Автоматизация общеобменной вентиляции

Вентиляция: Обмен воздуха в помещениях для удаления избытков теплоты, влаги, вредных и других веществ с целью обеспечения допустимого микроклимата и качества воздуха в обслуживаемой или рабочей зоне при средней необеспеченности 400 ч/год - при круглосуточной работе и 300 ч/год - при односменной работе в дневное время (СП 60.13330.2012.)

Вентиляция бывает приточной и вытяжной.

Приточная – это вентиляция, при которой осуществляется подача очищенного свежего воздуха заданной температуры и влажности приточными установками и центральными кондиционерами.

Вытяжная – это вентиляция, при которой осуществляется удаление воздух из помещения с помощью вытяжных вентиляторов.

Приток и вытяжка должны быть равны по объему (исключением является противодымная вентиляция – когда на путях эвакуации создается подпор приточного воздуха). Внутри объекта приточный и вытяжной воздух распределяются по неравномерно. Например, в комнате приготовления пищи, в сан узлах, в комнатах сбора мусора баланс должен быть отрицательный (вытяжка больше притока), в чистых помещениях, например, кабинетах, переговорных, в чистых комнатах (микроэлектроника, фармацевтика) – напротив, положительный (приток больше вытяжки). Тогда запахи и пыль не будут распространяться по всем площадям и будут локализованы.

Если неприятные запахи и грязь распространяются по всем помещениям, это значит, что балансовые соотношения нарушены. Чаще всего это происходит по следующим причинам – ошибка при проектировании системы, засорение вентиляционных каналов, неправильная работа системы автоматизации.

Кратность воздухообмена —определяется числом обменов воздуха в помещении за единицу времени. Она равняется отношению объема воздуха, который подается в помещение в единицу времени, к объему помещения. Кратность воздухообмена может быть переменной величиной, она зависит от количества людей в помещении, температуры, влажности и т.п. Управление кратностью должно осуществляться в автоматическом режиме.

Кроме обеспечения комфортных условий в помещениях, автоматизации вентиляционных систем:

Осуществляет контроль и управление работой агрегатов вентиляции, это до минимума сокращает необходимость вмешательства пользователя;
Обеспечивает поиск и индикацию неисправностей оборудования;
Измеряет параметры электрической цепи оборудования, режимов его работы, и в случае их отклонения защищает его от возможных коротких замыканий, перегрузок, перегревов и замерзания. В качестве примера приведено фото разорванного калача калорифера вентиляционной системы, автоматика не обеспечила циркуляцию теплоносителя в ночной период времени;
Осуществляет контроль состояние воздушных фильтров, информирует службу эксплуатации о предстоящем техобслуживании;
Управляет температурой воздуха, влажностью, уровнем загазованности в отдельных помещениях объекта и в целом;
Обеспечивает работы по расписанию: недельный, суточный или циклический режим работы таймером без вмешательства человека;
Позволяет управлять основными возможностями системы вентиляции с единого пульта или удаленно.

Процесс работы не автоматизированной системы вентиляции выглядит следующим образом: в помещение стало душно, оператор поднимает производительность системы вентиляции, в помещении стало холодно, оператор снижает производительность вентиляционной системы. Данный пример не имеет ничего общего с работой современных систем вентиляции, но иллюстрирует основную задачу системы автоматизации, которая должна выполняться – создание комфорта для посетителей здания или обеспечение заданных условий для производства.

Общий алгоритм работы системы. Основные параметры воздуха внутри помещения и на улице постоянно контролируются, измеряется температура воздуха, влажность, наличие в воздухе посторонних газов и примесей, концентрация СО2 и т.д. Данные поступают на микропроцессорный контроллер и анализируются. При выходе значений за определенный интервал (эти значения задаются при настройке системы, они называются «уставка»), контроллер передает управляющий сигнал на запуск исполнительных механизмов, вентиляторов, охладителей, нагревателей, осушителей, срабатывают клапана и заслонки, управляющих сечением воздуховодов и пр. При возвращении значений параметров в заданный диапазон, контроллер отправляет корректирующие сигналы.

Необходимость технического обслуживания определяется по косвенным параметрам, по падению давления или снижению скорости воздушных потоков в воздуховодах, энергопотреблению электрооборудования, сравнению параметров системы со средними для данного режима работы. Информация, выводимая оператору, сообщает о необходимости замены масла в компрессоре, замене фильтров, чистке воздуховодов и т.д.

Автоматика систем вентиляции состоит из следующих элементов:

Датчики и преобразователи;
Регуляторы;
Исполнительные механизмы;
Щиты автоматизации (контроллеры, управляющие контакты).

Датчики и преобразователи

Датчики - это элементы систем автоматизации вентиляции, служащие для получения информации о реальном состоянии регулируемого объекта. С их помощью осуществляется обратная связь системы регулирования с объектом по следующим параметрам: температуре, давлению, влажности и т.д.

Для того, чтобы информация с датчика передавалась системе в виде цифрового кода каждый датчик снабжается преобразователем.

Оптимальные места установки датчиков указываются в прилагаемых к ним инструкциях.

Датчики температуры могут быть для внутреннего и наружного применения; накладными на трубопровод (для контроля температуры поверхности трубопровода) или канальными (для измерения температуры воздуха в воздуховоде). Внутри помещений датчики температуры устанавливаются в нейтральных, относительно источников тепла или холода местах, снаружи здания в местах где датчик будет защищен от ветра или прямого попадания солнечных лучей.

Датчики влажности представляют собой блок с электронным прибором, измеряющим относительную влажность, и преобразующий данные в электронный сигнал. Бывают наружного и внутреннего исполнения. Устанавливаются в местах со стабильными условиями влажности, не допускается установка их вблизи радиаторов отопления, блоков кондиционеров, у источников влаги.

Датчики давления подразделяются на реле давления (механическое измерение перепада давлений и электрическое преобразование) и аналоговые датчики давления (преобразование давления сразу в электрический сигнал, например, с помощью пьезо-элементов). И те, и другие применяются для измерения давление как в одной точке, так и разность давлений в двух точках.

И внешние и внутренние датчики желательно устанавливать по два и более, например, с северной и с южной стороны здания. В современных системах, все внешние климатические датчики объединяют в единую метеостанцию.

Датчики потока измеряют скорость движения жидкости или газа в трубопроводе или воздуховоде. Расход жидкости вычисляется по формуле внутри процессорного блока исходя из разности давлений и других параметров (температуры, сечения трубопровода, плотности).

Исполнительные устройства

Исполнительные устройства следует рассматривать в привязке к управлению приводом.

Это важный элемент в таком процессе как управление вентиляцией, на долю которого выпадает роль осуществления приводной части автоматизации. Эти механизмы могут быть как электрическими, так и гидравлическими.

В качестве исполнительных устройств могут выступать клапаны, заслонки и частотные регуляторы.

Регуляторы

Регуляторы – это один из основных элементов системы автоматики для вентиляции, обеспечивающий управление исполнительными механизмами по показаниям различных датчиков.

По функциональному предназначению эти элементы вентиляционных систем подразделяются на регуляторы скорости и регуляторы температур.

Регуляторы скорости бывают однофазными и трёхфазными (также, как и двигатели). Также они бывают с плавным или ступенчатым регулированием, при этом выбор способа регулирования зависит от мощностей вентиляторов. Наиболее современным и экономичным является способ скорости вращения насосов и вентиляторов с помощью преобразователей частоты (ПЧ). Несмотря на высокую стоимость, ПЧ экономически оправдывают себя уже на двигателях с мощностью более 1 кВт.

Регуляторы температур в зависимости от способа управления бывают пороговыми, управляющие температурой с помощью полностью открытой или полностью закрытой заслонки (пример – автомобильный термостат), и с пропорционально дифференциальным управлением (PID), позволяют плавно управлять температурой в рабочем диапазоне.

Управление регуляторами в системах автоматизации вентиляции осуществляется из щитов управления.

Щиты автоматизации

Работа автоматизированной системы, ее удобство, надежность и безопасность эксплуатации напрямую зависят от алгоритмов управления процессом (специалистов, выполнивших проектирование и наладку), а также от возможностей комплектующих изделий. Алгоритмы реализуются на программном уровне и «зашиваются» в свободно программируемые контроллеры, установленные в щитах автоматизации.

При подключении датчиков к щиту автоматизации учитывают тип сигнала, передаваемого преобразователем (аналоговый, дискретный или пороговый). Аналогично выбираются и модули расширения, управляющие приводами устройств.

Щиты вентсистем бывают силовые, управляющие или совмещенные, если система небольшая. Щиты автоматики для вентиляции обеспечивают:

Включение и выключение системы вентиляции;
Индикацию состояния оборудования;
Защиту от неправильного подключения питающего напряжения и короткого замыкания;
Управление производительностью вентиляционной установки;
Индикацию состояния воздушных фильтров;
Защиту от перегрева электродвигателей;
Защиту калорифера от замерзания;
Поддержку и контроль температуры воздуха на входе вентиляционной установки и в помещении;
Возможность применения временных ручных алгоритмов управления.

Проектирование системы автоматизации вентиляции и кондиционирования

Система автоматизации вентиляции и кондиционирования является одним из наиболее сложных проектов инженерных систем здания.

Это связано с большим количеством точек контроля и исполнительных устройств в системе и учетом нескольких режимов работы системы, включая зимний и летний. Предусматривают:

Автоматическое управление производительностью установок систем вентиляции;
Сблокированную работу двигателей приточно-вытяжных вентиляторов и заслонок на воздухозаборе;
Автоматическую регулировку температуры подающего воздуха;
Автоматическое отключение систем при аварийных ситуациях;
Защиту калориферов от замораживания;
Разные режимы пуска в зависимости от сезона;
Контроль параметров внешней и внутренней среды, и параметров техпроцесса- температур, перепадов давления, влажности и т.п.

Проект разрабатывается по заданию технологов – специалистов, разработчиков проекта вентиляции и кондиционирования. В стандартный комплект чертежей включают:

Общие данные;
Структурные схемы, при необходимости;
Задание на программирование системы;
Функциональные схемы автоматизации для каждой из подсистем – по ним будут собираться щиты автоматизации;
Схемы связи контроллеров системы автоматизации;
Схемы внешних соединений для щитов автоматизации (фактически это таблица соединений);
Схемы связи со смежными системами автоматизации;
Принципиальные электрические схемы щитов автоматизации, двигателей насосов или вентиляторов;
Принципиальные схемы питания щитов автоматизации;
План расположения оборудования и проводок систем автоматизации;
Кабельные журналы;
Монтажные схемы;
Спецификация оборудования и проводок.

Режимы работы системы. Работа в системе автоматизации и диспетчеризации здания

Щит автоматизации системы вентиляции должен обеспечивать работу в следующих режимах:

Ручном. В этом случае управление системой осуществляется вручную.

Автоматическом автономном, с передачей данных в систему диспетчеризации. В этом случае включение и выключение происходит автономно, без учета показаний смежных инженерных систем, при этом уведомления о работе системы передаются диспетчеру.

Автоматический в составе автоматизированной системы управления зданием. При таком режиме работа вентиляции синхронизирована с другими системами жизнеобеспечения здания. Все системы здания, управляемые по разработанным алгоритмам, формируют систему автоматизации и диспетчеризации здания.

Иногда, хитрые интеграторы представляют автоматическую автономную систему как полностью автоматическую. Заказчик узнает об этом, когда начинает получать счета за коммунальные услуги с суммами, выше ожидаемых.

Управление системой осуществляется по протоколам управления здания. Наиболее известные это LonWorks, ModBus, BACnet.

Управление вентиляцией при пожаре

При проектировании систем автоматики вентиляции, учитывают их работу в случае пожара.

Согласно СП 60.13330.2012, для зданий и помещений, оборудованных автоматическими установками пожаротушения или автоматической пожарной сигнализацией, следует предусматривать автоматическое действия электроприемников систем вентиляции:

Отключение при пожаре в помещении или в системе вентиляции, которое может производиться централизованно, прекращая подачу электропитания и обеспечивая закрытие противопожарных клапанов на распределительные щиты систем вентиляции, или индивидуально для каждой системы с целью предотвращения распространения огня по воздуховодам и остановки притока кислорода к пламени;
Включения систем противодымной вентиляции на путях эвакуации и в зонах безопасности, или противодымной вентиляции в помещении, где произошел пожар, в зависимости от проектных решений;
Включения систем для удаления газа и дыма после пожара.