Автоматизация систем кондиционирования воздуха

Кондиционирование воздуха: Автоматическое поддержание в закрытых помещениях всех или отдельных параметров воздуха (температуры, относительной влажности, чистоты, скорости движения и качества) с целью обеспечения, как правило, оптимальных метеорологических условий, наиболее благоприятных для самочувствия людей, ведения технологического процесса, обеспечения сохранности ценностей (СП 60.13330.2012).

Системы кондиционирования делятся на три основные группы:

Сплит-система. Это система кондиционирования воздуха, состоящая из двух блоков: внешнего (компрессорно-конденсаторного агрегата) и внутреннего (испарительного). Принцип работы системы основан на удалении тепла из кондиционируемого помещения и переносе его на улицу. Сплит-система, как и любая система кондиционирования работает на тех же физических принципах, что и бытовой холодильник.

Центральные системы кондиционирования, совмещенные с системами вентиляции. Основной задачей таких систем является поддержание соответствующих параметров воздушной среды: температуры, относительной влажности, чистоты и подвижности воздуха во всех помещениях объекта с помощью одной или нескольких технологических установок, за счет распределения потоков с помощью системы трубопроводов.

При этом правильный состав воздуха поддерживается больше вентиляцией, чем кондиционированием. Приточная вентиляция отвечает за приток свежего воздуха, вытяжная - за вытяжку вредных примесей.

Приточная установка служит для обработки воздуха и подачи его в обслуживаемые помещения. Под обработкой воздуха понимается его очистка от пыли и других загрязнений, охлаждение, нагрев, осушение или увлажнение.

Мультизонные системы. Их применяют для объектов с большим количеством помещений, где есть необходимость в индивидуальном регулировании температуры воздуха и особые требования по комфортности помещений, например, помещения серверных или технологического оборудования, требующего большого теплоотвода. Конструктивно мультизональная система состоит из одного или нескольких наружных блоков, соединенных хладоновыми трубопроводами, электрическими кабелями питания и управления с необходимым числом внутренних блоков настенного, напольно-потолочного, кассетного и канального исполнения.

Наиболее распространенными мультизонными системами являются чиллеры, фанкойлы, центральные кондиционеры.

Система автоматизации позволяет системе кондиционирования обеспечить необходимые, порой существенно различающиеся, параметры в помещениях, при этом не допуская перерасхода электроэнергии (VRV и VRF системы).

Возможная ошибка при проектировании: Не разделять северный и южный контуры отопления и кондиционирования в больших зданиях. В результате, одна половина работников находится в комфорте, а вторая либо замерзает, либо перегревается.

Составные части системы

Управление системой центрального кондиционирования, совмещенной с системой вентиляции, можно декомпозировать на управление следующими частями:

Блок охлаждения входящего потока, который контактирует с теплообменником (испарителем) на воде или фреоне. Предполагается управление агрегатами чиллера и компрессорно-конденсатным узлом;
Блок нагрева входящего потока. Система кондиционирования обратима, в зимний период, процесс «разворачивается» и холод начинает перекачиваться из помещения на улицу;
Вентиляторный блок притока (вытяжки) наружного воздуха. Возможно управление вентиляторами с помощью преобразователей частоты (экономично), либо управление геометрией сечения воздуховодов;
Блоки осушения или увлажнения потока, который насыщает воздух водяными парами или удаляет избыток влаги из вентиляции. С помощью этого блока можно контролировать уровень влажности воздуха как в отдельно взятом помещении, так и во всем строении в целом;
Блок осушения с датчиками
Фильтрующий блок, который очищает приточный поток от пыли, насекомых и прочих загрязнителей. При этом помимо фильтров и абсорбирующих кассет в состав этого блока входят и поглотители шума, обеспечивающие практически беззвучную эксплуатацию системы. Сам блок не требует управления, но уровень загрязнения фильтров существенно влияет на производительность и КПД системы, поэтому состояние фильтров постоянно контролируется;
Блок рекуперации потоков, который отвечает за подогрев приточного воздуха энергией вытяжного потока. Управление соотношением расходов входящего и исходящего потока в рекуператоре;
Сеть приточных и вытяжных воздуховодов, доставляющих подготовленные потоки в помещения. Производится автоматическое управление геометрией сечения трубопроводов и балансировка распределения мощности, в зависимости от параметров среды в помещениях.

В мультизонных системах кондиционирования управляют режимами работы наружного (центрального) блока, режимами работы каждого из внутренних блоков, распределением холодильной мощности по контурам. В этих системах каждый внутренний блок оснащается электронным терморегулирующим вентилем, который регулирует объем поступающего хладагента из общего контура в зависимости от тепловой нагрузки на этот блок. В результате, система лучше, чем обычные бытовые сплит-системы, поддерживает заданную температуру.

Какими параметрами можно управлять

Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха позволяет им выполнять следующие функции:

Регулировать температуру и влажность воздуха, поступающего в систему подающих каналов;
Поддерживать параметры воздуха в пределах санитарных норм с помощью нескольких инструментов управления;
Переключать системы кондиционирования и вентиляции на энергосберегающие режимы работы в часы пониженных нагрузок;
При необходимости, переводить системы в нестандартные и аварийные режимы функционирования;
Отображение технологических параметров отдельных узлов системы вентиляции на локальных пультах управления;
Извещать оператора при отказе или выходе параметров отдельных устройств и агрегатов за уставки, а также в случае, если какие-либо узлы системы вентиляции находятся в рабочем состоянии, хотя по регламенту они должны быть выключенными.

Технические средства автоматизации систем вентиляции и систем кондиционирования воздуха включают в себя:

Первичные преобразователи (датчики);
Вторичные приборы;
Автоматические регуляторы и управляющие вычислительные машины;
Исполнительные механизмы и регулирующие органы;
Электротехническую аппаратуру управления электроприводами.

Параметры работы устройств и показания датчиков, наблюдение за которыми необходимо для правильной и экономичной работы системы, отображаются на местных щитах управления и на пультах системы диспетчеризации. Контроль промежуточных параметров может быть выведен на монитор автоматически, при выходе из заданного диапазона, или через вложенные меню по каждой из подсистем.

Приточные системы вентиляции оснащают приборами для измерения:

Температуры воздуха в обслуживаемых помещениях, на улице, и в промежуточных точках;
Температуры и давления воды (пара или хладагента) до и после воздухонагревателей (кондиционеров), компрессоров, циркуляционных насосов, теплообменников и в других критических точках технологического процесса;
Перепады давления воздуха на фильтрах вентиляционных установок;
Энергетические параметры агрегатов системы.

Установки кондиционирования воздуха дополнительно оснащают приборами для измерения давления и температуры холодной воды или рассола от холодильной станции, а также приборами температуры и влажности по ходу обработки воздуха.

В системе центрального кондиционирования управление температурой в помещении осуществляется с помощью изменения кратности воздухообмена (температура приточного воздуха устанавливается для системы в целом). В мультизонных системах, можно более точно устанавливать температуру для каждого из помещений, за счет изменения режима внутренних блоков с хладагентом, или теплоносителем (доводчики).

Датчики

В системе кондиционирования применяются следующие виды датчиков:

Датчики контроля температуры приточного воздуха и воздуха внутри помещения;
Датчики контроля концентрации в воздухе помещений углекислого газа СО2;
Датчики контроля влажности воздуха;
Датчики контроля состояния и работы оборудования (давления и скорости воздушного потока в воздуховодах, температурные, датчики давления или протока для устройств с циркулирующей по трубопроводам жидкостью и т.д.).

Выходные сигналы с датчиков поступают в шкаф управления для анализа полученных данных и выбора соответствующего алгоритма работы системы кондиционирования.

Терморегуляторы

Терморегуляторы являются элементом управления системы и бывают механическими и электронными. С помощью терморегулятора пользователь может устанавливать условия, которые он считает комфортными

Механические терморегуляторы. Они состоят из термической головки (чувствительного элемента) и клапана. При изменении температуры воздуха в охлаждаемом помещении чувствительный элемент реагирует на это и перемещает шток клапана регулятора. Таким изменением хода осуществляется регулирование подачи холодного воздуха.

Электронные терморегуляторы. Это автоматические устройства, пульты управления, которые обеспечивают поддержание заданной температуры в помещении. В системе охлаждения воздуха они автоматически управляют внутренним блоком (изменяя расход хладагента или частоту вращения вентилятора), целью их работы является созданием в помещении температурного режима, заданного пользователем.

Механический и электронный воздушные терморегуляторы отличаются только способом задания температуры. Механизм управления температурой у них идентичен – по сигналу, передаваемому по кабельной линии. В этом их отличие от регуляторов на радиаторных батареях.

Приводы исполнительных устройства

К исполнительным устройствам системы кондиционирования - воздушным клапанам и заслонкам, вентиляторам, насосам, компрессорам, а также калориферам, охладителям и т.д. подключаются электро- или пневмоприводы, через которые и осуществляется управление системой. Они позволяют:

Ступенчато или плавно (при применении преобразователей частоты) регулировать скорость вращения вентиляторов;
Управлять состоянием воздушных клапанов и заслонок;
Регулируется производительность канальных нагревателей и охладителей;
Регулировать производительность циркуляционных насосов;
Осуществляется управление увлажнителями и осушителями воздуха и т.д.

Анализ сигналов с датчиков, выбор алгоритма работы, передача команды на привод и контроль выполнения команды происходит в контроллерах и серверах системы автоматизации.

Управление электродвигателями компрессоров, насосов и вентиляторов, в особенности мощностью более 1 кВт, наиболее экономично выполнять с помощь преобразователей частоты. На рисунке показан возможный экономический эффект от применения ПЧ в системах кондиционирования.

Щиты автоматизации системы кондиционирования

Щиты автоматизации являются средством, предназначенным для управления системой кондиционирования и вентиляции. Основным элементом щита управления является микропроцессорный контроллер. Контроллеры систем автоматики, выпускаются свободно программируемыми, что позволяет их использовать в системах разного масштаба и назначения.

При подключении датчиков к щиту автоматизации системы кондиционирования учитывают тип сигнала, передаваемого преобразователем - аналоговый, дискретный или пороговый. Модули расширения, управляющие приводами устройств, выбирают с учетом вида управляющего сигнала и протокола управления.

После программирования контроллер выводит систему на заданные параметры и временной цикл работы, далее система может функционировать, в полностью автоматическом режиме осуществляется:

Анализ полученных от датчиков показаний, обработка данных и внесение в работу оборудования корректировок для поддержания заданных параметров среды внутри в помещении;
Вывод информации о системе опратору;
Слежение за работой и состоянием оборудования кондиционирования с выводом информации на индикационные табло;
Защиты оборудования от короткого замыкания, перегрева, избегания неправильных режимов работы, и т.п.;
Контроль своевременной замены фильтров и прохождения техобслуживания.

Проектирование системы автоматизации кондиционирования

Проект автоматизации систем кондиционирования выполняется с учетом технологических требований специалистов-проектировщиков ОВ:

Автоматизации подлежат холодильные машины, циркуляционные насосы, двух- и трех-ходовые клапаны, другое оборудование;
Учитываются летний, зимний, переходный, аварийный режимы работы систем;
Предусматривается синхронизация работы холодильных машин, циркуляционных насосов клапанов;
Предусматривают переключение основного и резервного насосов, для равномерного расходования ресурса;
Предусматривают передачу информации в систему диспетчеризации здания и реакции при получении тревожного сигнала от системы пожарной сигнализации.

Типичный состав проекта автоматизации системы кондиционирования содержит листы:

Общие данные;
Структурные схемы, при необходимости;
Задание на программирование системы;
Функциональные схемы автоматизации для каждой из холодильных станций;
Схемы связи контроллеров системы автоматизации;
Схемы внешних соединений для щитов автоматизации (фактически это таблица соединений);
Схемы соединений со смежными системами автоматизации;
Принципиальные электрические схемы щитов автоматизации, двигателей насосов, управления клапанами;
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

Щиты управления могут работать в трех основных режимах управления:

Ручной режим. Используя пульт, подключенный к щиту автоматизации, он может быть размещен непосредственно на щите, или это могут быть кнопки включения/выключения режимов. Оператор вручную, непосредственно на щите, или удаленно выбирает режим работы системы в зависимости от параметров среды помещения.

Автоматический автономный режим. В этом случае включение, выключение, выбор режима работы системы происходит автономно, без учета данных других климатических систем, с уведомлением об этом диспетчерской системы.

Автоматический режим с учетом алгоритмов системы управления зданием. При таком режиме работа отопления синхронизирована с другими системами жизнеобеспечения здания. Подробнее об интеграции систем автоматизации.