W artykule przedstawiono problematykę związaną z pracą urządzeń automatycznej regulacji w systemach klimatyzacyjnych.

Obliczeniowe warunki pracy często związane są z występowaniem powietrza zewnętrznego o ekstremalnych parametrach. W praktyce warunki takie występują przez bardzo krótki okres czasu pracy systemu klimatyzacyjnego. Zdecydowanie częściej pracuje on z niepełnym obciążeniem. Za prawidłową pracę systemu klimatyzacyjnego w takich warunkach odpowiedzialne są w dużej mierze urządzenia automatycznej regulacji. W wielu projektach urządzenia automatycznej regulacji, jak również ich współpraca z systemami centralnego sterowania (np. BMS), są zdawkowo opisywane, co prowadzi do wielu nieporozumień. Zapisy w postaci, że dane urządzenie (np. klimakonwektor) ma umożliwiać pracę z systemem automatycznej regulacji czy też układem BMS nie są precyzyjne.

Można zauważyć, że projekty kalkulowane są w oparciu o obliczeniowe warunki pracy. Na wykresie Moliera przyjmowane są ekstremalne parametry powietrza zewnętrznego w okresie letnim i zimowym i dla nich kalkulowane są moce poszczególnych urządzeń. Urządzenie dobierane są na „wyrost”. Przy mniejszych obciążeniach cieplnych urządzenia automatycznej regulacji powinny dopasować pracę poszczególnych urządzeń klimatyzacyjnych do zmieniających się warunków zewnętrznych.

Projektant w oparciu o układ technologii procesu uzdatniania powietrza powinien przewidzieć, oprócz zwymiarowania urządzeń dla ekstremalnych warunków pracy, odpowiedni system sterowania, skonsultować go w razie potrzeby z automatykiem oraz zapisać wszystkie istotne cechy, jakie układ automatycznej regulacji powinien spełniać. Oczywiście autorowi nie chodzi o przygotowanie gotowego projektu automatycznej regulacji przez projektanta technologa. Jest on bowiem każdorazowo opracowywany przez projektanta AKPiA. Autor ma na myśli opis pewnych szczególnych istotnych cech, charakteryzujących proces technologii uzdatniania powietrza tak by automatyk miał ułatwione zadanie, co do sposobu osiągnięcia wytyczonego celu. Warto też, by projektant technolog poznał pewne zagadnienia, dotyczące układów automatycznej regulacji, umożliwiające „lepszy dialog” ze specjalistą AKPiA.

Przykładowe funkcje systemu automatycznej regulacji

Do podstawowych funkcji realizowanych przez system automatycznej regulacji można zaliczyć:

• ogrzewanie/chłodzenie ekonomiczne, z wykorzystaniem komory mieszania powietrza świeżego z powietrzem recyrkulacyjnym, zależnie od temperatury powietrza zewnętrznego i w pomieszczeniu,
• po zadeklarowaniu krzywej kompensacji letniej i/lub zimowej, możliwość kompensacji temperatury powietrza w pomieszczeniu, w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego,
• ograniczenie temperatury powietrza nawiewanego, blokowanie pracy układu chłodniczego przy niskiej temperaturze powietrza zewnętrznego,
• chłodzenie tylko powietrzem zewnętrznym (free-cooling),
• zezwolenie na pracę rekuperatorów, jedynie gdy zachodzą znaczące różnice temperatury powietrza zewnętrznego i w pomieszczeniu (uzysk energii powinien być większy niż nakład na pozyskanie tej energii),
• kontrola poprawności pracy pomp, wentylatorów oraz sprężarek w agregatach chłodniczych,
• kontrola stanu zabrudzenia filtrów powietrza,
• zabezpieczenie wymienników ciepła – rekuperatora i nagrzewnicy wodnej przed zamrożeniem oraz nagrzewnic elektrycznych przed przegrzewem,
• pomiar i optymalizacja zużycia poszczególnych nośników energii.

Jednak, aby cały układ działał poprawnie, niezbędny jest prawidłowy dobór wszystkich elementów.

Elementy składowe systemu automatycznej regulacji

Zadaniem układu automatycznej regulacji jest zmiana parametrów powietrza zewnętrznego, tak by odpowiadały one docelowym parametrom powietrza nawiewanego. Urządzenia automatycznej regulacji składają się z elementów pomiarowych (czujniki temperatury, wilgotności itp.), regulatora (sterowniki cyfrowe, regulatory bezpośredniego działania, sterowniki analogowe) oraz elementów wykonawczych (zawory trójdrogowe itp.).Układ automatycznej regulacji jest dobierany na podstawie układu technologicznego uzdatniania powietrza, wymagań inwestora lub użytkowników, dokładności dotrzymania wartości zadanej itp.

Im układ technologiczny przygotowania powietrza jest bardziej złożony, tym bardziej zaawansowany i skomplikowany układ sterowania. Bardziej zaawansowane układy automatycznej regulacji posiadają więcej punktów pomiarowych, wymagają nie tylko regulacji parametrów powietrza, ale również innych systemów w budynku (oświetlenia, ogrzewania itp.). Często wymagana jest np. kontrola temperatury w pomieszczeniu, w którym zawarte są odrębne układy klimatyzacji i ogrzewania lub nawilżania itp. Układy te wpływają na siebie wzajemnie, zatem niezbędne jest powiązanie ich jednym układem sterowania. Gdy budynek posiada inteligentny i zintegrowany system zarządzania wszystkimi znajdującymi się w budynku instalacjami (również systemy ochrony i monitoringu, przeciwpożarowe, kontroli dostępu, pogodowy, system personalizacji), mamy wówczas do czynienia z inteligentnym budynkiem wyposażonym w system zarządzania BMS (Building Management System).

Regulatory

Istnieją różne rodzaje regulatorów wykorzystywanych w technice chłodniczej i klimatyzacyjnej, bądź grzewczej. Najbardziej ogólna klasyfikacja obejmuje:

• regulatory bezpośredniego działania, które często nie wymagają dodatkowej energii zasilającej do prawidłowego działania. Wyposażone są często w pozostałe elementy automatycznej regulacji (elementy pomiarowe, przetworniki, regulator oraz element porównawczy). Są z reguły przeznaczone do regulacji jednej wielkości fizycznej. Przykładem może być termostat grzejnikowy, który w oparciu o wbudowany element pomiarowy oraz wartość zadaną przez użytkownika dokonuje regulacji przepływu cieczy grzewczej przez grzejnik,
• regulatory analogowe, które działają w zakresie sygnałów ciągłych,
• regulatory czasowe, najbardziej zaawansowane elementy ¡sterujące i najczęściej stosowane w technice klimatyzacyjnej w nowoczesnych budynkach.

Regulator, na podstawie pomiaru danej wielkości fizycznej (odczyt na podstawie wskazania pomiaru czujnika pomiarowego) oraz w oparciu o wartość zadaną przez użytkownika, dokonuje porównania i wysyła sygnał do elementu wykonawczego (np. zaworu regulacyjnego przy chłodnicy bądź nagrzewnicy), tak by wartości sygnału zmierzonego odpowiadała wartości zadanej (rys. 1.). Reakcja regulatora na występujące różnice pomiędzy wartością zadaną a zmierzoną jest różna, zależnie od przyjętego algorytmu regulacji. Przy niektórych algorytmach regulacji nie zawsze możliwe jest idealne dotrzymanie wartości zadanej. Pozostająca różnica pomiędzy wartością zadaną a regulowaną nosi nazwę uchybu regulacji. Obok regulatorów bezpośredniego działania i regulatorów analogowych, istotne miejsce w układach automatycznej regulacji spełniają sterowniki cyfrowe. Są one najbardziej uniwersalnymi urządzeniami sterującymi i z tego powodu najczęściej wykorzystuje się je w systemach klimatyzacji. Dają możliwość lepszego dopasowania układu regulacji do nietypowych zadań.

Sterowniki cyfrowe umożliwiają swobodne kształtowanie algorytmów sterowania z wykorzystaniem pewnych warunków logicznych pozwalających na realizację powierzonych zadań w sposób energooszczędny, gdyż wyposażone są w wiele energooszczędnych funkcji. Przy doborze części elektronicznej układu regulacyjnego należy jednak kierować się rzeczywistymi potrzebami, a nie liczbą oferowanych funkcji. Wiele z nich jest rzeczywiście bardzo przydatnych, ale nie wszystkie w równym stopniu i trzeba umieć wybrać funkcje najbardziej istotne.

Sterowniki cyfrowe działają w oparciu o sygnały cyfrowe. Wszystkie sygnały analogowe wejściowe i wyjściowe są przetwarzane przez przetworniki odpowiednio analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe. W technice sterowania cyfrowego wykorzystywane są następujące sygnały:

• wejście cyfrowe DI (digital input): 0 lub 10V DC, 0 lub 24V AC, styki N.O. (normalnie otwarte), N.C. (normalnie zamknięte),
• wyjście cyfrowe DO (digital output): 0 lub 10V DC, 0 lub 24V AC, styki N.O. (normalnie otwarte), N.C. (normalnie zamknięte),
• wejście analogowe AI (analog input): 0/2÷10V DC, 0/4÷20 mA DC,
• wyjście analogowe AO (analog output): 0/2÷10V DC, 0/4÷20 mA DC.

W celu doboru konkretnego typu sterownika należy zapoznać się z układem technologicznym systemu klimatyzacji, a następnie zsumować wymaganą liczbę wszystkich wejść analogowych, binarnych i termistorowych (jeśli takie występują) oraz wyjść analogowych i binarnych ze sterownika. Dane te są podstawą wyboru odpowiedniego regulatora.

Rys. 1. Zależności pomiędzy wielkościami na przykładzie regulacji temperatury
w pomieszczeniu ogrzewanym centralnie [1]: x – wielkość regulowana; y – wielkość
nastawcza; z –wielkość zakłócająca; w – wielkość zadana

Elementy wykonawcze – zawory regulacyjne

W technice klimatyzacyjnej najczęściej elementami wykonawczymi są zawory regulacyjne. Te elementy zostaną opisane w dedykowanym temu zagadnieniu, osobnym artykule magazynu Chłodnictwa i Klimatyzacji. Poniżej zostaną przytoczone jedynie najważniejsze, z punktu widzenia autora, aspekty dotyczące tego typu elementów układów regulacji.

Zawory regulacyjne najczęściej współpracują z wymiennikami chłodnicy i nagrzewnicy. Często charakterystyki wymienników nie są liniowe, tzn. charakterystyka emisji mocy przez wymiennik nie przebiega liniowo w stosunku do przepływu cieczy. Wzrost przepływu o 10, 20, czy 60% nie powoduje zmiany emisji mocy o odpowiednio 10, 20 i 60%. Taka nierównomierna zależność powoduje utrudnienie podczas regulacji. Czasami układ musi wysłać „mocniejszy” sygnał czasami „słabszy”. Może to powodować wahania wielkości regulowanej np. temperatury w pomieszczeniu (tzw. wyjście układu ze stanu równowagi i przejście w układ niestabilnej pracy). Tak więc przede wszystkim dobierając zawór regulacyjny (pomijam kwestię wyboru rozwiązania regulacji jakościowej – zmiana temperatury czy też ilościowej – zmiana przepływu oraz zastosowanego rozwiązania dwu- bądź trójdrogowego zaworu regulacyjnego), należy kierować się tym, by kształt charakterystyki zaworu (zależność przepływu objętościowego od skoku zaworu) był dopasowany do kształtu charakterystyki współpracującego z nim wymiennika ciepła (zależność emisji mocy od przepływu objętościowego).W celu uzyskania liniowej charakterystyki zespołu zawór-wymiennik, należy zastosować zawór o charakterystyce logarytmicznej (stałoprocentowej), odpowiadającej lustrzanemu odbiciu charakterystyki wymiennika. W przypadku zastosowania zaworu o charakterystyce liniowej istniałoby ryzyko niestabilnej pracy układu, zwłaszcza przy małych obciążeniach (rys. 1.). (…)

Element pomiarowy – czujniki pomiarowe (…)

Wybór odpowiedniego algorytmu regulacji (…)

Pozostałą część tekstu znajdziecie Państwo w kolejnej części artykułu.

LITERATURA

[1] RECKNAGEL, SPRENGER, HONMANN, SCHRAMEK: Poradnik Ogrzewanie + Klimatyzacja. Wydanie 1. Gdańsk, 1994.

[2] Bruno JUNKER: Regulacja urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Arkady. Warszawa, 1980.[3] Dieter WURSTLIN: Regulacja urządzeń ogrzewczych wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Arkady. Warszawa, 1978.

[4] Ulrich DUMMEL, Hans-Jurgen MULLER: Pomiary i regulacja urządzeń ogrzewczych, wentylacyjnych i sanitarnych. Arkady. Warszawa, 1971.

[5] Krystyna KOSTYRKO, Bożena OKOŁOWICZ-GRABOWSKA: Pomiary i regulacja wilgotności w pomieszczeniach. Arkady. Warszawa, 1977.

[6] Ludwik MICHALSKI, Krystyna ECKERSDORF, Jacek KUCHARSKI: Termometria. Przyrządy i metody. Politechnika Łódzka. 1998.

[7] Katalogi branżowe i materiały pomocowe firm: Honeywell, Siemens, T.A.C. Polska.

[8] Bernard ZAWADA, Zbigniew KIDAWA: Automatyczna regulacja systemów wentylacji i klimatyzacji. Politechnika Warszawska.