątrz rozdzielnicy nie
spadła poniżej punktu rosy ogrzewa się ją do
temperatury 30°C ± 5K grzałką elektryczną,
sterowaną termostatem.
• Moc grzałki można określać przyjmując dla
rozdzielnic montowanych w pomieszczeniach
wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania mocy
wynoszący 200 W/m3 kubatury szafy
Typowa dokumentacja rozdzielnicy
Powinna zawierać:
• - schemat układu technologicznego wraz z
układem automatycznej regulacji i opisem zasady
działania,
• - dokumentację rysunkową układu połączeń
elektrycznych,
• - rysunki elewacji i rozmieszczenia urządzeń
wewnątrz rozdzielnicy,
• - wykaz elementów wyposażenia,
• - instrukcję obsługi rozdzielnicy i układu
automatycznej regulacji, wraz z opisem sygnalizacji
pracy i awarii oraz wytyczne zasilania i montażu.
Funkcje realizowane przez wyposażenie
typowej rozdzienicy
rozdzienicy::
• - zasilanie i rozdział energii elektrycznej,
• - sterowanie i sygnalizacja, obejmujące
sterowanie elementami wykonawczymi oraz
sygnalizację podstawowych stanów,
• - pomiary i regulacja za pomocą sterowników
Wyposażenie zewnętrzne
•
•
•
•
Od strony zewnętrznej drzwi rozdzielnicy są montowane:
opisy lamp i łączników.
lampki sygnalizacyjne,
wyłączniki (łączniki) do ręcznej obsługi,
OKABLOWANIE
Przewody okablowania wewnętrznego i
zewnętrznego są dobierane zgodnie z kolorystyką
opisaną w PN – EN – 60446
• - przewód ochronny PE ; kolor zielono-żółty,
• - przewód neutralny N; jasnoniebieski,
• - główny przewód zasilający 230/400V prądu
zmiennego; czarny,
• - przewód sterujący prądu stałego;
ciemnoniebieski,
• - przewody obwodu sterującego prądu zmiennego
o napięciu poniżej 50V; białe,
• - połączenia ze sterownikami DDC oraz systemami
BMS; brązowe.
Przykładowe wykonanie rozdzielnicy
1 - sterownik,
2 - przekaźniki elektryczne, które dzięki separacji galwanicznej zapewniają
bezpieczne połączenie sterownika z innymi elementami układu
automatycznej regulacji, oddzielają obwody zasilane różnym napięciem,
współpracują ze stycznikami odciążając sterowniki podczas sterowania
urządzeniami dużej mocy, umożliwiają powielanie sygnałów wejścia i
wyjścia
• 3 - wyłączniki nadprądowe przeciwzwarciowe (S),
zabezpieczające okablowanie wraz z odbiornikami
grzejnymi
• oraz wyłączniki silnikowe (M), zabezpieczające silniki
elektryczne przed przeciążeniem
• (zabezpieczenia te dobierane są na zakres zgodny z
prądem nominalnym odbiornika i nastawiane na wartość
prądu zwiększoną o 5 do 10 %)
• 4 - gniazdko wtyczkowe 230V,
• 5 - transformator napięcia zasilania 230/24V,
• 6 - styczniki elektryczne (najczęściej trójfazowe) do
załączania urządzeń dużej mocy: silniki i nagrzewnice
elektryczne,
• 7 - listwa zaciskowa do podłączenia
zewnętrznego i wewnętrznego szafy.
okablowania
UWAGA!
• Do obsługi urządzeń znajdujących się
wewnątrz
rozdzielnic
zasilającosterowniczych, dostępnych dopiero po
otwarciu drzwi, uprawnione są jedynie osoby
posiadające
odpowiednie
uprawnienia
energetyczne wydawane przez SEP.
Dziękuję za uwagę !