Автоматизация систем кондиционирования воздуха и вентиляции

Раздел: Кондиционирование

Рассмотрим последовательно основные разновидности систем регулирования, сложившиеся в силу особенностей исходных данных разных объектов.

По виду регулируемого параметра в помещениях или характерных точках системы различают температуру, относительную влажность или влагосодержание, расход, разность давлений, концентрацию вредного вещества. Уравнения, связывающие регулируемый параметр с управляющими и возмущающими воздействиями, приведены в п. 5.1. Регулируемый параметр состояния или состава воздуха определяется значением параметра на входе в помещение, соответствующей нагрузкой помещения как возмущающим воздействием и расходом приточного или наружного воздуха. Подчеркнем важность стабилизации простых и абсолютных параметров термодинамического состояния воздуха. Часто стремятся стабилизировать относительную влажность воздуха, но для этого параметра не существует балансового уравнения. Изменение относительной влажности воздуха происходит как при изменении тепловой, так и при изменении влажностной нагрузки помещения. При возрастании нагрузки температура возрастает (пусть на 1 °С), а относительная влажность уменьшается ^примерно на 3 %). В этих условиях могут работать термо- либо Влагорегулятор. Воздействия каждого из них (на примере терморегулятора) можно оценить сигналом на выходе регулятора с коэффициентом передачи /Ср, зоной нечувствительности At3,a при коэффициенте передачи первичного преобразователя (датчика) /Сд, его постоянной времени Тд и линейном изменении температуры в объекте со скоростью dtjdx по уравнению

Параметры термодинамического состояния по гигиеническим требованиям принимаются по ГОСТ 12.1.005—76. Технологические требования к параметрам приводятся в отраслевых нормах проектирования и систематизированы в  7.1 справочника [34]. Концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны также приводится в ГОСТе. Параметры воздуха в характерных точках системы определяются после построения процессов обработки воздуха в I—d- диаграмме.

По величине нормируемого отклонения параметра системы автоматического регулирования можно разделить на системы обычной точности и особоточные (иначе прецизионные). Следует различать статическое отклонение 6С1 (в установившемся процессе) и динамическое отклонение Лтн как амплитуду отклонения в колебательном переходном процессе. При одинаковом отклонении технологического параметра (например, длины детали) статическое и динамическое отклонения (например, температуры воздуха) не равны. Они сближаются при уменьшении инерционности детали (ее постоянной времени Т) и увеличении периода колебаний тп. При отношении 77тп < < 0,07 можно полагать допустимое статическое и динамическое отклонения параметра практически одинаковыми. Заметим, что в замкнутой САР обычно генерируются колебания сравнительно высокой частоты, иначе малого периода. Поэтому указанное неравенство справедливо только для микроскопических объектов. В остальных случаях уже при 77тп > 0,3 динамическое отклонение больше статического и определяется из соотношения

Обратим внимание, что нормирование статических и динамических Отклонений параметров воздуха в помещении является ключом к решению таких основополагающих задач:

1) выбор закона регулирования в системе управления;

2)        методика нормирования наружных расчетных параметров для систем кондиционирования и вентиляции (см. п. 4.9);

3)        определение расчетной тепловой нагрузки помещения с учетом ее стохастического (п. 4.10) и периодического [31, 32] характера изменения.

Нормы проектирования (п. 4.5 СНиП II-33—75) регламентируют статическое отклонение температуры и относительной влажности (i 1° С, ±7 %) при отсутствии специальных технологических требований. Эти отклонения можно полагать в первом приближении соответствующими как гигиеническим требованиям, так и возможностям серийной отечественной аппаратуры автоматизации. Методика определения отклонений описана в п. 2.3 и 2.4.

Граница между обычной и высокой точностью стабилизации параметра переменна и зависит от технического уровня средств автоматизации. Серийные терморегуляторы могут обеспечить статическую точность до 0,8—1,0°С, влагорегуляторы не подлежат государственной поверке и поэтому их метрологические характеристики неизвестны. Накопленные в разных отраслях данные позволяют сделать вывод, что допустимая статическая ошибка может потребовать применения прецизионных (особоточных) систем: по температуре — для оптики, точного приборо- и станкостроения, по относительной влажности — в текстильной промышленности, на заводах химического волокна, в полиграфической промышленности. Для концентрации аэрозолей как регулируемого параметра состава воздушной среды требуется обеспечить несколько десятков пылинок в литре воздуха.

Рассмотрим, каким путем можно поддерживать температуру с малым отклонением. Таких путей несколько. Один из них связан с применением специально изготовленных первичных преобразователей высокой чувствительности. Так, в конструкции, использованной В. В. Ловцовым, регулятор температуры высокой чувствительности имеет первичный преобразователь в виде тонкой медной длинной калиброванной проволоки, намотанной бифиллярно и с шагом на каркас. Большая длина и малое сечение обеспечивают большое начальное сопротивление и высокую чувствительность датчика (Ом/°С). Другой способ основан на использовании специального регулятора с весьма большим коэффициентом передачи (/(р = 106). На этом принципе основаны особоточные системы в грузовых отсеках транспортных судов, перевозящих скоропортящиеся грузы (например, бананы).

Оригинальный принцип создания малых отклонений температуры в термочувствительных деталях был предложен в 1947 г. П. В. Участкиным. Позднее он был исследован, описан и применен на некоторых предприятиях Ленинграда В. В. Ловцовым и Ю. Н. Хомутецким. Суть его кратко сводится к следующему: при малых периодах (тп = 0,14-0,3 ч) специально генерируемых колебаний допустимые для детали амплитуды колебания температуры воздуха во много раз превышают допустимое статическое отклонение и поэтому их легче поддерживать.

Для определения расхода воздуха Lnp (м3/ч) при выбранной разности средних за период температур Л^.ср = ^yx.CD — tup ср и Известных избытках теплоты Qil)M требуется определить общую теплоемкость всех ограждений помещения Споч = yiFlblclАпов (где — коэффициент, учитывающий поглощение теплоты ограждением; vnoB — затухание температурных колебаний при переходе от воздуха к поверхности).

Более подробные сведения о таком способе создания* малых отклонений размеров детали можно найти в специальной литературе.

По способу поддержания параметра различают прямое и косвенное поддержание. При прямом поддержании первичный преобразователь измеряет заданный параметр и в заданной точке системы В некоторых случаях применяют косвенное поддержание параметра, вместо одного параметра поддерживают другой и в другой точке системы Характерный пример, в ряде случаев вместо поддержания Относительной влажности воздуха в помещении допустимо стабилизировать температуру приточного воздуха. Такое решение появилось

тогда, когда промышленность серийно не выпускала регуляторы относительной влажности. Покажем, в каких случаях допустимо косвенное поддержание относительной влажности. Рассмотрим процесс ассимиляции теплоты и влаги в помещении в /—^-диаграмме ( 1.5). Температура в помещении стабилизируется. Поэтому относительная влажность будет зависеть от влагосодержания воздуха dB в помещении и атмосферного давления. Изменением относительной влажности фв при изменении атмосферного давления на ±3% можно пренебречь.

Таким образом, остается рассмотреть, какими факторами вызвано изменение влагосодержания в помещении, для которого справедливо уравнение: dB = dnp + GBJGB. Если стабилизируется температура tK и сохраняется неизменной относительная влажность воздуха фк, то остается постоянным влагосодержание ^пр = ^к- Постоянство dB при косвенном поддержании относительной влажности обеспечивается при условии GBJGB — const. Если это отношение переменно, то при косвенном поддержании относительная влажность постоянной не будет. Например, если GBJI увеличится, то увеличится отношение GBJllGB, возрастет dB, состояние воздуха в помещении будет соответствовать точке Въ

Параметр может быть задан интервалом значений, при этом выбор того «ли иного значения производят, сообразуясь с состоянием наружного воз- Духа с целью минимизации расходов теплоты, холода, воды и .электроэнергии [15, 28]. Из  1.6 видно, что функции стабилизации подсистема регулирования выполняет, так как установившееся отклонение температуры не превышает заданное. Заметные .Динамические отклонения связаны с сильным изменением тепловой нагрузки. Подсистема программного регулирования находит Применение по требованиям технологического процесса или гигиеническим требованиям. Например, в оптической промышленности .охлаждение зеркала телескопа во избежание появления внутренних напряжений и трещин (скорость такого охлаждения очень Щла, что требует медленного снижения температуры окружающего воздуха). В камерах испытания приборов, камерах имитации внешней среды для растений (эти камеры называются фитотронами) и в других аналогичных случаях требуется изменять по заданному закону во времени температуру воздуха, его относительную влажность, а также имитировать ветер, дождь, солнечную радиацию. В последнее время в специальных камерах (климатронах) по такой методике начинают испытывать квартиры жилых зданий типовой застройки. Меняя условия моделируемой внешней среды, исследуют особенности формирования и закономерности изменения микроклимата в жилых помещениях, меры солнцезащиты, эффективность естественной и механической вентиляции.

Характерный случай программного регулирования температуры пояснен  1.6. Для создания теплового комфорта в жарких районах страны и исключения переохлаждения человека при переходе с улицы в помещение температура воздуха в последнем должна меняться в зависимости от наружной. По данным гигиенических исследований, при кратковременном пребывании человека в помещении температуру в помещении рекомендуется изменять примерно на 0,4 °С на каждый градус изменения температуры наружного воздуха.

Программа изменения параметра во времени задается на специальный, вращающийся с определенной скоростью барабан (задающее устройство). Если задается зависимость одного параметра от другого параметра, например tB = f (£нар), то измеряют tpap и это значение с некоторым коэффициентом пропорциональности вводят в задающее устройство.

Системы динамического микроклимата обеспечивают периодическое (близкое к гармоническому) изменение одного из параметров воздушной среды (температуры или подвижности). В гигиеническом отношении это целесообразно в ряде случаев, особенно при монотонном (напряженном, малоподвижном, однообразном) труде современного человека (линии сборки, конвейер в электронике, оптике, приборостроении, радиопромышленности, швейной промышленности и др.). Начало этим исследованиям положено недавно, хотя упоминания о полезности динамического микроклимата встречаются в ранних гигиенических публикациях. На основании проведенных во ВНИИ Охраны труда исследований определен диапазон изменения температур А^втах = 1 —3 °С и соответствующих периодов тп = — 3-М ч (см.  1.6).

При динамическом температурном режиме число регулируемых параметров увеличивается ср; At в; тп; фв, форма кривой изменения) и превышает число управляющих воздействий. Поэтому «лишние» параметры обеспечиваются специальным расчетом. Система имеет дополнительный контур генерирования температурных колебаний. Особенности проектирования и расчета элементов СКВ, создающих динамический температурный режим, разработаны на основе исследований В.-И. Лысева [35].

По характеру функциональной зависимости регулируемого параметра от возмущающего воздействия (иначе нагрузки объекта) различают следующие системы: системы статического (пропорционального регулирования), в которых регулируемый параметр изменяется пропорционально возмущающему воздействию. Такие системы

применяют в объектах, где допустимо сравнительно большое откло- нение параметра (вентилируемые объекты, объекты с комфортным кондиционированием); системы астатические, в которых регулируемый параметр остается неизменным при изменении возмущающего воздействия. Такие системы применяют в том случае, когда задано малое статическое отклонение параметра, например при технологи, ческом кондиционировании. Эти системы реализуются на основе двух- и трехпозиционных, а также изодромных регуляторов.

При необходимости последовательного управления несколькими исполнительными механизмами пропорциональное регулирование, основанное на введении обратной связи от исполнительного механизма (ИМ) в схему измерения, оказывается неприменимым.

Системы регулирования могут использовать принцип отклонения или принцип возмущения.

Системы регулирования параметров в СКВ обычно используют принцип отклонения параметра: фактическое значение, измеряемое чувствительным элементом и преобразованное в сигнал, сравнивается с заданным значением и разница между ними (сигнал рассогласования) преобразуется в регуляторе в управляющее воздействие. Принцип отклонения параметра получил преимущественное распространение в системах регулирования СКВ. В некоторых случаях, например при создании теплового комфорта человеку в условиях значительного облучения рабочего места (интенсивность лучистой теплоты qR > 500 Вт/м2), особенно при его быстром и сильном изменении, традиционное регулирование по отклонению температуры может не обеспечить комфорт. Постоянная температура может не соответствовать условиям комфорта при переменном облучении, что видно из графика  1.7, построенного по данным ВНИИ Охраны труда для труда средней тяжести при относительном времени облучения 0,25. В переходном процессе при быстроизменяю- щейся лучистой нагрузке регулирование может «не успевать» за изменением нагрузки. Уровень температуры должен выбираться с учетом продолжительности облучения, его интенсивности и скорости на рабочем месте (последняя в одних случаях может оставаться неизменной, а в других — изменяться). Если скорость воздуха на рабочем месте использовать как управляющее воздействие, изменяя ее пропорционально интенсивности лучистой теплоты, то, как следует из  1.7, по положению штриховых линий, температура воздуха может сохраняться практически постоянной.

В ряде случаев полезно использовать регулирование по возмущению (а. с. 637595, СССР), если комфорт определяется прежде всего

значительным и переменным потоком лучистой теплоты [24]. Измеряемой величиной может быть интенсивность солнечного облучения или искусственного освещения. Такое регулирование может оказаться эффективным при создании оптимальных или допустимых условий при душировании рабочих мест в горячих цехах, кино- и телесъемочных павильонах и других аналогичных объектах. При наличии доминантной (преобладающей) составляющей тепловой нагрузки можно использовать регулирование по отклонению с коррекцией по нагрузке. Например, в промышленных зданиях это может быть теплота, выделяемая технологическим оборудованием, в зрелищных объектах — количество людей. Для применения такого

регулирования требуется вторичный прибор с несколькими входами ( 1.8): на один вход — основной сигнал отклонения (например, температуры воздуха); на второй вход — сигнал нагрузки (о токе, мощности, освещенности, числе людей); третий вход является обратной связью об управляющем воздействии. Такое регулирование улучшает качество переходного процесса, позволяет изменять условия комфорта сразу после изменения потока лучистой теплоты По способу воздействия чувствительного элемента на регулирующий орган находят применение регуляторы прямого и непрямого действия (последние чаще). Регуляторы прямого действия характеризуются тем, что в них для перемещения регулирующего органа используется энергия регулируемой среды. Эта энергия преобразуется в механическую непосредственно в чувствительном элементе регулятора. Такие регуляторы применяют в автономных кондиционерах, для индивидуального поддержания температуры в административных зданиях и других случаях. В регуляторах непрямого действия для перемещения регулирующего органа используется энергия постороннего источника.

По характеру воздействия регулирующего органа на объект регулирования различают регуляторы непрерывного, импульсного и релейного действия. В регуляторах непрерывного действия между величинами на входе и выходе существует непрерывная функциональная связь. При импульсном регулировании управляющее воздействие есть серия последовательных импульсов, амплитуда и длительность которых зависят от величины на входе регулятора в отдельные (дискретные) моменты времени. При релейном регулировании управляющее воздействие постоянно по величине, а его знак зависит от знака входной величины.

По роду энергии различают электрические, пневматические, гидравлические и другие системы автоматического регулирования. Наибольшее применение находят электрические регуляторы. Это

можно объяснить рядом причин. Источники электроэнергии имеются практически везде, причем нет ограничений в радиусе действия. Первичные преобразователи таких регуляторов в силу особенностей конструкции имеют высокую чувствительность и малую инерционность, меньшее запаздывание в линиях связи, чем в гидравлических и пневматических регуляторах. Кроме того, упрощается монтаж линий связи.

Электрические регуляторы не применяют во взрывоопасных помещениях, у них ограничен диапазон скоростей электрических исполнительных механизмов.