Автоматизация систем кондиционирования воздуха и вентиляции

Раздел: Кондиционирование

Решения управляющей системы влияют на оптимизацию всей системы в целом [15, 28]. Связи управляющей и управляемой систем настолько многообразны, что принимаемые по автоматизации решения влияют на целый ряд показателей, в том числе на капитальные затраты и отчисления от них, зарплату обслуживающего персонала, годовые расходы теплоты, холода, электроэнергии и воды Прокомментировать все связи в полном объеме весьма сложно. Остановимся только на принципиальных положениях. Выше (см. п 1 4) было подчеркнуто, что управляющая система предопределяет три группы показателей: функциональные (отклонения параметров от заданных значений), технологические (годовые расходы теплоты, холода, воды, наружного н общего воздуха), экономические (стоимость теплоты, холода, электроэнергии и воды).

Рассмотрим существенные решения по автоматизации, влияющие на те или иные показатели систем. Статические и динамические (в переходном процессе) отклонения параметров в значительной мере зависят от характеристик применяемых регуляторов и их настроек. В более сложных регуляторах, имеющих ряд настроек, статическую ошибку удается уменьшить до минимума (по сравнению с более простыми регуляторами). В ряде объектов малого отклонения параметра можно достичь в том случае, если использовать простые позиционные регуляторы и объективное свойство теплоаккумуляции ограждениями и оборудованием помещения. Настройки регуляторов, как известно, определяют устойчивость процесса регулирования и требуемое его качество. При выборе настроек типовых регуляторов (см. п. 8.5) основная трудность заключается в переменности статических и динамических характеристик объекта управления (например, коэффициента передачи, постоянной времени и др.) в разных точках диапазона регулирования.

Выполнение заданных функций возможно при правильной установке первичных преобразователей. Они должны измерять не любое локальное (случайное), а представитечьное (среднее, балансовое) значение параметра. Так как неоднородность поля параметра не поддается расчету, то место установки датчика определяют не при проектировании, а на стадии наладки и испытания системы. Имея в виду все пространство помещения, регулируемый параметр измеряют и стабилизируют в непосредственной близости от объекта кондиционирования и вентиляции (рабочего места, детали, продукции и др.).

Отклонения параметра зависят от выбора числа идентичных (параллельных) первичных преобразователей и соответствующих контуров автоматической стабилизации параметра. Известно, что нагрузки помещения (тепловая, влажностная и газовая), параметры состояния и состава подаваемого воздуха и его количество обычно балансируются только в пределах всего помещения. При этом локальные балансы вещества и энергии в отдельных частях (зонах) помещения обычно не выдерживаются. В результате такого дисбаланса проявляется неравномерность (распределенность) параметра. В этом смысле под идеальным вентилированием помещения понимается сбалансированность прихода и расхода энергии в отдельных микрообъемах. Ее можно достичь только в наиболее простых сту- чаях, например при равномерно размещенных в плане теплоисточниках и равномерной подаче воздуха (например, через перфорированные потолки). В более общих случаях задача становится неразрешимой, так как и в ее основе лежат закономерности распределения и изменения нагрузок, их переноса воздушными потоками в помещении. Не случайно поэтому, что количество идентичных первичных преобразователей выбирают в известной мере произвольно: например, при равномерно размещенных источниках теплоты помещение зонируют, разбивая его на квадраты или прямоугольники. Площадь такой зоны выбирают тоже произвольно, хотя считают, что она зависит от допустимых отклонений параметра в пространстве: например, при отклонении температуры +1 °С площадь одной зоны выбирают произвольно около ты^чи квадратных метров. При протяженном (в плане) технологическом оборудовании очертания зон выбирают с учетом конфигурации оборудования. В производственных помещениях большой площади (до 100 тыс. м2) число зон стабилизации параметра достигает нескольких десятков. Аналогичная задача возникает в многокомнатных административно-общественных зданиях. В одну зону может входить несколько помещений с наружными ограждениями, ориентированными на один фасад, если в тепловой нагрузке преобладает солнечная радиация.

Отклонения параметра возрастают при использовании косвенного метода его стабилизации. Долгое время из-за отсутствия серийно выпускаемых влагорегуляторов влажность и влагосодержание поддерживали косвенно, стабилизируя температуру приточного воздуха в объектах, где отношение GBJGB незначительно и мало меняется. По мере разработки приборов, регулирующих влажность, замена косвенного регулирования прямым приводит к уменьшению отклонений и соответствующему технологическому эффекту.

Отклонения параметров воздушной среды помещения могут существенно возрастать по величине и продолжительности при работе системы защиты (блокировки). Характерный в этом отношении пример — срабатывание защиты от замерзания воды в рабочих режимах, как следствие неправильного выбора способа управления воздухонагревателем (см. п. 5.2).

Рассмотрим теперь влияние решений по автоматизации на энергетические показатели систем. Мгновенные и годовые расходы теплоты, холода, электроэнергии и воды наибольшие, если аппараты и нагнетатели систем неуправляемы. Методика оценки перерасходов теплоты и электроэнергии в этом случае приведена в п. 4.6. Применение управления воздухонагревателем позволяет реализовать снижение расхода теплоты, управление воздухоохладителем — расхода холода, управление вентиляторами и насосами — расхода электроэнергии. В системах вентиляции малой производительности в соответствии с нормами проектирования (СНиП II-33—75) объем применения средств автоматизации весьма ограничен. В каждом конкретном случае необходимость автоматического управления оборудованием системы вентиляции определяется технико-экономическим расчетом в зависимости от нагрузок, их изменения, расхода наружного воздуха, климатических условий и других факторов. Поэтому нижний предел (10 тыс. м3/ч производительности системы) применения средств автоматического управления можно считать не всегда экономически обоснованным. Напомним, что в нормах проектирования (СНиП ПГ.7—62) управление воздухонагревателем было рекомендовано при расчетной теплопроизводительности 2 млн. кДж и более.

Наиболее общим условием потребления энергии и теплоты системой является принятый алгоритм функционирования системы. Он может быть достаточно простым или весьма сложным, что зависит от разнообразия сочетаний исходных данных объекта. Использование средств управления может свести к минимуму расходы теплоты и энергии. Уже сейчас системы при сравнительно простых исходных данных могут работать в режимах, близких к оптимальным по расходам теплоты и энергии, причем на основе серийной аппаратуры и средств автоматизации.

Не всегда, а только при тщательном обосновании следует стремиться к выполнению всех условий оптимальной обработки воздуха, все зависит от той «цены», которой это достигается Может потребоваться достаточно сложная аппаратура управления и затраты на ее приобретение не всегда окупаются за счет снижения некоторых статей эксплуатационных затрат. Поясним эту мысль кратким примером.

Известно, что наибольшие сложности в управлении вознйкают в том случае, если параметры в помещении заданы многоугольником. Алгоритм управления должен предусматривать «порядок» перемещения сочетаний параметров по границе этого многоугольника. Расходы теплоты будут минимальны, если в режиме его потребления поддерживается состояние воздуха в помещении при минимальной энтальпии (т. е. при минимальной температуре и относительной влажности). Рассуждая аналогично, расходы холода будут минимальны, если в режимах с потреблением холода параметры в помещении буд>т поддерживаться при максимальной энтальпии (т. е. при максимальной температуре воздуха и относительной влажности). Существующие средства автоматизации такое условие управления могут обеспечить. Более сложно обеспечить серийньщи приборами изменение параметров по границе многоугольника в режимах без потребления теплоты и холода. Несовершенство управления может сказаться на перерасходе влаги (при экономии воздуха и электроэнергии на его перемещение) или наоборот. Усложнение аппаратуры управления, применение специальных управляющих машин целесообразно в том случае, если окупится экономией электроэнергии (при перерасходе влаги) или наоборот.

Покажем, что при отсутствии управления процессами изоэнталь- пийного увлажнения воздуха в оросительной камере перерасходы влаги в средних условиях будут значительно меньше, чем экономия электроэнергии на перемещение воздуха приточным и вытяжным вентиляторами за счет увеличения рабочей разности температур. Отметим, что увеличение влагосодержания обрабатываемого воздуха на Ad соответствует снижению температуры воздуха на At = = in-Ad/Сръ, например при A d = 0,001 энтальпии пара гп = = 2500 кДж/кг и теплоемкости срв = 1 кДж/(кг-°С) имеем At = = 2500-0,001/1 = 2,5°С, что при рабочей разности температур уходящего и приточного воздуха = tyx — tuР — 8 °С означает снижение производительности вентиляторов на (8 -f 2,5)/8 — 1,3 (30 %). Пусть первоначальный расход воздуха в системе был GB — = 105 кг/ч, в этом случае часовой расход влаги на дополнительное увлажнение воздуха составлял A Gw — GBAd = 105-0,001 = == 100 кг/ч — 0,1 м3/ч, что при стоцмости 1 м3 воды 0,1 руб. приведет к перерасходу ACw = cwAGw = 0,1-0,1=0,01 руб./ч. В то же время сокращение расхода воздуха пропорционально увеличению рабочей разности температур на Д£р = 2,5° (30 %) при давлении приточного и вытяжного вентиляторов /?пр + рвыт — 1800 Па приведет к сокращению часового расхода электроэнергии при управлении производительностью вентиляторов с помощью направляющих аппаратов

Обобщая результат расчета, отметим, что отдельные статьи эксплуатационных затрат при решении задачи оптимизации системы меняются взаимосвязанно и в разном направлении. На эту особенность технологических режимов работы систем обратил внимание А. А. Рымкевич, подчеркнув, «... что не всегда удается одновременно минимизировать все технологические показатели» [26]. По этой причине он предложил рассматривать три варианта очередности минимизации энергии и вещества, назвав их ранжировками. Первая из них минимизирует потребление холода и теплоты, затем расходы воздуха и воды. Вторая ранжировка предлагает в первую очередь минимизацию расхода воздуха, обрабатываемого в системе, затем расхода теплоты, холода и т. д. Третья ранжировка предусматривает минимизацию расхода воды на увлажнение, затем расхода теплоты, холода и т. д. Заметим, что минимизация одного из технологических показателей (например, Ст + Сх = min) не обязательно удовлетворяет минимизации приведенных затрат, учитывающих все статьи расходов. Так как общепринятым критерием оптимизации являются приведенные затраты, то их и следует минимизировать, тем более, что критерием может быть только одна величина.

Покажем, что при различных вариантах алгоритма управления системой могут по-разному меняться расходы наружного и общего воздуха. Эта особенность рассмотрена А. Т. Акимовым (ЛТИХП). Обратим внимание, что затраты на наружный воздух могут быть связаны с его очисткой (например, при большой концентрации аэрозолей, при высоких требованиях к чистоте воздуха в помещении). Переменность количества наружного воздуха, достигаемая дроссе- | лированием потока, одновременное управление расходами рециркуляционного и выбросного воздуха сохраняют постоянной производительность вентиляторов и потребление электроэнергии. Затраты на общий воздух связаны с его перемещением в приточной и вытяжной частях системы. Перемещение 1 кг/ч воздуха по системе при суммарном давлении приточного и вытяжного вентиляторов, равном, например, 1800 Па при КПД вентиляторной установки riycx = = 0,65 требует 0,64 Вт.

Рассмотрим расчетную схему системы, если внутренние параметры заданы изотермой ( 1.3, а). Пусть параметры внутреннего {В) и уходящего (У) воздуха близки или одинаковы, а характери- .стика процесса ассимиляции теплоты и влаги в помещении е направлена так, как это показано на  1.3, а. В графических построениях будем пренебрегать нагревом приточного воздуха в вентиляторе и воздуховодах и считать, что процессы тепловлажностной обработки воздуха в оросительной камере заканчиваются при полном насыщении (фк = 1). В соответствии с представлениями о режимах работы системы при данных условиях таких режимов будет пять. Соответственно область наружного климата может быть представлена пятью зонами. Выберем в каждой из зон по одной точке состояния наружного воздуха (Нг — #5) и покажем процессы тепловлажностной обработки ( 1.3, а).

Сравним функционально-технологические показатели систем при разных вариантах управления. Первый вариант будет соответствовать условию минимизации расхода наружного воздуха, второй — условию минимизации общего расхода воздуха. При параметрах точки Нх в режиме с потреблением теплоты в обоих вариантах обработка одинакова (нагревание НХНЪ смешение и изоэнтальпийное увлажнение до состояния Па), а состояние воздуха в помещении У2- При параметрах точки #2, в режиме без потребления теплоты и холода система работает, обеспечивая состояние точки У'2 при наименьшем расходе наружного воздуха (первый вариант) и состояние точки Уа при наименьшем расходе общего воздуха (второй вариант). Для реализации первого варианта смесь наружного и рециркуляционного воздуха имеет состояние точки Сг, а после изоэнтальпийного увлажнения — состояние точки Щ. Для реализации второго варианта процесс смешения управляется так, что точка смеси соответствует С2, а после увлажнения приточный воздух имеет состояние точки Па. Таким образом, по окончании режима нагревания воздуха в помещении поддерживается температура воздуха при переменной влажности (в первом варианте) и при постоянной минимальной влажности (во втором варианте). Для состояния наружного воздуха Н3 в первом варианте система работает на смеси Сз при минимальном расходе наружного воздуха и максимальном расходе общего воздуха. Для того же состояния Я3 можно увлажнять весь наружный воздух, при этом рабочая разность температур во втором варианте будет больше ty2 — tm (вместо tyb — inb), а общий расход — меньшим. В режимах с потреблением холода, например, для состояния наружного воздуха #4 и Нъ показатели по сравниваемым вариантам будут одинаковы.

Результаты сравнения удельных расходов наружного тнаР и общего т0 воздуха поясняет базовый график ({эис. 1.3, б). Линия 1—2—3 отражает расход т0 по первому варианту, линия 4—3 — расход тнар' по первому варианту. Сплошная линия отражает расходы т0 и mnaр по' второму варианту в зависимости от энтальпии наружного воздуха. Таким образом, второй вариант управления приводит к снижению общего расхода и увеличению расхода наружного воздуха. Годовые величины перерасхода и сокращения можно получить умножением часовых значений из базового графика при данной /нар на повторяемость параметров в интервале от /Hapi Д° ^нарг за ГОД и сложением полученных произведений. Отметим особенности алгоритма управления системой по сравниваемым вариантам. При использовании первого варианта в области энтальпий наружного воздуха точек МХа — Пь система работает на переменном расходе наружного воздуха, а параметры воздуха в помещении изменяются от ~Уа до Уь. Более просто реализуется второй вариант обработки воздуха: в области энтальпий Мы—Па система работает на переменном расходе наружного воздуха, поддерживая в помещении состояние точки Уа. После перехода на максимум наружного воздуха в области энтальпий точек Пи — Пъ применяется неуправляемый изоэнтальпийный процесс, а параметры воздуха в помещении находятся в интервале точек Уа-Уь- 24

В задачу алгоритма функционирования системы входит как важный этап выбор способа управления оборудования (аппаратами и нагнетателями) систем. Мгновенные и годовые расходы теплоты не зависят от способа управления воздухонагревателем. Аналогичные расходы холода зависят от направления процесса в I—d-диаграмме и способа управления воздухоохладителем. Разные способы управления воздухонагревателями не эквивалентны по возникающей опасности замерзания воды в трубках и включению в работы автоматической защиты от замерзания. Особенности конструкции регулирующих органов (водяных клапанов) могут приводить к утечке воды через закрытый клапан, дополнительному нагреванию или охлаждению воздуха, перемещению границ режимов (зон в /—^-диаграмме) работы системы и увеличению времени потребления теплоты и холода.

Известные способы управления нагнетателями (вентиляторами и насосами) при одинаковом расходе среды (воздуха и воды) потребляют разное количество электроэнергии. При этом обычно более сложные и дорогие устройства, работающие на принципе изменения частоты вращения рабочего колеса нагнетателя, обеспечивают более сильное снижение энергии. Выбор способа управления при наличии нескольких устройств (например, вариатора частоты, направляющего аппарата, дроссельного клапана) основан на технико-экономическом расчете с учетом всех исходных данных. Реализации снижения расхода электроэнергии препятствует то, что несмотря на экономическую необоснованность до сих пор выпускаются вентиляторные и насосные установки, не имеющие средств эффективного управления расходом.

Ряд эффективных управляющих воздействий до сих пор мало применяется в отечественной практике автоматизации. Во многих объектах стабилизация параметров воздуха достигается при постоянной производительности системы, что приводит к перерасходам теплоты, холода и электроэнергии. Только малый процент систем (менее 5 %) имеет управляемую производительность. Между тем этот процент может достигать больше половины всех случаев. Особенно мало применяются системы переменного расхода в промышленной вентиляции. Не используется, например, управление подачей насоса оросительной камеры, хотя характеристика насоса позволяет считать, что даже при дросселировании будет снижаться потребляемая мощность.

Отдельно рассмотрим вопрос согласования регулируемых термодинамических параметров состояния воздуха с управляющими воздействиями. Правильное его решение позволяет реализовать экономию энергозатрат. Поясним методику решения этой задачи на конкретном примере. Пусть в помещении с избытками теплоты и влаги нужно стабилизировать температуру и влагосодержание. Для этого можно использовать такие управляющие воздействия, как расход воздуха и один из параметров состояния приточного воз- Духа. Пусть тепловая нагрузка помещения изменится сильно, а влажностная — незначительно. Если в этих условиях стабилизировать температуру в помещении, управляя расходом приточного и удаляемого воздуха, то при снижении тепловой нагрузки удается избежать перерасходов теплоты, холода и электроэнергии. Влаго- содержание воздуха в помещении можно стабилизировать, управляя влагосодержанием приточного воздуха. Так, при уменьшении влаж- ностной нагрузки помещения будет увеличиваться расход влаги на увлажнение воздуха.

Если регулируемые параметры с управляющими воздействиями согласовать иначе, то при незначительном изменении влажностной нагрузки сокращение расхода воздуха, холода и электроэнергии будет малым. Поэтому общим правилом может быть использование расхода воздуха как управляющего воздействия для стабилизации того параметра состояния, нагрузка которого меняется более сильно, но с учетом возможного ограничения величины расхода.

Серьезным, часто неиспользуемым резервом является рациональное использование управляющих воздействий в нерабочее время в помещениях, где требуется поддерживать заданные параметры, если сырье и продукция остаются в помещении. Нужно учитывать, что в нерабочее время уровни нагрузок (тепловой, влажностной, газовой) снижаются до минимальных значений. В этих условиях нужно полностью использовать возможности управляющих воздействий для максимального снижения энергозатрат, например снижать до минимума расходы наружного и приточного воздуха. Между тем некоторые ведомственные нормы проектирования без каких-либо аргументированных обоснований ограничивают управляющие воздействия. Например, рекомендуется снижать расход приточного воздуха наполовину, что никак не увязано с диапазоном изменения тепловой нагрузки. Ошибочно полагают, что при глубоком снижении расхода нарушается равномерность параметров, например температура, хотя этого не происходит, так как при отсутствии тепловой нагрузки ка£ возмущения неравномерность поля температур уменьшается.

Нужные режимы и минимальное потребление энергии невозможны без использования ряда блокировок. Среди них нужно в первую очередь выделить две:

1)        это своевременное включение холодной установки. Так, в центральных системах кондиционирования граница режима потребления холода — изоэнтальпа. На практике специалисты по холодильным установкам не всегда знают особенности режимов работы систем, могут подавать холод, начиная с некоторой температуры (а не энтальпии) наружного воздуха. Это увеличивает продолжительность режима потребления холода и его годовой расход. Возникающие перерасходы могут быть весьма значительны;

2)        техническое решение, влияющее на расход холода, — реверс воздушных клапанов по величине энтальпии наружного воздуха. На практике эту блокировку предусматривают не всегда, она даже отсутствует в некоторых типовых решениях автоматизации.