Układy automatyki nowoczesnych central klimatyzacyjnych z

Perestaj Grzegorz
Układy automatyki nowoczesnych central
klimatyzacyjnych z odzyskiem i bez odzysku ciepła:
budowa + działanie + przykłady rozwiązań.
Spis treści:
1. Wstęp
2. Rodzaje regulatorów
2.1. Regulatory bezpośrednie
2.2. Regulatory mechaniczno – elektryczne
2.3. Regulatory elektryczne
2.4. Regulatory pneumatyczne
3. Wybrane elementy automatyki stosowane w centralach klimatyzacyjnych
3.1. Czujniki temperatury – termostaty
3.2. Czujniki wilgotności - higrostaty
3.3. Czujniki ciśnienia – presostaty
3.4. Czujniki entalpii
3.5. Czujnik tlenku węgla
3.6. Czujnik zanieczyszczenia powietrza
3.7. Elementy zabezpieczające
3.7.1. Termostat przeciwzamroŜeniowy po stronie powietrza
3.7.2. Termostat zabezpieczający przed przegrzaniem
3.8. Napędy nastawcze
3.9. Zawory nastawcze
3.10. Przemiennik częstotliwości (falownik)
3.11. Sternik cyfrowy
4. Literatura
1. Wstęp
Stosowanie pełnej automatyzacji urządzeń klimatyzacji pozwala na uzyskanie
wysokiego komfortu przebywania w pomieszczeniach, w których bez ingerencji człowieka
zawsze będą utrzymywane zadane parametry powietrza, bez względu na działające wielkości
zakłócające takie jak: wpływ pogody (temperatury zewnętrznej, promieniowania słonecznego
i wiatru, wahania temperatury i ciśnienia), oraz zmiana temperatury przez róŜne źródła ciepła
(ludzie, maszyny). Ponad to kompletna automatyka pozwala na:
•
Znaczne oszczędności ekonomiczne związane z eksploatacją urządzeń;
•
Kontrolę pracy i zabezpieczenie elementów urządzeń przed uszkodzeniami.
Układ automatyki central klimatyzacyjnych składa się z szeregu urządzeń
regulacyjnych i sterujących.
Pod nazwą regulator naleŜy rozumieć urządzenie, które utrzymuje w sposób
zautomatyzowany pewien stan fizyczny na określonym poziomie, mówiąc dokładniej
w pewnym zakresie, odpowiednio do wcześniejszych nastaw. W najprostszej formie zespala
się razem czujnik pomiarowy i regulator, uzyskując w ten sposób higrostat, termostat czy
presostat. Nowoczesne systemy posiadają regulatory pneumatyczne, elektryczne lub
mikroelektryczne, połączone z oddzielnymi czujnikami pomiarowymi i nastawnikami.
Urządzenia sterujące to takie, w którym jedna wielkość „przestawia” drugą.
Urządzenie sterujące realizuje w tym przypadku następujące funkcje:
• Pomiar np. temperatury za pomocą czujnika (elementu pomiarowego) w miejscu
nastawiania,
• Porównanie wartości rzeczywistej z wartością zadaną,
• Wzmacnianie i ewentualne przetwarzanie sygnałów w regulatorze (element
wzmacniający),
• Przestawianie elementu nastawczego, np. grzybka zaworu.
Oprócz funkcji regulującej i sterującej układ automatyki pełni jeszcze jedną bardzo
waŜną rolę, a mianowicie funkcję zabezpieczającą:
•
Nagrzewnicę wodną przed zamarznięciem
•
Nagrzewnicy elektrycznej przed przegrzaniem,
•
Wymiennik krzyŜowy i obrotowy odzysku ciepła przed zeszronieniem,
•
Sygnalizowanie stanu awarii,
•
Utrzymywanie minimalnej temperatury w pomieszczeniu podczas pracy
w okresie czuwania.
2. Rodzaje regulatorów
2.1.Regulatory bezpośrednie
Pracują one bez energii pomocniczej, wykorzystując zjawisko rozszerzalności
cieplnej. NaleŜą one do grupy regulatorów o działaniu ciągłym. Wykorzystuje się je głównie
do regulacji temperatury, ale mogą teŜ być wykorzystane do regulacji ciśnień i przepływów
objętościowych. Regulator taki składa się z czujnika, kapilary i zaworu. Wraz ze wzrostem
temperatury rozszerza się ciecz, poruszając siłownik sterowniczy zaworu.
Zaleta: niezaleŜny od energii pomocniczej, jak prąd elektryczny, spręŜone powietrze.
Z tego względu często stosowany jest w regulowanych obwodach zabezpieczających
Wady: Nie dokładne utrzymanie zadanych parametrów ze względu występowania
regulatora proporcjonalnego. Zakres proporcjonalności od 3 do 6K, skok 2 – 3mm, nie jest
nastawny, dlatego nie moŜna dokonać dopasowania do obiektu regulacji.
Regulator rozszerzalnościowy
1.
klucz nastawny wartości zadanej; 2 .skala; 3. tuleja; 4 .mieszek metalowy; 5. czujka temperaturowa
2.2.Regulatory mechaniczno – elektryczne
Są to regulatory o działaniu nieciągłym, dwupołoŜeniowe. Ich sygnał wyjściowy moŜe
przyjmować tylko dwa stany, np. zał. – wył. MoŜna je stosować zarówno jako regulatory
temperatury, ciśnienia i wilgotności. Do pomiaru temperatury stosuje się bimetale (materiały
o róŜnej rozszerzalności), do pomiaru wilgotności higroskopijne pasma bawełniane lub taśmy
z tworzyw sztucznych, a do pomiaru ciśnienia metalowych mieszków spręŜystych lub
membran. Człon nastawczy posiada tylko dwa połoŜenia krańcowe: styk minimum (regulator
grzania), styk maksimum (regulator chłodzenia).
Do tej grupy regulatorów zalicza się równieŜ regulatory trzy połoŜeniowe. Pracują
podobnie jak dwupołoŜeniowe, z tę róŜnica, Ŝe jest moŜliwe pośrednie połoŜenie członu
nastawczego.
MoŜna tu teŜ zaliczyć regulatory zwane termostatami zegarowymi, na których moŜna
ręcznie nastawić dwie róŜne wartości zadane, np. inną dla dnia inną dla nocy.
Regulator zegarowy
Regulacja trzypołoŜeniowa agregatu
klimatyzacyjnego z chłodnicą
2.3.Regulatory elektryczne
Regulatory te do pracy wymagają zasilania energią elektryczną. Regulowana wielkość
fizyczna - temperatura, wilgotność, ciśnienie - przetwarzana jest, w czujniku pomiarowym, na
elektryczny sygnał analogowy. Następnie wartość wejściowa wraz z wartością zadaną są
przetwarzane na jednolite sygnały napięcia stałego. Sygnały te są porównywane
w wzmacniaczu napięcia stałego. Uzyskana odchyłka regulacji jest obrabiana w części
regulacyjnej Następnie zespoły elektroniczne regulatora wytwarzają nowy sygnał elektryczny
i przesyłają do przyłączonego członu nastawczego.
2.4.Regulatory pneumatyczne
Wykorzystują spręŜone powietrze jako energię pomocniczą do wzmocnienia mocy
sygnałów. Ich głównymi elementami są: spręŜarka wraz z silnikiem i zbiornikiem spręŜonego
powietrza, czujniki temp., wilgotności, ciśnienia, siłowników membranowych zaworów i klap
oraz przewodów łączących. Wszystkie regulatory mają działanie proporcjonalne, tzn., Ŝe
kaŜdej wartości fizycznej przyporządkowane jest ściśle określone połoŜenie elementu
nastawczego. Zakres P jest zwykle nastawialny. RozróŜnia się regulatory bezpośredniego
działania (ciśnienie sterownicze wzrasta wraz ze wzrostem wartości rzeczywistej) i regulatory
odwrotnego działania.
3. Wybrane elementy automatyki stosowane w centralach
klimatyzacyjnych
3.1.Czujniki temperatury - termostaty
SłuŜą do pomiaru temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego lub
zewnętrznego. Posiadają element czuły na temperaturę, który przy zmianie temperatury
(wejścia) zmienia swoje wyjście. RozróŜnić moŜna czujniki kanałowe i pokojowe. Te
pierwsze słuŜą do pomiaru temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego lub
zewnętrznego (wewnątrz samej centrali oraz bezpośrednio w kanałach wentylacyjnych. Mogą
dostarczać sygnał aktywny 0…10V
(przetworniki), lub sygnał pasywny oporowy (czujniki rezystancyjne). Czujniki pokojowe
mierzą temperaturę bezpośrednio w pomieszczeniu. Wytwarzać mogą sygnał aktywny bądź
pasywny. WyposaŜone mogą być w wbudowany nastawnik temperatury formujący sygnał
0…10V. NaleŜy pamiętać o montowaniu czujnika w prawidłowym miejscu (w miejscu
reprezentatywnym, z dala od okien, drzwi, w miejscach nienasłonecznionych).
Czujniki kanałowe
Czujniki pokojowe
W najprostszej formie czujnik i regulator stanowią jeden
zespół – termostat. W tym przypadku stosowane są czujniki
rozszerzalnościowe róŜnych typów: bimetalowe (zwinięte razem
dwa metalowe paski o róŜnej rozszerzalności cieplnej), prętowe
(dwa pręty powiązane ze sobą, jeden z materiału o duŜej
rozszerzalności, drugi z inwaru, posiadającego znikomą
rozszerzalność),
membranowe
(wykorzystane
zjawisko
rozszerzalności cieczy np. nafta, lub gazów np. butan, freon).
Termostat pokojowy z programatorem
3.2.Czujniki wilgotności – higrostaty
Jako element czuły na wilgotność stosuje się materiały higroskopijne, które przy
zmieniającej się wilgotności względnej wydłuŜają się lub skracają np. pasmo włosów,
jedwab, bawełna, tworzywa sztuczne. Nowoczesne czujniki wilgotności do układów regulacji
wykorzystują elektryczne metody pomiaru, które bazują na zmianie elektrycznej oporności
lub pojemności określonych materiałów przy zmianie wilgotności. Na przykład elementem
pomiarowym moŜe być dielektryk kondensatora czuły na wilgotność. Pojemność
kondensatora zmienia się wraz z wilgotnością, a przetwornik częstotliwościowo – napięciowy
wytwarza napięcie proporcjonalne do wilgotności. Wadą tego typu czujników jest
konieczność częstego wzorcowania czujnika.
Bardzo dokładnym czujnikiem, pozbawionym wady częstego wzorcowania jest
czujnik opierający się na pomiarze temperatury punktu rosy. Jednak jest on bardzo drogi
i stosuje się go wyłącznie wtedy, gdy są wymagane bardzo dokładne wyniki regulacji.
Higrostat kanałowy
Higrostat pokojowy; nastawiany wewnętrznie
3.3.Czujniki ciśnienia – presostaty
SłuŜą do pomiaru ciśnień absolutnych lub róŜnicy
ciśnień
cieczy
i gazów.
Mogą
być
budowane
z wykorzystaniem puszki przeponowej, której wygięcie
zaleŜne od ciśnienia jest mechaniczne wyczuwane przez
potencjometr. Najbardziej nowoczesne czujniki posiadają
ceramiczną
komórkę
pomiarową,
połączoną
z kondensatorem płytkowym. Sygnał pomiarowy jest
ujmowany pojemnościowo przez połoŜenie membrany.
Pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia na
komórce pomiarowej.
Czujnik taki pełnić moŜe
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.
3.4.Czujniki entalpii
Są potrzebne do energetycznej optymalizacji pracy urządzeń klimatyzacyjnych.
Stosuje się je np. do ujęcia róŜnic entalpii między powietrzem zewnętrznym i powietrzem
wywiewanym głównie do regulacji regeneracyjnych wymienników odzysku ciepła.
Stosowany jest jeden czujnik wilgotności względnej i jeden temperatury, entalpię natomiast
wylicza układ elektroniczny.
3.5.Czujnik tlenku węgla
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.
3.6.Czujnik zanieczyszczenia powietrza
Czujnik 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.
3.7.Elementy zabezpieczające
3.7.1. Termostat przeciwzamroŜeniowy po stronie powietrza
Przy ujemnych temperaturach zewnętrznych istnieje
niebezpieczeństwo zamarznięcia nagrzewnicy powietrza, co łączy się
z przykrymi następstwami: pękanie rur, zniszczenie nagrzewnicy,
powstawanie nieszczelności. Termostat 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, wyłączenie
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.
3.7.2. 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 onw
obwód sterowania nagrzewnicy
elektrycznej.
3.8.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.
Silnik elektryczny przepustnicy
3.9.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.
Zawór przelotowy kulowy z siłownikiem
Zawór trójdrogowy z siłownikiem
3.10. Przemiennik częstotliwości (falownik)
Płynna regulacja wydajności powietrza centrali wentylacyjnej
poprzez proporcjonalną zmianę prędkości obrotowej zespołu silnikwentylator. 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 U/f.
3.11. Sternik cyfrowy
Realizuje pomiar temperatury powietrza w pomieszczeniu.
Dodatkowo umoŜliwia zadawać i odczytywać parametry pracy
centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej takie jak:
•
Parametry powietrza
•
Zmiany wydajności (płynna)
•
Stopień recyrkulacji
•
Ustawienie kalendarza pracy
•
START/STOP
•
Stany awarii
4. Literatura
•
•
•
Recknagel „Poradnik. Ogrzewanie + Klimatyzacja”
„Technika chłodnicza i klimatyzacyjna” nr 8/2006
Katalog firmowy VTS Clima