|
|
Одна из задач практической
автоматизации систем — обоснованный выбор способов управления каждым
элементом систем. Для этого требуется обосновать, с каких позиций нужно
оценивать способы управления и какие наиболее существенные ограничения
накладывают на тот или иной способ. Эти вопросы пока не нашли достаточного
отражения в литературе. Ниже описывается, какими способами можно поддержать
заданные параметры состояния и состава воздуха, какие преимущества и недостатки
они имеют. Рассматриваются возможности управления поверхностными и
контактными аппаратами систем, особенности, которые имеет каждый способ
управления; описываются способы управления производительностью вентиляторов.
На основе этих данных выбирают способы управления при составлении
функциональных схем автоматического регулирования.
5.1. Методы стабилизации параметров состояния и состава
воздушной среды помещений
Рассмотрим известные соотношения, связывающие возможные
регулируемые параметры состояния и состава воздушной среды помещения с
возмущающими и управляющими воздействиями.
Таким образом, в соответствии с известными положениями
теории подаваемый в помещение приточный воздух ассимилирует тепловую и
влажностную нагрузки помещения; разность механического притока и вытяжки
обепечивает необходимый подпор в помещении. Подача наружного воздуха решает
ряд задач: обеспечение заданной концентрации вредного вещества в воздухе
помещения; выполнение санитарной нормы наружного воздуха; компенсацию местных
отсосов и обеспечение подпора (разрежения); рациональное использование
термодинамического потенциала наружного воздуха.
Уравнения (5.1)—(5.4) описывают установившееся состояние в
замкнутой системе регулирования. Структура уравнений (5.1), (5.2) и (5.4)
идентична. Первым слагаемым является заданное значение регулируемого
параметра, вторым — значение этого параметра на входе, а третьим — изменение
параметра в процессе ассимиляции нагрузки воздухом. В соответствии с
уравнениями (5.1), (5.2) для стабилизации заданного термодинамического
состояния воздуха, т. е. двух простых и независимых параметров (/в, dB),
можно использовать в общем случае три управляющих воздействия—- /пр» dnv и
GB. Особенности применения каждого определяются исходными условиями,
ограничениями, накладываемыми на систему, и экономическими соображениями.
Выбор того или иного управляющего воздействия зависит от диапазона изменения
тепловой, влажностной и газовой нагрузок. Так как расход приточного воздуха
входит в уравнения для обоих параметров термодинамического состояния, то
изменение расхода влияет одновременно на оба параметра. Если в одном контуре,
например контуре стабилизации температуры воздуха, расход воздуха является
управляющим воздействием, то в другом контуре (стабилизации влагосодержания)
расход воздуха становится еще одним возмущающим воздействием. Таким образом,
при использовании переменного расхода воздуха контуры регулирования являются
взаимосвязанными. Эта связь является односторонней, так как один контур
влияет на другой, тогда как второй может не влиять на первый. Необходимый
подпор в помещении как заданный аэродинамический параметр обеспечивается
разностью механического притока и вытяжки. Если система в определенном режиме
работает при максимуме наружного воздуха, то подпор обеспечивается введением
нужного количества наружного воздуха и выбросом в атмосферу меньшего (или
большего). В общем случае подпор по отношению к внешней среде должен быть
переменным, так как зависит от переменных по направлению и скорости ветра и
температуры наружного воздуха. Система автоматической стабилизации давления
по отношению к внешней среде, учитывающая переменность воздействий,
практически не применяется. Необходимый подпор обеспечивают постоянством
разности Lnp — LBUT вне зависимости от характера воздействий. При таком
решении перерасходуют наружный воздух, что может влиять на расходы теплоты и
холода.
Концентрация вредного вещества в виде пара или аэрозоля
может стабилизироваться только одним управляющим воздействием — расходом
наружного воздуха. Концентрация вредного вещества в наружном воздухе может
быть нулевой, постоянной или переменной, но при всех вариантах неуправляемой.
При изменении концентрации в атмосфере эта J величина становится еще одним
возмущающим воздействием.
В самом общем случае в помещении может быть переменной и
независимой как тепловая и влажностная, так и газовая нагрузки помещения.
Кроме того, изменяются внешние воздействия на помещение: температура воздуха
и скорость ветра. В этих условиях требуется целенаправленно и независимо
изменять расход приточного воздуха, один из двух термодинамических параметров
(tnv или dnT), заданную разность расходов Lpp — LBbIr и расход наружного
воздуха. Если такие условия создаются в ряде помещений, обслуживаемых одной
системой, то их обеспечение требует специальных решений и оборудования.
Например, чтобы иметь возможность независимо управлять расходами наружного и
приточного воздуха, в системе требуется предусматривать два кондиционера (или
приточные камеры). Один кондиционер должен работать только на наружном
воздухе, другой — только на рециркуляционном. Для подачи воздуха в каждое
помещение из двух каналов требуются двухканальные смесители.
Анализ составляющих нагрузок разных видов показывает, что
рассмотренный общий случай на практике встречается весьма редко. Чаще
встречаются более простые сочетания видов нагрузки. Так, во многих
кондиционируемых помещениях переменна тепловая нагрузка, влажностная нагрузка
относительно постоянна, а газовая — требует некоторого минимального расхода
наружного воздуха. В других объектах газовая нагрузка определяет общий
воздухообмен (равный расходу наружного воздуха), а изменение газовой нагрузки
позволяет изменять производительность системы.
В зависимости от способа стабилизации одного из двух
заданных термодинамических параметров воздуха (t3 или d3) различают системы с
постоянным или переменным расходом воздуха [31, 32],
Рассмотрим случай, когда управляющее воздействие — расход
приточного воздуха (сплошные линии на 5.1). Расход удаляемого воздуха тоже
изменяют с учетом расхода приточного воздуха и ряда требований. Линия
зависимости GB = f (Q) есть прямая, соединяющая точку 1 (Q = 1; GB = 1) с
началом координат. Однако изменение расхода приточного воздуха ограничено
некоторой величиной GBmin. Среди факторов, определяющих минимальный расход GB
mln, есть такие, как минимальный расход наружного воздуха, ограничение
системы воздухораспределения, ограничение по изменению параметров в помещении
и ряд других. Все они специально сисешатизированы в книгах [31, 32]. В силу
ограничений при Q <GB mln расход приточного воздуха не меняют, а оставляют
постоянным. Управляющим воздействием становится температура приточного
воздуха (штриховые линии на 5.1). Таким образом, система управления
становится смешанной, с двумя последовательными управляющими воздействиями:
расходом и температурой приточного воздуха.
Рассмотрим, как зависят мгновенные расходы теплоты,
холода, электроэнергии и воды от вида управляющего воздействия. Эти
зависимости поясняет 5.1, б. Пусть в системе стабилизации температуры при
снижении тепловой нагрузки по сравнению с расчетной повышается температура
приточного воздуха. Очевидно, для этого потребуется дополнительная теплота на
нагревание воздуха в режимах, где по термодинамическому состоянию наружного
воздуха нагревание не требуется. Дополнительный расход теплоты оказывается
тем большим, чем сильнее снижается нагрузка помещения. Расход холода (если он
требуется), расход влаги на увлажнение воздуха, расход электроэнергии на
привод вентиляторов и насоса остаются постоянными, независимо от величины
нагрузки помещения Q (штриховые линии Qlf Qx, Gw, N на 5.1, б).
Рассмотрим случай, когда в системе стабилизации при
снижении тепловой нагрузки снижают расход приточного и удаляемого воздуха и
расход воды, подаваемой насосом в оросительную камеру. При таком способе
управления теплота на второй подогрев не потребуется вплоть до Q GBmln.
Расход холода будет снижаться при уменьшении Q, линейно будет уменьшаться
расход влаги GBJ1. Расход электроэнергии N на привод вентиляторов и насоса
будет снижаться нелинейно. Если группа вентиляторов одной системы управляется
последовательным отключением, то относительная мощность изменяется
ступенчато. Расходы QT, Qx, Gw и N в зависимости от нагрузки Q показаны на
5.1, б.
В результате проведенного анализа становятся очевидны
основные преимущества систем переменного расхода. При более подробном
рассмотрении вопроса оказывается [31, 32], что изменяются не только
мгновенные и годовые расходы, но в некоторых случаях и расчетные расходы.
Например, может резко сокращаться расчетный расход теплоты на нагревание, так
как при максимальном коэф
фициенте эффективности процесса расход нагреваемого
воздуха оказывается минимальным. Могут сокращаться капитальные затраты на
отдельные элементы, а также на всю систему. Например, при несовпадении
максимумов тепловой нагрузки (за счет солнечной радиации) в разных
помещениях, обслуживаемых одной системой, удается «перебрасывать» воздух из
помещения в помещение и поэтому обоснованно снижать расчетную тепловую
нагрузку всех помещений (не сумма максимумов, а максимум суммы).
Функциональные схемы стабилизации температуры в помещении
показаны на 5.2 и 1.2. При использовании температуры приточного воздуха как
управляющего воздействия в однозональной системе устанавливают
воздухонагреватель второго подогрева, а в многозональной системе — местные
(зональные) воздухонагреватели. При использовании расходов приточного и
удаляемого воздуха как управляющего воздействия в однозональной системе
изменяют производительность вентиляторов (см. 1.2), а в многозональной —
воздушными клапанами изменяют расходы приточного и удаляемого воздуха в зонах
( 5.2). Эти расходы могут быть
равны, если не требуется подпор и нет местных отсосов и
утечек. В системах постоянной производительности требуется стабилизация
давления теплоносителя — воды в подающем и обратном трубопроводах, а в
многозональных системах переменной производительности — стабилизация давления
в приточном и вытяжном воздуховодах
При использовании переменного расхода воздуха как
управляющего воздействия изменяются некоторые методы проектирования систем,
расчета отдельных процессов и методы регулирования [32]. Самое главное, что в
систему «вносится» переменный расход воздуха, влияющий на все элементы
систем. Изменяются представления о расчетных условиях для некоторых
элементов. Расход воздуха является не только управляющим воздействием в одном
контуре, но и возмущающим воздействием в другом контуре. Требуется
пересматривать некоторые методы управления оборудованием в системах
переменного расхода. Постоянство расхода наружного воздуха в таких системах
можно обеспечить специальными мерами. Может потребоваться синхронизация
управлением расходами воды и воздуха. Переменность расхода воздуха может
приближать опасность аварийных ситуаций (замерзания теплоносителя в
воздухонагрева
теле первого подогрева). Исходя из экономических соображений
и учитывая возможные ограничения, с помощью переменного расхода воздуха
следует управлять тем параметром состояния воздуха, нагрузка для которого
изменяется сильнее. Во многих случаях тепловая нагрузка изменяется сильнее
влажностной, поэтому с помощью расхода воздуха полезно стабилизировать
температуру воздуха в помещении.
Переменность газовой нагрузки характерна для многих
вентилируемых объектов. Стабилизация концентрации вредного вещества в воздухе
применяется на практике весьма редко. Обычно количество наружного воздуха,
подаваемого в помещение, не изменяют при любом уровне выделения вредности.
Такое решение приводит к перерасходам теплоты, холода и электроэнергии.
Необходимость стабилизации концентрации путем управления расходами наружного
воздуха рассматривается в работах И. Н. Паутиной. Схема управления во многом
идентична показанной на 5.2, с той разницей, что вместо первичных
преобразователей и регуляторов температуры применяют датчики и регуляторы
концентрации, а вместо расхода приточного воздуха управляют расходом
наружного воз- Духа.
|