ELEMENTY AUTOMATYKI STOSOWANE W NOWOCZESNYCH CENTRALACH WENTYLACYJNYCH I KLIMATYZACYJNYCH Opracowała: Katarzyna Wyżykowska SiUChKl, Wydział Mechaniczny Politechniki Gdańskiej GDAŃSK, 2009
Spis treści ZADANIE WSPÓŁCZESNEGO UKŁADU KLIMATYZACYJNEGO.... 3 ZADANIE WSPÓŁCZESNEGO UKŁADU WENTYLACYJNEGO.... 3 REGULACJA.... 4 STEROWANIE.... 4 STEROWANIE/REGULACJA STOSOWANE POJĘCIA.... 5 WYBRANE ELEMENTY AUTOMATYKI.... 6 Kanałowe czujniki i przetworniki temperatury.... 6 Pokojowe czujniki i przetworniki temperatury.... 6 Czujniki wilgotności i higroskopijne... 7 Czujniki ciśnienia.... 7 Czujniki entalpii.... 8 Czujniki tlenku węgla.... 8 Czujniki zanieczyszczenia powietrza.... 8 Elementy zabezpieczające... 9 Termostat przeciwzamrożeniowy po stronie powietrza.... 9 Termostat zabezpieczający przed przegrzaniem.... 9 Napędy nastawcze.... 9 Regulator prędkości obrotowej.... 10 Zawory nastawcze.... 10 Przemiennik częstotliwości (falownik)... 11 Sternik cyfrowy.... 11 KORZYŚCI WYNIKAJĄCE Z AUTOMATYZACJI.... 11 ŹRÓDŁA... 12 2 S t r o n a
ZADANIE WSPÓŁCZESNEGO UKŁADU KLIMATYZACYJNEGO. Zadaniem współczesnego układu klimatyzacyjnego jest zapewnienie środowisku powietrznemu pomieszczenia określonych właściwości i parametrów takich jak np. czystość, temperatura, wilgotność względna i prędkość ruchu powietrza. Parametry te powinny być odpowiednio dostosowane do sposobu wykorzystania pomieszczenia w każdych warunkach występujących dla danego budynku w danej lokalizacji. Klimatyzacja posiada lepszą jakość regulacji i sterowania urządzeń wchodzących w skład centrali niż w przypadku wentylacji. ZADANIE WSPÓŁCZESNEGO UKŁADU WENTYLACYJNEGO. Zadaniem współczesnego układu wentylacyjnego jest usuwanie z pomieszczeń zamkniętych powietrza zanieczyszczonego oraz dostarczenie w jego miejsce powietrza świeżego, czystego o określonej temperaturze. W części nawiewnej następuje przygotowanie powietrza poprzez jego oczyszczenie i ewentualne podgrzanie lub ochłodzenie do wymaganej temperatury przed wprowadzeniem do pomieszczeń, Wentylacja poprawia stan i skład powietrza przez jego wymianę w pomieszczeniu zgodnie z wymaganiami organizmu ludzkiego lub procesu technologicznego. Wentylacja powinna: Być ciągła pracować także podczas nieobecności ludzi; Obsługiwać każde pomieszczenie i zapewniać stałą wymianę powietrza we wszystkich przewidzianych strefach; Zapewniać automatyczne dostosowanie się zarówno do dynamicznie zmieniających się warunków wewnątrz pomieszczeń, jak i zmiennych warunków zewnętrznych (np. pogodowych); Dostosować parametry pracy w ujęciu ogólnym jak i dla pojedynczego pomieszczenia. Dla spełnienia tych celów tworzy się i wciąż udoskonala elementy i układy automatycznej regulacji. 3 S t r o n a
REGULACJA. Regulacja jest procesem w wyniku którego wielkości fizyczne (takie jak np. temperatura powietrza, ciśnienie powietrza itp.) utrzymywane są na stałym poziomie lub przybierają określone, z góry założone wartości, mimo wpływu czynników zakłócających. W skutek zakłóceń układ podlegać może oscylacjom, podczas których wielkość regulowana nie zachowuje stałej wartości, lecz wartość ta waha się wokół określonej wartości średniej. W technice ogrzewniczej, wentylacyjnej i klimatyzacyjnej występują następujące wielkości zakłócające: Pogoda (wpływ temperatury wewnętrznej, promieniowania słonecznego i wiatru); Wahania temperatury i ciśnienia czynników (zakłócenia temperatury pomieszczeń przez ludzi). STEROWANIE. Sterowanie to proces w którym jedna wielkość reguluje pracą drugiej (np. termostat temperatury powietrza zewnętrznego sterujący położeniem zaworu mieszającego wody). Urządzenie sterujące realizuje następujące funkcje: 1. Pomiar (np. temperatury za pomocą czujnika elementu pomiarowego w miejscu nastawiania); 2. Porównanie wartości rzeczywistej z wartością zadaną; 3. Wzmacnianie i ewentualne przetwarzanie sygnałów w regulatorze (element wzmacniający); 4. Przestawianie elementu nastawczego (np. grzybka zaworu). 4 S t r o n a
STEROWANIE/REGULACJA STOSOWANE POJĘCIA. Wielkość regulowana wielkość, którą zamierza się regulować lub taką która ma być sterowana przez inny parametr. W wentylacji i klimatyzacji regulacją są objęte: Temperatura; Wilgotność; Ciśnienie oraz natężenie przepływu powietrza (w miarę potrzeb). Obiekt regulacji część urządzeń, których działanie ma zamierza się regulować. Zamknięte układy regulacji połączenie obiektu regulacji z urządzeniem regulacji automatycznej. Wielkość sterująca, miejsce pomiaru oraz miejsce umieszczenia przyrządu pomiarowego ze względu na stosowany rodzaj regulacji. Miejsce przekazu sygnału z regulatora ze względu na rodzaj zabezpieczenia. 5 S t r o n a
WYBRANE ELEMENTY AUTOMATYKI. Kanałowe czujniki i przetworniki temperatury. Czujniki temperatury służą do pomiaru temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego lub zewnętrznego. Posiadają element czuły na temperaturę, który przy zmianie temperatury (wejścia) zmienia swoje wyjście. Rozróżnić można czujniki kanałowe i pokojowe. Te pierwsze służą do pomiaru temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego lub zewnętrznego (wewnątrz samej centrali oraz bezpośrednio w kanałach wentylacyjnych. Mogą dostarczać sygnał aktywny 0 10V (przetworniki), lub sygnał pasywny oporowy (czujniki rezystancyjne). Pokojowe czujniki i przetworniki temperatury. Czujniki pokojowe mierzą temperaturę bezpośrednio w pomieszczeniu. Wytwarzać mogą sygnał aktywny bądź pasywny. Wyposażone mogą być w wbudowany nastawnik temperatury formujący sygnał 0 10V. Należy pamiętać o montowaniu czujnika w prawidłowym miejscu (w miejscu reprezentatywnym, z dala od okien, drzwi, w miejscach nienasłonecznionych). Najprostszym połączeniem czujnika i regulatora jest termostat. 6 S t r o n a
Czujniki wilgotności i higroskopijne. Higrostat kanałowy Higrostat pokojowy nastawiany wewnętrznie W tego typu czujnikach elementem czułym jest kondensator z dielektrykiem wykonanym z polimeru o właściwościach higroskopijnych. Sygnał z czujnika zmienia się proporcjonalnie do zmian wilgotności względnej powietrza. Czujnikiem temperatury jest rezystor, w którym wartość rezystancji zmienia się proporcjonalnie do zmian mierzonej temperatury. Czujniki ciśnienia. Presostaty różnicowe W czujnikach ciśnienia sygnał pomiarowy jest ujmowany pojemnościowo przez położenie membrany bądź przepony wewnątrz czujnika. Może on pełnić kilka funkcji. Dokonuje pomiaru różnicy ciśnień przed i za filtrem (spadek ciśnienia) dostarczając w ten sposób informacji o stopniu zanieczyszczenia filtra. Może dostarczać też informacji o prawidłowości działania wentylatora napędzanego paskiem klinowym (w razie zerwania paska sygnał o awarii), lub wentylatora napędzanego bezpośrednio, gdy w centrali występuje także nagrzewnica elektryczna. 7 S t r o n a
Czujniki entalpii. Czujniki entalpii są potrzebne do energetycznej optymalizacji pracy urządzeń klimatyzacyjnych. Stosuje się je np. do ujęcia różnic entalpii między powietrzem zewnętrznym i powietrzem wywiewanym głównie do regulacji regeneracyjnych wymienników odzysku ciepła. Stosowany jest jeden czujnik wilgotności względnej i jeden temperatury, entalpię natomiast wylicza układ elektroniczny. Czujniki tlenku węgla. czujniki elektrochemiczne i układy mikroprocesorowe. Zadaniem czujnika tlenku węgla jest kontrola zawartości tlenku węgla (czadu) w powietrzu w pomieszczeniach zamkniętych. Zmiana stężenia CO powyżej wartości dopuszczalnej uaktywnia wyjścia sterujące wymuszające zmianę prędkości obrotowej wentylatora. Detektory wykorzystują Czujniki zanieczyszczenia powietrza. Czujnik zanieczyszczenia powietrza włącza lub wyłącza wentylator, kiedy jakość powietrza spadnie poniżej nastawionego poziomu. Czujnik reaguje na: wyziewy, nieprzyjemne zapachy, dym z papierosów, zawilgocenie, itp. W urządzeniu można ustawić zwłokę czasową, po której wentylator zostanie wyłączony. 8 S t r o n a
Elementy zabezpieczające: Termostat przeciwzamrożeniowy po stronie powietrza. Przy ujemnych temperaturach zewnętrznych istnieje niebezpieczeństwo zamarznięcia nagrzewnicy powietrza, co łączy się z przykrymi następstwami: pękanie rur, zniszczenie nagrzewnicy, powstawanie nieszczelności. Termostat zabezpiecza nagrzewnicę wodną przed zamarznięciem czynnika grzewczego w nagrzewnicy. Czujnik mierzy temperaturę powietrza wypływającego z nagrzewnicy, następnie dokonywane jest porównanie z minimalną dopuszczalną temperaturą (zalecane 4 5 C). W momencie spadku temperatury poniżej dopuszczalnej wartości regulator centrali podejmuje zamknięcie przepustnic powietrza, wyłączenie wentylatorów i całkowite otwarcie zaworu nagrzewnicy. Termostat zabezpieczający przed przegrzaniem. Termostat zabezpieczający przezd przegrzaniem zapewnia zabezpieczenie nagrzewnicy elektrycznej przed nadmiernym wzrostem temperatury. W momencie przekroczenia temperatury dopuszczalnej następuje wyłączenie nagrzewnicy i zezwolenie na włączenie następuje dopiero po odpowiednim obniżeniu temperatury. Działanie termostatu oparte jest na właściwościach elementu bimetalowego. Włączony jest on w obwód sterowania nagrzewnicy elektrycznej. Napędy nastawcze. Silnik elektryczny przepustnicy powietrza W elementach nastawczych stosuje się zwykle silniki elektryczne o stałej liczbie obrotów. W zależności od impulsu elektrycznego silnik obraca się w lewo lub w prawo, przestawiając człon 9 S t r o n a
nastawczy (zawór lub klapę) za pośrednictwem przekładni zębatej lub przełożenia dźwigniowego. Stosowane są również pneumatyczne siłowniki nastawcze. Mogą być napędzane membraną lub korpusem sprężystym. Ruch wywoływany ciśnieniem sterującym jest przenoszony poprzez przełożenie dźwigniowe bezpośrednio na przepustnicę lub zawór. Siła napędowa jest zwykle większa niż przy siłownikach elektrycznych. Regulator prędkości obrotowej. Regulator prędkości obrotowej pozwala na utrzymywanie regulowanej wydajności powietrza centrali wentylacyjnej poprzez proporcjonalną zmianę prędkości obrotowej silnika sprzężonego z wentylatorem. Realizacja odbywa się w tym przypadku poprzez wykorzystanie układów tyrystorowych. Zawory nastawcze. Zawór przelotowy kulowy z siłownikiem Zawór trójdrogowy z siłownikiem Zawory nastawcze są takimi elementami, które pod wpływem sygnału z regulatora zmieniają strumień energii wody lub pary czy innego medium dostarczanego do centrali klimatyzacyjnej. Można wyróżnić zawory przelotowe jak i trójdrogowe. Te drugie mają trzy przyłącza i umożliwiają przepływ czynnika w dwóch kierunkach. Mogą być stosowane zarówno do rozdzielania jak i mieszania strumieni cieczy. 10 S t r o n a
Przemiennik częstotliwości (falownik). Zadaniem przemiennika częstotliwości jest płynna optymalnej zależności napięcie/częstotliwość. regulacja wydajności powietrza centrali wentylacyjnej poprzez proporcjonalną zmianę prędkości obrotowej zespołu silnik-wentylator. Zastosowanie falownika pozwala na utrzymywanie stałych parametrów pracy centrali przy zmiennych oporach przepływu powietrza przez instalację. Układ elektroniczny pozwalający na zmianę częstotliwości napięcia silnika oraz utrzymanie Sternik cyfrowy. Sternik cyfrowy służy do bezpośredniego komunikowania się użytkownika z urządzeniem. Realizuje pomiar temperatury powietrza w pomieszczeniu. Dodatkowo umożliwia zadawać i odczytywać parametry pracy centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej takie jak: Parametry powietrza Zmiany wydajności (płynna) Stopień recyrkulacji Ustawienie kalendarza pracy START/STOP Stany awarii KORZYŚCI WYNIKAJĄCE Z AUTOMATYZACJI. Automatyzacja urządzeń klimatyzacyjnych i wentylacyjnych pozwala na: Uzyskanie wysokiego komfortu przebywania w pomieszczeniach, w których nawet bez żadnej ingerencji człowieka zawsze będą utrzymywane zadane parametry powietrza; Znaczne oszczędności ekonomiczne związane z eksploatacją urządzeń (zużycie energii może być mniejsze nawet o 15%); Kontrolę pracy i zabezpieczenie elementów urządzeń przed uszkodzeniami. 11 S t r o n a
ŹRÓDŁA: Tymiński P.: Elementy automatyki nowoczesnych central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 08/2006; Perestaj G.: Układy automatyki nowoczesnych central klimatyzacyjnych z odzyskiem i bez odzysku ciepła: budowa + działanie + przykłady rozwiązań, strona specjalności (Osiągi studentów); Katalog firmowy VTS Clima. 12 S t r o n a