Системы кондиционирования

При создании и внедрении систем автоматического регулирования (САР) вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо знать характеристики, как определенных элементов СКВ, так и системы в целом, которые описывают их поведение в переходных и установившихся режимах. Только по таким характеристикам можно оптимально выбрать регулятор, датчики, исполнительные механизмы, построить САР и произвести ее наладку.

Наиболее широко используются методы математического описания САР наоснове передаточных функций W(p), которые отражают взаимосвязь входных и выходных параметров отдельных элементов и всей системы [1].

Обобщенную структурную схему САР можно представить в виде, показанном на рис. 2.28.

Рис. 2.28. Обобщенная структурная схема САР: Об – объект регулирования с передаточной функцией WОб (p);СУ – устройство сравнения; Р – регулятор с передаточной функцией Wр(p); f(t) – возмущающее воздействие; y(t) – регулируемая величина; ε(t) – ошибка регулирования g(t) – задающее воздействие; μ(t) – управляющее воздействие

Зная W_Об(p) и задаваясь свойствами САР – передаточной функцией W_C(p),можно выбрать или настроить уже выбранный регулятор – W_р(p).

Реально СКВ как объект управления достаточно сложна (рис. 2.29). Поэтому передаточные функции объекта регулирования W_Об(p) определяют для отдельных функциональных элементов системы с использованием передаточных функций типовых динамических звеньев. Нахождение передаточной функции всей СКВ как объекта регулирования производится по правилам определения суммарной передаточной функции при различном соединении звеньев [1].

Рис. 2.29. Обобщенная структурная схема СКВ как объекта автоматизации: tн, dн, Gн – температура, влажность, расход наружного воздуха; tпом, dпом,Gпом – температура, влажность, расход воздуха в помещении; Qt, Qw, Qg – тепловая, влажностная и газовые нагрузки

Рассмотрим наиболее типичные функциональные элементы СКВ как объекты регулирования: обслуживаемые помещения, теплообменники, камеры смешения, воздуховоды и т. п.

Обслуживаемые помещения

Основным элементом CКВ является обслуживаемое помещение, в котором постоянно совершается переход воздуха из одного состояния в другое. Для поддержания заданных параметров в обслуживаемое помещение подается приточный воздух с параметрами, отличными от параметров внутри помещения. Перемешиваясь с внутренним воздухом и вытесняя его, приточный воздух ассимилирует избыточное тепло и влагу или подогревает и увлажняет воздух помещения.

Обслуживаемое помещение характеризуется рассредоточенными показателями воздуха. Учет рассредоточенных характеристик затруднен, поэтому помещение при решении задач автоматического регулирования рассматривается как объект с сосредоточенными параметрами, т. е. температура и влажность воздуха определяются в наиболее типичной (рабочей) зоне. Именно в такой зоне должны быть установлены датчики регулируемых параметров. Некоторые помещения могут характеризоваться зонами с разными параметрами, что требует применения многозональной СКВ или использование местных доводчиков (автономные кондиционеры, увлажнители, фэнкойлы и др.).

Рис. 2.30. Обобщенная функциональная модель обслуживаемого помещения (ОП) как объекта регулирования

На функциональной схеме обслуживаемого помещения (рис. 2.30) выделены внешние возмущающие воздействия (тепловая Q_н, влажностная W_н и аэродинамическая G_н нагрузки) и внутренние (тепловая Q_пом, влажностная W_пом и газовая С_пом нагрузки). Входными параметрами являются: температура t_пр, влажность d_пр и расход подаваемого впомещение воздуха G_пр, и соответственно регулируемыми: t_пом, d_пом и С_пом. В системах комфортного кондиционирования для стабилизации заданного состояния воздуха, т. е. двух независимых переменных t_пом и d_пом можно использовать, вобщем случае, три управляющие воздействия: t_пр, d_пр и G_пр. Особенности применения каждого определяются исходными условиями, ограничениями, накладываемыми на систему, а также экономическими соображениями.

Обычно в кондиционируемых помещениях переменна тепловая нагрузка, влажностная– относительно постоянна, а газовая – требует некоторого минимального расхода наружного воздуха.

Для такого объекта возможны три вида систем стабилизации температуры: с постоянным или переменным расходом воздуха и смешанные.

Управление температурой помещения с помощью изменения расходов приточного и удаляемого воздуха (количественное регулирование), несмотря на преимущества, связанные с экономией теплоты, воды и электроэнергии, уменьшении мгновенных и годовых расходов, реализуется редко. Это связано с относительно высокими капитальными затратами и сложностью управления, особенно многозональных систем. Поэтому, наиболее распространенными являются системы стабилизации температуры впомещении по каналу изменения температуры приточного воздуха (качественное управление). Такие системы наиболее полно исследованы как объекты автоматизации: выведены аналитически и экспериментально подтверждены передаточные функции, значения коэффициентов передач и постоянных времени.

Динамические свойства помещения зависят от кратности воздухообмена К_в, обобщенного размера помещения l_V (отношение объема помещения V_пом к площади поверхности ограждений F ), коэффициентов теплопередачи ограждений К_огр и постоянной времени ограждения Т_огр. Аналитически передаточная функция по каналу температуры приточного воздуха получена в виде

, (2.19)

где K_пом и Т_огр могут быть определены по показателям К_в, l_V, К_огр, теплопроводности с_в иплотности ρ_в воздуха [2].

Т_пом – постоянная времени помещения – может быть определена как  К_в^-1.

Рис. 2.31. Процесс изменения температуры в помещении:  1 – эксперимент;  2 – расчет

Анализ кривых переходного процесса, построенных на основании приведенной передаточной функции и экспериментальных данных, показывает, что процесс изменения температуры в помещении имеет два явно выраженных участка (рис. 2.31). На первом (А) – процесс изменения температуры происходит быстро, скорость изменения температуры при этом зависит от кратности воздухообмена К_в. По литературным данным этот отрезок времени составляет (3–4) К_в^-1. По мере поглощения теплоты ограждением иоборудованием скорость изменения температуры воздуха замедляется (участок В), проявляется инерционность ограждений (Т_огрможет составлять порядка десятка часов). Поэтому, теоретический конец переходного процесса достигается через несколько суток.

Учитывая, что для помещений характерны периоды изменения составляющих тепловой нагрузки от нескольких минут до часов, в задачах с такими периодами колебаний можно пренебречь инерционностью ограждений и представить помещение апериодическим звеном первого порядка с передаточной функцией

, (2.20)

Теплообменные аппараты

В наиболее распространенных поверхностных теплообменниках типа «воздух–жидкость», «воздух–хладагент» в качестве возмущающих воздействий выступают температура жидкости на входе t_wвх, расход воздуха G_в, температура воздуха на входе t_вх (рис. 2.32). Управляющими воздействиями могут быть расход жидкости G_w, температура жидкости t_wвх, расход воздуха G_в, а регулируемый параметр t_вых.

Рис. 2.32. Функциональная и структурная схемы теплообменника типа «жидкость–воздух»

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования показали, что впервом приближении передаточная функция такого аппарата вне зависимости от канала управления описывается типовым апериодическим звеном первого порядка вида [2]

, (2.21)

где K – статический коэффициент передачи аппарата;

T – постоянная времени теплообменного аппарата.

Ниже приведена одна из нескольких возможных зависимостей, позволяющая приближенно оценить инерционность аппаратов такого вида:

, (2.22)

где с_м, с_w – теплоемкости металла и воды;

M_м, M_w – массы металла и воды;

G_w – расход воды;

k – коэффициент теплопередачи аппарата;

F – поверхность аппарата.

Статическая характеристика аппарата, описываемая статическим коэффициентом передачи К, может быть также получена расчетным путем, хотя эта зависимость еще более сложная, чем для постоянной времени. Поэтому для оценки пользуются статическими характеристиками, полученными графоаналитическим методом. Кроме этого, при анализе необходимо учитывать ограничения, связанные с тем, что при температуре наружного воздуха ниже нуля и определенных скоростях потока (<0,1 м/с) создается угроза замораживания аппарата.

Управления поверхностными жидкостными теплообменниками может осуществляться по трем каналам: расходом жидкости, температурой теплоносителя и байпасированием (перепуском) воздуха. Возможные варианты их технической реализации, а также вид статических характеристик показаны на рис. 2.33.

а б в

Рис. 2.33. Способы управления поверхностными теплообменниками типа «жидкость–воздух»: а – расходом жидкости; б – температурой теплоносителя; в – расходом воздуха

Управление расходом теплоносителя (рис. 2.33, а) – самый распространенный способ, как наиболее простой и дешевый (может быть реализован с помощью одного двухходового клапана). Однако регулировочная характеристика этого канала – зависимость выходной величины t_вых от расхода жидкости – нелинейна: при малых расходах и скоростях воды t_вых сильно меняются, при больших скоростях происходит так называемое «насыщение» регулировочной характеристики. Таким образом, статический коэффициент передачи К меняется во всем диапазоне регулирования. Это же относится к постоянной времени Т, сильно зависящей от расхода жидкости (2.22). Следовательно, как динамические, так и статические характеристики аппарата по этому каналу управления – нелинейны, что затрудняет настройку регулятора. В ряде случаев можно несколько спрямить статическую характеристику за счет выбора «обратной» характеристики регулировочного клапана.

Еще одним недостатком управления расходом является опасность замерзания воды втрубах при малых скоростях воды и отрицательной температуре наружного воздуха. Областью возможного применения данного метода управления является выбор нижней границы расхода G_wзам, обеспечивающий скорость воды в трубах не менее 0,2 м/с.

Управление температурой теплоносителя (рис. 2.33, б) осуществляется с помощью двух двухходовых клапанов или одного трехходового и циркуляционного насоса. Регулировочная характеристика при этом линейна, коэффициент передачи постоянен. Если выбрать клапаны с линейной характеристикой, то управляемый аппарат поэтому каналу представляется линейным объектом. При этом динамические характеристики при постоянном расходе воздуха также остаются неизменными, а при переменном расходе – меняются незначительно. По выбранной скорости воды (обычно 0,3–0,5 м/с) с учетом обвязок теплообменника определяется расход воды через аппарат и подбирается насос. При таком подходе гарантируется защита от замерзания врабочем режиме и безопасность повышения температуры горячей воды. Таким образом, схема управления температурой теплоносителя является лучшей по своим техническим характеристикам.

Управление с помощью байпасирования воздуха (рис. 2.33, в) представлено как технически возможное, но качество регулирования, присущее такому методу, невысоки: расход теплоты или холода нельзя снизить до нуля, регулировочная характеристика нелинейная и т. д. Поэтому на практике для автоматического регулирования этот метод неприменяется.

Еще следует остановиться на параметре t_wвых – температуре воды на выходе из теплообменника. Она не является регулируемым параметром, но ее контроль необходим. Именно ее минимальная величина совместно с температурой наружного воздуха является определяющей для установки критерия срабатывания защиты от замерзания теплообменника.

Роторный рекуператор как объект управления, одноканальный, т.е. используется только одно управляющее воздействие – изменение частоты вращения ротора, при регулируемом параметре – температуре приточного воздуха t_пр. Однако данные по анализу статических и динамических характеристик роторных рекуператоров отсутствуют. Можно предположить, что при неизменных расходах приточного и удаляемого воздуха передаточная функция роторного рекуператора W(p) постоянна и соответствует типовому апериодическому звену первого порядка с инерционностью в несколько минут (при диапазоне скоростей ротора 3-11мин^-1имаксимальных скоростях воздуха до 4,0 м/с).

Возможность замерзания также присуща этому виду аппаратов. Поэтому для автоматической защиты, кроме стандартных мер снижают скорость вращения ротора, что позволяет увеличить интенсивность его нагрева теплым воздухом.

Контактные тепло- массообменные аппараты

Контактные аппараты (оросительные камеры, пароувлажнители) наиболее сложные сточки зрения их представления как объектов управления. В них одновременно ивзаимосвязано происходит тепло и массообмен, а следовательно, меняется как температура, так и влажность воздуха. Управляющими воздействиями для оросительной камеры являются температура орошающей воды t_w, расход воздуха G_в и расход воды G_w, а возмущающими воздействиями – t_вх и d_вх. Режимы использования воды зависят от требуемых процессов тепловлажностной обработки воздуха. При изоэнтальпийном процессе, используется только рециркуляционная вода, если пренебречь подпиткой из водопровода не более 0,5‑3,0 % испарившейся воды. В этом процессе теплосодержание (энтальпия) воздуха практически не меняется, т.к. температура воздуха близка к температуре орошающей воды, однако относительная влажность не достигает 100% из-за кратковременности пребывания воздуха в камере.

При политропном процессе, когда происходит не только увлажнение, но и меняться теплосодержание воздуха за счет разности t_вх и t_w, оросительная камера работает напеременной смеси холодной и рециркуляционной воды. В летний период при температуре наружного воздуха, превышающей расчетные, в камеру подается только холодная вода.

Cложность процессов тепломассообмена в оросительных камерах затрудняет получение однозначных их динамических и статических характеристик, причем, у разных исследователей отличаются не только расчетные зависимости для оценки коэффициентов передачи и постоянных времени, но и виды передаточных функций. Наиболее наглядной интерпретацией динамических процессов, происходящих воросительной камере, является ее представление в виде двух звеньев [3]. Первое звено – дождевое пространство оросительной камеры, т. е. объем, где размещены форсунки, и происходит тепломассообмен. Его можно считать усилительным звеном с переменным коэффициентом передачи, зависящим от начальных параметров воздуха и воды, выбранного канала управления, и т. д., т. е. нелинейным звеном. Второе звено (поддон) может быть представлено апериодическим звеном с постоянной времени , где  – объем поддона. В зависимости от условий работы динамические характеристики могут приближаться либо к апериодическому (в изоэнтальпийном процессе), либо кусилительному (в политропном процессе) звеньям.

Рассмотрим основные функциональные схемы, соответствующие технической реализации управления оросительной камерой по каналам , G_w и G_в (рис. 2.34).

а б в

Рис. 2.34. Методы управления оросительной камерой: а – расходом жидкости; б – температурой теплоносителя; в – расходом воздуха

Управление расходом воды G_w (рис. 2.34, а) производят либо дросселированием сети с помощью клапана, либо позиционно – скважностью подачи воды (скважность τ – отношение времени включенного насоса τ_вкл к суммарному времени включенного и выключенного состояния насоса τ_вкл+ τ_выкл).

Управление расходом воздуха G_в (рис. 2.34, в), проходящим через оросительную камеру, осуществляют с помощью байпасной линии, аналогично поверхностным теплообменникам. Обычно эти две схемы используются для осуществления изоэнтальпийного процесса. С уменьшением G_w при G_в=const эффективность увлажнения падает, а с сокращением расхода воздуха G_в при неизменном G_w эффективность растет. Кроме того, при определенном снижении G_w может иметь место «сворачивание» факела воды на выходе из форсунки, что уменьшает эффективность увлажнения до нуля. Этоограничивает использование дросселирования при управлении изменением G_w.

Что касается регулировочных характеристик, то при управлении скважностью (τ) она линейна, а при изменении G_в и G_w – нелинейна.

Для политропных процессов, обычно, управление ведут изменением температуры воды  (рис. 2.34, б) с помощью двух синхронно управляемых проходных клапанов или одного смесительного в трубопроводах холодной и рециркуляционной воды. В этом случае при G_в=const регулировочная характеристика (зависимость между конечной температурой воздуха и начальной температурой воды) линейна.

Технологической и конструктивной особенностью оросительных камер является наличие поддона, в связи с чем возникает задача управления уровнем воды в нем. Это независимый контур управления, необходимость которого следует учитывать при построении системы управления.

Передаточная функция оросительной камеры при управлении изменением параметрами воды может быть представлена в виде

, (2.23)

Значение T и K , а также коэффициентов α и τ можно найти в работе [4].

Смесительные камеры

Смесительные камеры выполняют функции соединения потоков наружного и рециркуляционного воздуха. В них изменяется как расход воздуха, так и его термодинамическое состояние. Как звено САР смесительная камера является безинерционным усилительным звеном, характеризуемым коэффициентом передачи К_см, который находится из уравнений теплового и массового балансов [2]:

, (2.24)

На d-h диаграмме точка, характеризующая параметры смешанного воздуха d_см, однозначно определяется соотношением расходов G_н и G_рц прямой процесса смешения, соединяющей точки t_н и t_рц.

Управление соотношением расходов наружного G_н и рециркуляционного воздуха G_рц производится воздушными клапанами и должно производиться синхронно. Переменное количество наружного воздуха достигается тем, что клапаны наружного и рециркуляционного воздуха имеют противоположное направление движения створок, а клапан удаляемого воздуха движется в одном направлении с клапаном наружного воздуха. При таком алгоритме управления клапанами обеспечивается подача санитарной нормы наружного воздуха, компенсация утечек воздуха в неплотностях ограждений помещений и постоянство производительности приточного и вытяжного вентиляторов.

Вентиляционные сети

В состав вентиляционной сети входят вентиляторы, воздуховоды, устройства управления расходом воздуха и датчики.

Этот вид элементов СКВ как объекта управления относится к транспортным звеньям САР, в которых может происходить изменение температуры воздуха и воды, а иногда ивлагосодержания воздуха. Отсутствие или низкое качество изоляции, большая длина, малые скорости движения сред, большой перепад параметров движущейся среды иокружающего воздуха могут привести к колебательности процесса и к неустойчивости процесса регулирования. Это оказывает влияние на величину транспортного запаздывания τ_з, которое определяется как отношение длины воздуховода l к средней скорости движения воздуха. На рис. 2.35 показаны разгонная характеристика изменения температуры ввоздуховоде и структурная схема этого звена.

а б

Рис. 2.35. Характеристика воздуховода как объекта управления: а – переходной процесс изменения температуры; б – передаточная функция

При скачкообразном изменении  в начале воздуховода на выходе температура спустя время τ_з изменится небольшим скачком, а затем плавно приблизится к установившемуся значению. Таким образом, передаточная функция такого звена есть сложная трансцендентная функция, которая упрощенно может быть представлена в виде

, (2.25)

Для практического использования построены зависимости коэффициента передачи K от длины l, диаметра d и скорости воздуха V_в [2].

При больших длинах воздухопроводов их влиянием на температуру воздуха пренебречь нельзя. При низкочастотных колебаниях температуры наружного воздуха (период τ_н = 24 ч) воздухопровод становится простейшим усилительным звеном. Для изолированных воздухо- и трубопроводов инерционность процесса теплопередачи в них необходимо учитывать. Оценка постоянной времени в этом случае может быть получена из выражения , где  – диаметр воздухо- и трубопровода, м.

При управлении процессом изменения температуры среды влияние транспортного запаздывания также подлежит уточнению. Особенно это существенно при длинных воздухо- и трубопроводах. Впоследних скорость воды может снижаться до 0,03–0,1 м/с и запаздывание τ_з может составлять от нескольких минут до часов. Отсюда понятны и практические рекомендации по установке датчиков и управляющих органов поближе к управляющему звену. При управлении расходом воздуха или воды при неизменной температуре влияния τ_з несущественно.

Датчики и регулирующие органы

Кроме рассмотренных выше аппаратов и устройств СКВ как звеньев систем регулирования в объекты управления необходимо учитывать датчики и регулирующие органы. Датчики параметров воздуха и тепловлагоносителей можно рассматривать как апериодическое звено первого порядка. Их инерционность (постоянная времени) зависит от конструкции и массы чувствительного элемента. Еще в более сильной степени инерционность зависит от скорости воздуха. При неподвижном воздухе постоянная времени датчиков достигает десятков минут и для помещений может оказаться самой большой постоянной среди звеньев объекта. Поэтому с целью снижения инерционности применяют локальное повышение скорости воздуха вблизи датчика, установку датчиков вприточном или рециркуляционном воздухопроводах и другие приемы.

Регуляторы расхода (клапаны) изменяют расход воздуха G_в или воды G_w при повороте створок на угол α или перемещении плунжера h. При мгновенном изменении α или h расход воздуха или воды также меняется мгновенно. Поэтому клапаны являются обычными усилительными звеньями, в которых входная и выходная величины связаны коэффициентом передачи. Для воздушного клапана , где – сечение клапана. Для водяного клапана при данном диаметре клапана и типе плунжера . Функции  и  обычно нелинейны, и коэффициенты передачи при разных положениях α или h могут меняться значительно, если клапаны поставлены без расчета.

Обычно клапаны выбираются специалистами по вентиляции и кондиционированию, однако со стороны специалиста по автоматизации требуется проверка выбора клапана поуправляемости и учета времени полного хода его штока. Последний показатель обычно задан техническими характеристиками привода клапана.

Литература:

1. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие /А. С. Клюев, А. Т. Лебедев, С. А. Клюев, А. Г. Товарнов; Под ред. А.С.Клюева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 386 с.: ил.
2. Сотников А. Г. Автоматизация систем кондиционирования воздуха и вентиляции. Л., «Машиностроение», 1984. –235 с.: ил.
3. Нефелов С. В., Давыдов Ю. С. Техника автоматического регулирования в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат,1984. – 328 с.: ил.
4. Промывная камера как звено системы регулирования установок кондиционирования воздуха. // А. В. Степанов, И. В. Зингерман. – В кн.: Кондиционирование воздуха промышленных и общественных зданий. Ташкент, ГИПРОНИИполиграф, 1970, с. 230–235.

«ИВИК»