"За статью проголосовало 0 человек"

АВТОМАТИЗАЦИЯ  УПРАВЛЕНИЯ  ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ  ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ  СИСТЕМ

Соснин  Алексей  Леонидович

Трусов  Валерий  Александрович

студенты  5  курса,  кафедра  ТМСИ,  филиал  ЮУрГУ  в  г.  Златоусте

E-mail:  balid@hotbox.ru

Максимов  Сергей  Павлович

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент,  декан  факультета  техники  и  технологии  филиала  ЮУрГУ  в  г.  Златоусте

На  сегодня  основные  проблемы  энергетики  связаны  с  возрастающим  ростом  народонаселения  Земли,  дефицитом  энергии  и  ограниченностью  топливных  ресурсов.  Современное  энергоснабжение  более  чем  на  80  %  базируется  на  невозобновляемых  источниках  энергии.  Именно  поэтому  остро  встаёт  вопрос  о  снижении  энергозатрат.  Европейский  комитет  по  стандартизации  планирует  внедрить  к  2020  году  директиву  “Energy  Perfomance  of  Buildings  Directive”,  предусматривающую  минимальные  требования  для  отдельных  компонентов  здания.  В  эту  директивую  также  будет  входить  пункт  о  сертификации  энергоэффективности  вентиляции  и  кондиционирования  воздуха.

Вентиляция  разделяется  на  два  класса:  естественная  и  механическая.  Механическая  вентиляция  в  силу  своей  высокой  эффективности  получила  преимущественное  распространение  при  проектировании  производственных  и  складских  помещений.  Она  подразделяется  на  местную  (для  удаления  каких-либо  вредных  веществ  из  рабочей  зоны),  общеобменную  (приточная,  вытяжная,  приточно-вытяжная)  и  аварийную,  которая  используется  для  дымоудаления  на  начальных  стадиях  пожара  для  обеспечения  эвакуации  людей,  а  также  удаления  вредных  веществ  при  превышении  их  ПДК  [3].

Цель  дипломного  проекта  заключается  в  разработке  энергоэффективной  механической  вентиляции  для  складского  помещения,  в  котором  требуется  поддержание  определённых  температурных  режимов  для  хранения  продукции.

Для  достижения  поставленной  цели  необходимо  решить  следующие  задачи:

·     анализ  существующих  решений  в  этой  области;

·     подбор  и  расчёт  элементов  вентиляционной  системы;

·     выбор  управляющего  контроллера;

·     разработка  алгоритма  работы  вентиляционной  системы;

·     разработка  управляющей  программы  контроллера;

·     проектирование  схемы  электрической  принципиальной  шкафа  системы  автоматического  управления  вентиляцией.

Объектом  дипломного  проекта  является  приточно-вытяжная  вентиляционная  установка.

Предмет  проекта  —  процесс  создания  энергоэффективной  вентиляционной  установки  для  складского  помещения.  После  составления  подробного  технического  задания  был  проведён  анализ  существующих  технических  решений  в  данной  области,  который  показал,  что  наиболее  энергозатратными  элементами  системы  механической  общеобменной  вентиляции  являются  следующие  элементы:  двигатель  вентилятора  и  теплообменники.

Для  экономии  тепла  в  холодный  период  года  используют  рециркуляцию  воздуха  в  помещении.  Вентиляции  с  рециркуляцией  воздуха  представляет  собой  систему,  где  часть  забираемого  из  помещения  воздуха  смешивается  с  холодным  наружным  воздухом,  нагревает  его  до  необходимой  температуры  и  затем  подает  в  помещение.  Эта  система  может  быть  применена  только  в  том  случае,  если  воздух,  поступающий  из  помещения,  не  содержит  вредных  веществ  и  токсичных  примесей.  Тогда  как  объем  наружного  воздуха  в  этой  смеси  должен  соответствовать  всем  санитарно-гигиеническим  нормам,  и  должен  быть  не  меньше  значения  санитарной  нормы,  предусмотренной  для  данного  типа  помещения  [6,  с.  64].

Система  с  рециркуляцией  воздуха  позволяет  снизить  энергопотребление  на  нагрев  воздуха,  так  как  тепловая  мощность  нагревателя  расходуется  в  основном  на  изменение  температуры  только  той  части  воздуха,  которая  забирается  с  улицы  [1].

Однако,  как  показал  анализ  работы  установки,  режимов  ее  работы,  размеров  складских  помещений  и  возможных  колебаний  температур,  нельзя  при  регулировании  подобных  систем  ограничиваться  лишь  температурой,  получаемой  на  выходе  из  канала.  Поэтому  для  решения  данной  проблемы  было  предложено  использовать  двухкаскадное  регулирование.  Первым  каскадом  регулирования  являются  пределы  температуры  в  приточном  канале,  которые  поддерживаются  заслонками  рециркуляции.  Вторым  каскадом  являются  усреднённые  значения  температурных  датчиков,  установленных  в  самом  складском  помещении,  и  которые  регулируются  путём  изменения  производительности  вентилятора.

Таким  образом,  за  счёт  двухкаскадного  регулирования  будет  достигнут  необходимый  температурный  режим  и  сэкономлена  частично  электроэнергия,  затрачиваемая  на  работу  электрокалорифера.

Известна также приточно-вытяжная система с рециркуляцией и электрическим нагревателем,  которую  организуют,  когда  необходим  дополнительный  нагрев  воздуха  зимой  при  очень  низких  значениях  наружной  температуры,  когда  регулирующий  клапан  открыт  на  100  %,  но  теплопроизводительности  заслонок  не  хватает.  В  этом  случае  можно  подогревать  воздух  нагревателем.  Недостатком  в  этом  случае  может  быть  конденсация  влаги  или  выпадение  инея  в  смесительной  камере,  обмерзание  неизолированных  элементов  системы  (клапанов).  Кроме  того,  существует  и  проблема  качественного  смешивания  воздуха.  Рассмотрим  систему,  в  которой  рециркуляционный  воздух  поступает  в  камеру  смешивания,  например,  сверху.  В  этом  случае  рециркуляционный  воздух  отжимает  холодный  приточный  воздух  вниз.  В  результате  температура  меняется  в  очень  широких  пределах.  Таким  образом,  на  разные  участки  калорифера  поступает  воздух  с  различной  температурой.  Автоматика  с  помощью  регулирующего  клапана  на  теплоносителе  устанавливает  такую  тепловую  производительность  калорифера,  чтобы  средняя  температура  воздуха  на  выходе  из  системы  соответствовала  желаемой.  Но  непосредственно  за  калорифером  профиль  температуры  воздуха  остается  по-прежнему  сильно  неоднородным.

Поэтому  при  выборе  конструкции  камер  смешивания  в  условиях  холодного  климата  с  температурой  ниже  –20  °C  следует  избегать  систем  с  малой  продольной  длиной.  Лучший  вариант  —  смешивать  воздух  каким-либо  образом  заранее,  на  достаточном  расстоянии  от  калорифера.

Уровень  рециркуляции  зависит  от  температуры  на  выходе  из  приточного  канала.  Клапан  рециркуляции  в  холодный  период  года  работает  в  противофазе  с  основным  приточным  клапаном.  Например,  при  открытом  клапане  рециркуляции  на  20  %,  основной  клапан  приточного  воздуха  будет  открыт  на  80  %.  Соответственно,  когда  установка  находится  в  дежурном  режиме,  основной  клапан  закрыт,  а  клапан  рециркуляции  полностью  открыт.

Если  уровень  рециркуляции  максимален,  а  температура  притока  недостаточна,  то  в  работу  включается  электрический  нагреватель.

Схема  работы  установки  представлена  на  рисунке  1.  Датчик  наружной  температуры  необходим  для  автоматического  переключения  между  режимами  работы  системы  в  тёплый  и  холодный  период  года.  По  показаниям  датчика  канальной  температуры  происходит  регулирование  процента  открытия  клапана  рециркуляции.  Реле  перепада  давления  служат  для  определения  работы  вентиляторов,  а  также  для  определения  засорения  фильтров.  Пожарный  датчик  необходим  для  автоматического  отключения  вентиляционной  установки  при  возникновении  пожара  в  помещении.

Исходя  из  параметров  помещения  типовым  решением  для  предложенной  задачи  будет  являться  приточно-вытяжная  установка  с  системой  рециркуляции  воздуха.  В  систему  рециркуляции  входят  заслонки  рециркуляции  и  электрический  нагреватель  (электрокалорифер).

Схема  такой  установки  представлена  ниже  на  рисунке  2.  Был  составлен  алгоритм  работы  такой  установки,  учитывающий  многофакторную  специфику  работы  вентиляции.

Рисунок  1.  Схема  работы  установки  приточно-вытяжной  вентиляции

КПВ1  и  КПВ2  —  клапаны  приточной  вентиляции;

КР  —  клапан  рециркуляции;  Ф1  и  Ф2  —  фильтры;

ЭК  —  электрический  нагреватель;  ПВ  —  приточный  вентилятор;

ВВ  —  вытяжной  вентилятор;  ДНар  —  датчик  наружной  температуры;

ДКан  —  датчик  канальной  температуры;

Д1,  Д2  и  Д3  —  комнатные  датчики  температуры;  ДП  —  пожарный  датчик;

ТП  —  термостат  перегрева  электрокалорифера;

РПД1,  РПД2,  РПД3,  РПД4  —  реле  перепада  давления

При  подаче  сигнала  «Пуск»  на  контроллер,  происходит  подготовка  и  запуск  необходимых  элементов  системы.  По  показаниям  датчика  наружного,  контроллер  определяет,  что  система  должна  работать  в  режиме  «Зима».  Запускается  предварительных  прогрев  заслонок  для  защиты  от  поломки  в  случае  обмерзания.  После  прогрева  заслонки  открываются,  подаётся  сигнал  на  запуск  вентилятора.

Рисунок  2.  Схема  вентиляционной  установки:

1  —  электрокалорифер;  2  —  шумоглушитель;

3  —  ввод  в  помещение;  4  —  канал  вытяжки;

5  —  воздушный  фильтр;  6  —  каплеуловитель;

7  —  клапан  притока;  8  —  клапан  вытяжки;

9  —  клапан  рециркуляции;  11—12  —  вентилятор.

При  температуре  в  канале,  отличающейся  от  температуры  установки,  клапаны  рециркуляции  изменяют  свой  уровень  открытия.  При  этом  температура  в  самом  помещении  также  регулируется  скоростью  вращения  вентилятора  (если  необходимо  подогреть  воздух,  то  вентилятор  замедляется,  если  охладить  –  ускоряется).  Когда  температура  в  канале  притока  и  в  помещении  недостаточна,  рециркуляция  воздуха  устанавливается  равной  100  %,  а  вентилятора  становится  минимальной.  Если  по  истечению  определённого  времени  температура  в  канале  притока  и  помещении  не  будет  подниматься,  то  в  работу  включится  электрический  нагреватель,  который  будет  подогревать  воздух.  Принципом  включения  электрокалорифера  является  широтно-импульсная  модуляция.  При  перегреве  ТЭН  теплообменника  выключается  и  продувается  вентилятором  до  рабочего  состояния.

Когда  температура  наружного  воздуха  больше  температуры  установки,  система  переключается  на  режим  «Лето».  В  этом  режиме  рециркуляция  и  электрический  нагреватель  не  работают.

При  подаче  сигнала  «Стоп»  происходит  отключение  всех  необходимых  элементов  системы.  При  этом,  если  установка  до  выключения  работала  в  зимнем  режиме,  то  сначала  выключается  электрический  нагреватель,  вентилятор  и  заслонки  продолжают  работать,  чтобы  охладить  электрокалорифер  и  предотвратить  возможный  перегрев  или  даже  выгорание  его  элементов.

Кроме  рециркуляции  в  системах  вентиляции  часто  используют  и  рекуперацию.  Рекуперация  тепла  в  теплообменниках  основывается  на  передаче  части  тепла  от  отработанного  воздуха  к  приточному  воздуху.  Устройства  для  рекуперации  называются  рекуператорами  и  классифицируются  по  своему  устройству  [2].

Риск  возникновения  обморожения  всегда  присутствует  в  холодный  период  года  при  работе  вентиляционной  системы  с  рекуператором,  поэтому  необходимостью  является  датчики  контроля  работы  теплообменника. 

На  данный  момент  существует  два  основных  принципа  управления  пластинчатым  рекуператором:  контроль  перепада  давления  и  контроль  температуры  [4].

Контроль  давления.  Как  было  описано  выше,  при  выпадении  обильного  количества  конденсата  или  при  его  кристаллизации  на  поверхности  рекуператора  —  создается  препятствие  для  потока  вытяжного  воздуха.  Измерение  перепада  давления  до  рекуператора  и  после  него  в  вытяжном  канале  является  решением  проблемы  контроля  обморожения  рекуператора.  При  появлении  сигнала  о  перепаде  давления  открывается  обходной  канал  рекуператора  или  уменьшается  производительность  приточного  вентилятора,  для  изменения  соотношения  масс  воздушных  потоков.  Данный  принцип  работы  наиболее  просто  и  не  требует  больших  затрат.  Хоть  этот  метод  и  наиболее  популярен  в  России,  он  имеет  ряд  недостатков.

1.  При  использовании  реле  перепада  давления  затрудняется  настройка  датчика,  т.  к.  на  этапе  пуско-наладочных  работ  симуляция  обморожения  рекуператора  крайне  маловероятна,  а  теоретический  подсчет  сложен  из-за  влияния  множества  факторов.

2.  Использование  реле  не  дает  полноценной  гарантии  своевременного  сигнала  обморожения  рекуператора,  т.  к.  на  давление  создаваемое  вентиляционной  системой  влияет  несколько  факторов,  такие  как  запыленность  фильтров,  производительность  вентилятора,  загрязненность  и  герметичность  воздуховодов.

Контроль  температуры.  Принцип  управления  по  температуре  основывается  на  определении  эффективности  нагрева  приточного  воздуха,  это  осуществляется  измерением  температуры  в  приточном  канале  до  рекуператора  и  после  него.  В  холодный  период  года,  после  проведения  пуско-наладочных  работ  и  включения  вентиляционной  системы  в  нормальный  режим  можно  определить  средний  нагрев  на  рекуператоре,  соответствующий  нормальной  работе.  При  понижении  эффективности  рекуператора  можно,  изменяя  степень  открытия  обходного  канала  или  производительность  приточного  вентилятора  защитить  рекуператор.  Недостатком  данного  метода  является  большая  стоимость,  по  сравнению  с  методом  контроля  перепада  давления  и  косвенность  определения  температуры.  Главной  причиной  обморожения  рекуператора  является  снижение  температуры  вытяжного  воздуха  после  рекуператора,  поэтому  измерение  температуры  приточного  воздуха  может  не  дать  всей  нужной  информации  о  состоянии  системы  [5].

Рекуператор  позволит  экономить  значительную  часть  тепла  (до  90  %),  но  его  корректная  работа  возможна  только  при  определенных  условиях.  Для  этого  авторами  была  предложена  схема,  в  которой  подогрев  воздуха  осуществляется  до  и  после  рекуператора.

Нагреватель  перед  рекуператором  необходим  для  подогрева  воздуха  на  входе  в  рекуператор,  что  позволит  уменьшить  риск  заморозки  рекуператора.  Также  нагреватель  можно  использовать  для  подогрева  низких  температур  (ниже  –30  ^oC)  и  выхода  на  расчетные  температуры  для  нагревателя  после  рекуператора.

Нагреватель  после  рекуператора  позволяет  поддержать  необходимую  температуру  на  выходе  из  канала,  нагревая  воздух  после  рекуператора.  Необходимость  в  данном  нагревателе  присутствует,  так  как  рекуператор  является  пассивным  нагревателем,  и  его  работа  не  может  точно  поддержать  нужную  температуру,  также  рекуператор  имеет  риск  обморожения,  из-за  чего  его  эффективность  может  резко  снизиться  и  выходная  температура  может  быть  низкой.

Согласно  техническому  заданию  на  проектирование  требуется  разработать  энергоэффективную  систему  вентиляции.  В  качестве  предприятия  был  выбрана  «Октябрьская  фанерная  фабрика».  По  предложенной  схеме  и  алгоритму  была  разработана  и  внедрена  автоматизированная  система  для  приточно-вытяжной  вентиляции  складского  помещения,  которая  показала  высокую  эффективность  принятых  в  работе  решений.

Выводы  по  работе:

1.  Рассмотрены  основные  элементы  вентиляционной  установки.  Рассчитаны  основные  параметры  выбранных  элементов  вентиляции  согласно  проектному  заданию  и  нормам  СанПиН.

2.  Разработана  система  автоматического  управления  вентиляционным  оборудованием,  включаю  алгоритм  защиты  от  обмораживания  пластинчатого  рекуператора.

Список  литературы:

1.Вентиляционное  оборудование  //  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.ruclimat.ru/catalog/  (дата  обращения  12.05.2013).

2.Интеллектуальная  система  управления  инженерными  системами  //  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.dom-intel.ru/magazin/oborudovanie/kontrollery/beckhoff-bx9000.html  (дата  обращения  12.05.2013).

3.Климатические  и  вентиляционные  системы  //  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.vipvozduh.ru/  index_page_161.html  (дата  обращения  4.04.2013).

4.Принципы  выбора  систем  кондиционирования  воздуха  и  вентиляции  //  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.climatepiter.com  (дата  обращения  03.05.2013).

5.Системы  вентиляции  и  кондиционирования  //  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.fvrklimat.ru/catalog  (дата  обращения  23.04.2013).

6.Стомахина  Г.И.  Отопление,  вентиляция  и  кондиционирование  воздуха:  Справочное  пособие.  /  Г.И.  Стомахина  М.:  Пантори,  2003,  —  275  с.