POLITECHNIKA GDAŃSKA

POLITECHNIKA GDAŃSKA AUTOMATYKA CHŁODNICZA: TEMAT: Układy automatyki nowoczesnych central klimatyzacyjnych z odzyskiem i bez odzysku ciepła: budowa + działanie + przykłady rozwiązań. Daniel Piotrowski SUChiKl 1

Spis treści: 1. Wstęp 3 2. Parametry powietrza wewnętrznego. 3 3. Regulacja i sterowanie. 4 4. Zalety regulacji automatycznej i sterowania 6 5. Przykłady najczęściej stosowanych elementów układów automatyki central wentylacyjnych. 7 6. Podsumowanie 14 7. Bibliografia 14 2

1 Wstęp Człowiek jest kapryśny jak pogoda. Zimą jest mu za zimno a latem zbyt gorąco. Zimą grzejemy się czym moŝemy i tworzymy bardziej komfortowe warunki od tych które proponuje na aura. Latem jednak często jesteśmy bezradni. Radą na upał i Ŝar lejący się z nieba są klimatyzatory. A c oto jest klimatyzacja i klimatyzatory? Klimatyzacja to wytworzenie odpowiedniego mikroklimatu w pomieszczeniu, czyli nadanie powietrzu wymaganych właściwości (temperatura, wilgotność, skład). MoŜna nazwać klimatyzację ''uzdatnianiem powietrza wewnętrznego''. Natomiast klimatyzatory to urządzenia, które pozwalają stworzyć optymalne warunki pod względem temperatury w pomieszczeniu. Ale nie tylko bo oprócz tego klimatyzator osusza powietrze oczyszcza je i steruje jego przepływem. Ponadto niewiele osób wie Ŝe klimatyzator moŝe nam słuŝyć przez cały rok. Wiele modeli nie tylko chłodzi powietrze latem ale i ogrzewa zimą. Organizm człowieka ma zdolność samoczynnej regulacji temperatury ciała. Polega ona na oddawaniu ciepła do otoczenia. śeby organizm był chłodzony ( a raczej nie uległ przegrzaniu) podczas upału krew przemieszczana jest w kierunku skóry. Im wyŝsza jest temperatura otoczenia i większa wilgotność powietrza tym mniej skuteczny jest ten efekt. ObniŜając jednocześnie temperaturę i wilgotność oraz utrzymując określoną prędkość przepływu powietrza moŝna sprawić by osoba przebywająca w pomieszczeniu czuła się komfortowo. Warunki idealne dla człowieka to temperatura 21-26 o C wilgotność 40-60% oraz prędkość powietrza około 20 cm/sek. Na rynku moŝemy znaleźć wiele typów urządzeń klimatyzacyjnych. Najprostsze są klimatyzatory kompaktowe. PrzewaŜnie są to urządzenia przenośne lub okienne. Przeznaczone są do chłodzenia pojedynczych pomieszczeń i nie wymagają specjalnych zabiegów instalacyjnych. Najpopularniejsze klimatyzatory do domków jednorodzinnych to urządzenia typu monosplit lub multisplit. 2 Parametry powietrza wewnętrznego. Parametry powietrza wewnętrznego, które decydują o naszym samopoczuciu, to: Temperatura zapewnia tzw. komfort cieplny i decyduje o naszym samopoczuciu i wydajności. Optymalne temperatury uzaleŝnione są od pory roku, aktywności fizycznej, ale jako przedział uniwersalny moŝna podać 18-26 o C, Wilgotność (zawartość pary wodnej) powinna wynosić od 40 do 60% (średnio). Zbyt niska powoduje wysuszenie błon śluzowych i choroby dróg oddechowych, zbyt wysoka zmęczenie, niedotlenienie, dekoncentrację. Zbyt wysoka wilgotność sprzyja rozwojowi zarodników grzybów pleśniowych. Prędkość cyrkulacji powietrza nie powinna przekraczać 0,2 m/s (większa wartość jest odczuwana jako przeciąg). Zbyt mała powoduje powstanie zagłębi dwutlenku węgla. Jonizacja powietrza (elektroklimat) jony dodatnie (wytwarzające się na skutek promieniowania elektromagnetycznego urządzenia biurowe monitory itp.) pogarszają samopoczucie, jony ujemne są charakterystyczne dla środowiska naturalnego np. lasów, parków. Proporcja tlen/dwutlenek węgla - dla dobrego samopoczucia konieczna jest nie tylko sama obecność tlenu, ale teŝ jego stęŝenie. Zbyt niska wartość powoduje 3

niedotlenienie. Zbyt wysokie stęŝenie dwutlenku węgla w powietrzu stanowi zagroŝenie dla układu oddechowego, Zawartość substancji organicznych (np. formaldehyd) - trujące substancje organiczne nawet w niewielkim stęŝeniu powodują zmęczenie, senność i dekoncentrację. W większych stęŝeniach są po prostu niebezpieczne Zawartość cząstek stałych - przede wszystkim kurzu i dymu papierosowego. Cząstki te powodują poczucie dyskomfortu, a jednocześnie wpływają negatywnie na układ oddechowy, Zawartość alergenów - roztoczy, zarodników grzybów, zarodników pleśni, pyłków roślin - niebezpieczne nie tylko dla alergików, ale teŝ dla osób zdrowych - mogą wywołać reakcję alergiczną, Zawartość mikroorganizmów (wirusów, glonów, bakterii) organizmy te stanowią zagroŝenie dla naszego zdrowia. 3 Regulacja i sterowanie. Jak juŝ wspomniałem na samym początku powietrze aby posiadało odpowiednie własności musi być odpowiednio regulowane. Regulacja jest to proces, w wyniku którego wielkości fizyczne, np. temperatura powietrza, ciśnienie powietrza, itp., utrzymywane są na stałym poziomie lub przybierają określone, z góry załoŝone wartości, mimo wpływu czynników zakłucających. Układ moŝe podlegać oscylacjom podczas których, wielkość regulowana nie zachowuje stałej wartości, lecz wartość jej waha się wokół określonej wartości średniej. Sterowaniem nazywamy proces, w którym jedna wielkość przedstawia drugą, np. termostat temperatury powietrza zewnętrznego sterujący połoŝeniem zaworu mieszającego wody. Urządzenie sterujące realizuje w tym przypadku następujące funkcje: Pomiar temperatury za pomocą czujnika Porównanie wartości rzeczywistej z wartością zadaną Wzmocnienie i ewentualna przetworzenie sygnałów regulatorze Przestawienie elementu nastawczego np. grzybka zaworu. W urządzeniach klimatyzacyjnych wykorzystuje się podane poniŝej układy regulacji: Regulatory bezpośrednie Regulatory te pracują bez energii pomocniczej przy wykorzystaniu zjawiska rozszerzalności cieplnej. W technice wentylacyjnej uŝywa się regulatorów głównie do regulacji temperatury, w mniejszym zakresie do regulacji ciśnień i przepływów objętościowych. NaleŜą one do regulatorów o działaniu ciągłym. Regulatory temperatury składają się z czujnika, kapilary i zaworu. Przy wzroście temperatury rozszerza się ciecz i porusza siłownik sterowniczy zaworu. Czujnik do pomiaru temperatury wody wykonuje się w postaci pręta, natomiast do pomiaru temperatury powietrza w postaci spirali. Chodzi tu o uzyskanie szybkiej reakcji. MoŜe on być równieŝ wykonany oddzielnie od zaworu jako nastawnik wartości zadanej. Stosowane najczęściej w małych urządzeniach. Utrzymanie temperatury nie jest dokładne, poniewaŝ występuje tu regulator proporcjonalny; zakres proporcjonalności od 3 do 6 K, skok od 2 do 3 mm. 4

Rys.3.1 Regulator rozszerzalnościowy: 1- klucz nastawny, 2 skala, 3 tuleja, 4 mieszek metalowy, 5 czujka temperaturowa Regulatory mechaniczno elektryczne W tym wypadku chodzi o regulatory o działaniu nie ciągłym. Znajdują tu z reguły zastosowanie regulatory dwupołoŝeniowe. Ich sygnał wejściowy moŝe przyjmować tylko dwa stany: włącz lub wyłącz, znajdują wielorakie zastosowanie jako regulatory temperatury, wilgotności i ciśnienia. D tej grupy regulatorów zalicza się równieŝ regulatory trzy połoŝeniowe. Pracują podobnie jak dwupołoŝeniowe, z tą róŝnicą, Ŝe jest moŝliwe pośrednie połoŝenie członu nastawczego. MoŜna tu teŝ zaliczyć regulatory zwane termostatami zegarowymi, na których moŝna ręcznie nastawić dwie róŝne wartości zadane, np. inną dla dnia i inną dla nocy. Regulatory elektryczne Tego typu regulatory wymagają zasilania elektrycznego, poniewaŝ budowane obecnie regulatory są przewaŝnie wyposaŝone w zespoły elektroniczne, więc często nazywa się je równieŝ regulatorami elektrycznymi. Regulowana wielkość fizyczna zwykle temperatura, wilgotność wilgotność ciśnienie jest przetwarzana w czujniku pomiarowym na elektryczny sygnał analogowy. W regulatorze jest ten sygnał odbierany jako wartość rzeczywista. Zespoły elektroniczne regulatora wytwarzają nowy sygnał elektryczny i przesyłają do przyłączonego członu nastawczego.wszystkie te regulatory pracują jako następujące algorytmy regulacji: 5

proporcjonalny, proporcjonalno całkujący, proporcjonalno całkująco róŝniczkujący, jak równieŝ w kombinacji tych trzech metod. Regulatory pneumatyczne. Są to urządzenia, które wykorzystują spręŝone powietrze jako energie pomocniczą do wzmocnienia mocy sygnałów. Składają się one z następujących głównych części: - spręŝarki razem z silnikiem i zbiornikiem spręŝonego powietrza - czujnika temperatury - czujnika wilgotności - czujnika ciśnienia - siłowników membranowych membranowych i klap - przewodów łączących między spręŝarką, czujnikami i siłownikami membranowymi, wykonanymi z rurek miedzianych lub tworzyw sztucznych. Wszystkie regulatory pneumatyczne mają działanie proporcjonalne, tzn., Ŝe kaŝdej wartości temperatury, ciśnienia lub wilgotności przyporządkowane jest ściśle określone połoŝenie elementu nastawczego. Zakres P jest zwykle nastawialny. Występująca niedokładność regulacji jest całkowicie eliminowana przez sprzęŝenie zwrotne. 4 Zalety regulacji automatycznej i sterowania Stosowanie pełnej automatyzacji urządzeń klimatyzacyjnych pozwala i wentylacyjnych pozwala na: 1) uzyskanie wysokiego komfortu przebywania w pomieszczeniach których nawet bez Ŝadnej integracji człowieka zawsze będą utrzymane zadane parametry powietrza, 2) znaczne oszczędności ekonomiczne związane z oszczędnością energii elektrycznej, 3) kontrole pracy i zabezpieczenia elementów przed uszkodzeniami. Układy automatyki central klimatyzacyjnych spełniają zatem dwie podstawowe funkcje: a) zabezpieczająca - nagrzewnicę wodną przed zamarznięciem - nagrzewnicę elektryczną przed przegrzaniem 6

- wymiennik krzyŝowy i obrotowy z odzyskiem ciepła przed zaszronieniem - sygnalizowanie stanu awarii - utrzymaniu minimalnej temperatury w pomieszczeniu podczas pracy w okresie czuwania b) sterująca poprzez sterowanie parametrami dzięki regulatorowi programowalnemu, który steruje pracą centrali z zaprogramowanymi wytycznymi. W zaleŝności od ustawień zegara następuje włączenie centrali do pracy i utrzymanie określonych parametrów, lub przejście zespołu w stan czuwania. Z regulatora sygnał przekazywany jest do: - wymienników ciepła (nagrzewnicy elektrycznej, agregatu chłodniczego, załączenia pompy wody i sterowania siłownikami zaworów nagrzewnicy wodnej lub układu chłodniczego - sterowania siłownikami przepustnic - sterowania nawilŝaniem i odzyskiem ciepła 5 Przykłady najczęściej stosowanych elementów układów automatyki central wentylacyjnych. Stosowanie pełnej automatyzacji urządzeń klimatyzacji i wentylacji pozwala na uzyskanie wysokiego komfortu przebywania w pomieszczeniach, których bez ingerencji człowieka zawsze będą utrzymywane zadane parametry powietrza. Opis dziania schematu: Rozdzielnica elektryczna RC steruje pracą centrali wentylacyjnej. Po włączeniu centrali do pracy, siłownik XD/1-01 otwiera przepustnicę wlotową powietrza a czujniki temperatury ustawiają odpowiedni stopień otwarcia siłownika zaworu XV.1-01. kanałowy czujnik 7

temperatury TT/1-01 kontroluje minimalną temperaturę nawiewanego powietrza, natomiast pomieszczeniowy czujnik temperatury TT/1-02 reguluje temperaturę wentylowanego pomieszczenia. Gdy temperatura za nagrzewnicą spadnie poniŝej 5 o C termostat przeciwzamroŝeniowy TS/1-01 wyłączy pracę centrali, zamknie przepustnicę i otworzy dopływ wody grzewczej do nagrzewnicy. Gdy centrala nie pracuje a temperatura za nagrzewnicą spadnie otworzy się tylko zawór nagrzewnicy. Presostat DPS/1-01 informuje o nadmiernym zanieczyszczeniu filtra. Presostat DPS/1-02, przy spadku spręŝu na wentylatorze wyłączy pracę instalacji. W najnowszych modelach central obecnie wprowadzone są: Tory kablowe prowadzone wewnątrz obudowy centrali co powoduje: - ułatwienie montaŝu central elementy automatyki podłączane są bezpośrednio do gniazd umieszczonych w suficie lub ścianach centrali - redukcję kosztów instalacji - przyśpieszenie montaŝu automatyki (gotowe okablowanie) - wyeliminowanie błędów montaŝowych Wyłącznik serwisowy centrali zwykle umieszczony na ścinanie centrali Oświetlenie wewnętrzne centrali Jedna z firm istniejących na rynku w standardzie automatyki stosuje sterownik: - przygotowany do współpracy z systemem monitoringu. Omówienie automatyki zastosowanej w powyŝszej centrali klimatyzacyjnej: Jako pierwsze zostaną omówione siłowniki przepustnic. SłuŜą one do zamykania przepustnic wlotowych, w momencie kiedy centrala nie pracuje. Po uruchomieniu centrali następuje otwarcie sterownie odbywa się za pomocą on/off. SłuŜą one równieŝ do regulacji stopnia otwarcia przepustnic powietrza w przypadku stosowania recyrkulacji głównie w komorach mieszania. I ostatnim przykładem zastosowania jest sterowanie przepustnicą by passu wymiennika krzyŝowego. Praca tych Ŝe siłowników odbywa się automatycznie zaleŝności od stanu pracy centrali lub sygnałów z regulatora. Obecne siłowniki stosowane na rynku zasilane są prądem 24V, z sygnałem sterowania 0-10V w sposób ciągły, lub za pomocą włącznika on/off w zaleŝności od zestawu funkcjonalnego. Oba typy siłownikó mogą być wyposaŝone w spręŝynę powrotną, która w przypadku przerwania zasilania spowoduje zamknięcie łopatek przepustnicy. Przy braku zasilania siłowniki mogą być ustawione ręcznie. Przykład takiego siłownika został pokazany na rysunku 5.1. 8

Rys.5.1 Siłownik przepustnic. Presostat róŝnicowy jest to tak zwany czujnik róŝnicy ciśnień. Jego przeznaczenie jest następujące: pomiar róŝnicy ciśnień powietrza występujących przed i za filtrem oraz dostarcza informacji o zanieczyszczeniu filtra. Jak równieŝ słuŝy do pomiaru róŝnicy ciśnień powietrza występujących przed i za wentylatorem dostarcza informacji o prawidłowym działaniu wentylatora. Jego podstawa jest wykonana z tworzywa sztucznego. Zestaw pomiarowy wyposaŝony jest w dwie impulsowe rurki wraz z przepustami i klipsami montaŝowymi. Rys. 5.2 przybliŝa wygląd omawianego presostatu. Rys.5.2 Presostat róŝnicowy Następny element to termostat zabezpieczający przed przegrzaniem. Zasadniczo słuŝy on do termicznego zabezpieczenia nagrzewnic przed przegrzaniem. Przy temperaturze powietrza 65 o C następuje wyłączenie nagrzewnicy. Ponowne włączenie nagrzewnicy następuje po spadku temperatury do 43 o C. Działanie tego termostatu jest oparte na właściwościach elementu bimetalowego. Do listwy przyłączeniowej wyprowadzone są trzy przewody sygnałowe. Rys.5.3 Termostat zabezpieczający przed przegrzaniem Termostat przeciwzamroŝeniowy zabezpiecza nagrzewnice wodne przed zamroŝeniem. W przypadku obniŝenia temp. powietrza za nagrzewnicą poniŝej zadanej temp. granicznej przekazywany jest sygnał do regulatora. Następuje wyłączenie wentylatorów, zamknięcie przepustnic powietrza, a zawór nagrzewnicy zostaje otwarty na 100% - urządzenie sygnalizuje stan awarii. Układ wróci do normalnego stanu pracy po wzroście temp. O wartość podaną na wskaźniku róŝnicowym. Temperaturę graniczną moŝna ustawić zgodnie z Ŝyczeniem jednak zalecana jest przewaŝnie temperatura od 4 do 5oC. W skład budowy termostatu wchodzi czujnik temp. gdzie jest to kapilara o długości 2 lub 6 m, wypełniona jest czynnikiem niskowrzącym. W wyniku działania niskiej temperatury w kapilarze następuje zmiana ciśnienia, która powoduje rozłączenie styków elektrycznych. Termostat wyposaŝony jest w regulację zakresu i róŝnicy temperatury, wskaźnik zakresu, wskaźnik róŝnicowy. 9

Rys.5.4 Termostat przeciwzamroŝeniowy. Kanałowe czujniki i przetworniki temperatury. Czujniki i przetworniki temperatury słuŝą do pomiaru temp. W instalacjach nawiewnych i wywiewnych. Szeroki zakres zastosowań pozwala na wykorzystanie ich do pomiaru temp. Wewnątrz samej centrali oraz bezpośrednio w kanałach wentylacyjnych. Obecnie duŝą popularnością cieszą się czujniki prętowe, które obudowę mają wykonaną z plastiku i montowana jest na zewnątrz kanału do środka kanału wsuwana jest sonda z czujką temperatury. Rys.5.5. Kanałowy czujnik temperatury. Pokojowe czujniki i przetworniki temperatury. SłuŜą do pomiaru temp. bezpośrednio w pomieszczeniu klimatyzowanym, posiadają regulacje temperatury, który za pomocą sygnału przekazuje informacje do regulatora. Wytwarzają one sygnał aktywny lub pasywny, który odpowiada mierzonej temperaturze pomieszczenia. Wykonane są przewaŝnie w kolorze białym i montowane na ścianie co pokazuje poniŝszy rysunek. 10

Rys.5.6 i Rys.5.7 Pokojowe czujniki i przetworniki temperatury. Elektroniczne przetworniki wilgoci są urządzeniami nowej generacji, opartymi na najnowszego typu elementach pomiarowych. UmoŜliwiają pomiar wilgotności w zakresie 0 100% w szerokim zakresie temp. Roboczych. Dostępne są na rynku zarówno odmiany kanałowe jak i pomieszczeniowy. Podstawą ich działania jest wykorzystanie pojemnościowego elementu pomiarowego, pomiarowego którym pojemność zmienia się proporcjonalnie do zmian wilgotności. Rys. 5.8 Elektroniczny przetwornik wilgoci. Zawory. Podstawowym zadaniem zaworów jest regulacja przepływu wody grzewczej, lodowej lub roztworu glikolu dostarczonego do wymienników w centrali klimatyzacyjnej. Zamknięcie lub otwarcie zaworu odbywa się za pomocą siłownika pod wpływem sygnału dostarczonego z układu automatyki, kontrolującego parametry pracy. Zawory pracują zawsze jako zawory mieszające. Zawory trójdrogowe mogą być stosowane w wersji mieszającej, oraz 11

mogą współpracować z napędami elektrycznymi. W zaleŝności od średnic podzielone są one na dwie grupy co obrazują poniŝsze tabelki. Rys. 5.9 Zawór trójdroŝny. Szafki zasilająco sterujące. SłuŜą do sterowani pracą central grzewczych, wentylacyjnych klimatyzacyjnych. Szafki wykonane są w funkcjonalnych i elastycznych obudowach, w zaleŝności od mocy zainstalowanych silników w centrali: - w obudowie z tworzywa sztucznego wprowadzonym na płytę czołową panelem z sensorami sterowniczymi - w obudowie metalowej Rozdzielnica wyposaŝona jest w zegar tygodniowy z moŝliwością nastawienia okresu pracy i czuwania. Standardowe wymiary rozdzielnic to 380x560x180 mm i 500x600x200 mm. Rozdzielnica współpracuje jedynie z silnikami wyposaŝonymi w układ nadzoru temperatury uzwojeń za pomocą czujek. Zasilanie rozdzielnicy zasilająco sterującej powinno być realizowane z rozdzielnicy głównej wyposaŝonej w wyłącznik główny i odpowiednie zabezpieczenie róŝnicowe obwodów zasilających rozdzielnicę. Rozdzielnice posiadają moŝliwość załączania poprzez listwę zaciskową wentylatora dachowego, centrali wyciągowej lub agregatu chłodniczego. Istnieje moŝliwość zasilania z rozdzielnicy pompy 12

jednofazowej nagrzewnicy wodnej. PoniŜej został przedstawiony rysunek, który obrazuje jak wygląda szafa zasilająco sterująca, oraz jej wnętrze. Rys. 5.10 Szafa zasilająco sterująca. Elektryczne siłowniki zaworów. SłuŜą do sterowania pracą zaworów, obecnie uŝywane są trzy rodzaje siłowników elektrycznych: Elektrycznych nacisku od 90-150 N Z nominalnym naciskiem 400 N O nacisku od 1.000-3.000 N Działanie siłowników polega na regulacji pracy zaworu za pomocą sygnału proporcjonalnego. Budowa siłowników: Siłowniki o nacisku od 90-150 N posiadają siłownik synchroniczny oraz magnetyczne sprzęgło utrzymujące stałe obciąŝenie na końcu skoku zapewniając szczelne zamknięcie zaworu i kompensowania zuŝycia gniazda. Siłowniki o nacisku powyŝej 400 N napędzane są silnikiem synchronicznym. SłuŜą do sterowania zaworami o maksymalnym wysunięciu trzpienia ¾. Kompaktowy siłownik bez spręŝynowego uderzenia zwrotnego działa z minimalną siłą 400 N, reagując na sygnały sterujące. Siłowniki o nacisku od 1.000 3.000 Napędzane silnikiem synchronicznym prądu stałego, wyposaŝone są w kalibrowane wyłączniki przeciąŝeniowe w celu zabezpieczenia przed przekroczeniem wartości dopuszczalnego nacisku na trzpień zaworu. Siłowniki są wyposaŝone opcjonalnie w układ sprzęŝenia zwrotnego i wyłączniki krańcowe. Istnieje równieŝ moŝliwość ręcznej regulacji. Siłowniki cyfrowe przeznaczony do regulacji, ciągłej kontroli i korygowania zadanych przez uŝytkownika parametrów pracy danego układu. Regulator cyfrowy jest wyposaŝony w umieszczoną w pamięci bibliotekę gotowych do uŝycia aplikacji. Podczas instalacji wybierany jest program aplikacyjny, który następnie moŝe być dopasowany do konkretnej centrali poprzez zmianę parametrów. Na wyświetlaczu regulatora ukazują się wszelkie niezbędne informacje o pracy programu. Siłownik standardowo jest wyposaŝony w moŝliwość podłączenia do magistrali komunikacyjnej. W celu zabezpieczenia przed zmianą parametrów operacyjnych przez osoby niepowołane, wymagane jest podanie hasła zabezpieczającego. 13

6. Podsumowanie Stosowanie pełnej automatyzacji urządzeń klimatyzacji i wentylacji pozwala na uzyskanie wysokiego komfortu przebywania w pomieszczeniach, których bez ingerencji człowieka zawsze będą utrzymywane zadane parametry powietrza. 7. Bibliografia VBW Clima Typowe układy automatyki central nawiewnych i nawiewno wywiewnych IPPU MASTA Automatyka klimatyzacyjna katalog systemów VTS Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne katalog 2006 Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna Z. Bonca Poradnik ogrzewanie + klimatyzacja Recknagel Regulacja urządzeń grzewczych wentylacyjnych i klimatyzacyjnych P. Würstlin Regulacja urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych B. Junker Ogrzewnictwo i klimatyzacja W. Raib 14