REGULACE KLIMATIZACE. Prof. Ing. Karel Hemzal, CSc České vysoké učení technické v Praze Nakladatelství ČVUT

REGULACE KLIMATIZACE

Prof. Ing. Karel Hemzal, CSc.

2007

České vysoké učení technické v Praze Nakladatelství ČVUT

Lektor: doc. Ing.

Jiří

Bašta, Ph.D.

Nakladatelství ČVUT upozorňuje autory na dodržování autorských práv. Za jazykovou a věcnou správnost obsahu díla odpovídá autor. Text neprošel jazykovou ani redakční úpravou.

©

Karel Hemzal, 2007 ISBN 978-80-01-03907-6

Předmluva

Předložené prostředí.

určeny posluchačům

texty jsou

Vznikly z potřeby poskytnout

strojní fakulty, studujícím v oboru technika

absolventům, zaměřených

na vzduchotechniku,

metodické základy a praktické poznatky, které jim objasní problematiku automatické regulace navrhovaných

zařízení

s akcentem na jevy, které ztěžují jejich regulovatelnost.

Výklad předpokládá znalosti z předmětů, které pojednávají o principu činnosti klimatizačních, vytápěcích základů

a

větracích zařízení

a o jejich dimenzování.

Předpokládány

jsou také znalosti

automatického řízení.

Látka navazuje na poznatky, osvojené v uvedených

předmětech

Skripta vycházejí z textů, které vyšly v roce 1973 a poté v řadě

a v Technice

dotisků

a vydání (poslední

v roce 1988). Tematika byla upravena s přihlédnutím k soudobé úrovni s texty Regulace tuto

vytápění,

které vypracoval kolega Doc. Ing.

část předmětu přednáší,

neobsahují

podrobnější

jsou ucelenou

pomůckou

Jiří

poznatků.

učebnice

Spolu

Bašta, Ph.D., a který také

ke studiu. Pro omezení rozsahu

obrazovou dokumentaci, která je presentována na

Podaný výklad nemá formu

prostředí.

k samostatnému studiu ale

přednáškách.

předpokládá souběžné

sledování přednášek. Děkuji

panu Doc. Ing.

Jiřímu

Baštovi, Ph.D., za posouzení

textů

a zejména za cenné podnětné

připomínky.

V červenci 2007

Karel Hemzal

Karel Hemzal: Regulace klimatizace

OBSAH

O.

Obsah

1.

ÚVOD

2.

PRINCIPY ŘÍZENÍ KLIMATIZACE 2.1 Regulace stavu vzduchu 2.2 Regulační obvod 2.3 Zobrazení úpravy vzduchu v h-x diagramu 2.4 Význam M při úpravě vzduchu 2.5 Význam cirkulace

3.

STATICKÉ CHARAKTERISTIKY SOUČÁSTÍ KLIMATIZACE 3. 1 Regulační klapky 3 .1.1 Vlastnosti regulačních klapek 3 .1.2 Použití regulačních klapek 3.1.3 Orientační pokyny pro návrh regulačních klapek 3.2 Regulační armatury a výměníky 3.2.1 Základní pojmy 3 .2.2 Regulační armatura v síti 3.2.3 Regulační vlastnosti výměníků 3.2.4 Ventil+ výměník 3.2.5 Mez regulovatelnosti výměníku 3.2.6 Směrnice ke zlepšení regulovatelnosti ohřívačů vzduchu 3.2.7 Ochrana výměníků před mrazem 3.3 Hydraulická zapojení VZT výměníků

4.

3-1 3-1 3-5 3-8 3-9 3-9 3-10 3-10 3-11 3-14 3-15 3-16 3-17

PROJEKTOVÁNÍ REGULACE KLIMATIZACE 4. 1 Všeobecné pokyny 4 .1.1 Přesnost regulace 4.1.2 Schéma regulace 4.1.3 Přehled regulačních obvodů 4.2 Zvlhčování vzduchu 4.2.1 Zvlhčování adiabatickou pračkou v zimě 4.2.2 Zvlhčování parou 4.3 Doplňkové obvody 4.3.1 Postupná regulace 4.3.2 Regulace teploty s omezením 4.3.3 Vlečná regulace teploty v létě 4.3 .4 Hospodárné směšování vzduchu a volné chlazení 4.4 Klimatizační systémy 4.4.1 Jednozónové systémy 4.4.2 Multizónové systémy 4.4.3 Systémy kombinované 4.4.4 Systémy s ventilátorovými konvektory 4.5 Centralizace řízení chodu klimatizace

5.

2-1 2-2 2-4 2-7 2-8

4-1 4-1 4-2 4-2 4-4 4-4 4-5 4-6 4-6 4-6 4-6 4-7 4-8 4-9 4-12 4-12 4-15 4-16

DYNAMICKÉ CHOVÁNÍ REGULAČNÍCH OBVODŮ 5.1 Dynamické vlastnosti regulátorů 5.1.1 Vliv měřicího místa na dynamiku regulačního pochodu 5.1.2 Dynamické vlastnosti pohonů 5.1.3 Výsledek činnosti regulátoru v regulačním obvodu

o- 1

5-1 5-1 5-2 5-2


6.

7.

8.

9.

5.2 Dynamické vlastnosti regulovaných soustav klimatizace 5.2.1 Dynamické vlastnosti vzduchovodů 5.2.2 Dynamické vlastnosti klimatizované místnosti 5.2.3 Dynamické vlastnosti výměníků tepla 5.2.4 Ohřívač a chladič jako pasivní člen 5.2.5 Význam dynamických vlastností regulované soustavy pro volbu regulátoru 5.2.6 Činitel přenosu regulované soustavy 5.2.7 Klasifikace regulovatelnosti soustav klimatizace

5-8 5-8 5-9

PŘESNOST A STABILITA REGULACE KLIMATIZACE 6.1 Kontrola dosažitelné přesnosti postupem při 1° poznání 6.2 Postup podle B. Junkera 6.3 Optimální nastavení parametrů regulátorů 6.4 Stabilizační zapojení 6.4.1 Negativní vlečná regulace 6.4.2 Stabilizace vázané regulace teploty a vlhkosti vzduchu

6-1 6-3 6-4 6-5 6-5 6-7

7 .1 Kriteria kvality vzduchu 7.2 Čidla kvality ovzduší 7.3 Čidla C02 7.4 Kdy jsou vhodná čidla Q a C02? 7.5 Řízení intenzity větrání 7.6 Příklad použití regulátorů kvality

7-1 7-2 7-3 7-3 7-4 7-5

REGULAČNÍ OBVODY S NESPOJITÝMI REGULÁTORY 8. I Regulační obvod s dvoupolohovým regulátorem 8.2 Regulační obvod s dvousměrným regulátorem 8.3 Volba regulátoru pro jednoduché regulační obvody 8.4 Vliv časové konstanty čidla regulátoru TR na dynamiku 8.5 Regulace teploty v místnosti dvoupolohovým regulátorem 8.6 Typické nespojité regulátory

8-1 8-3 8-5 8-6 8-8 8-9

REGULACE OBTÍŽNĚ REGULOVATELNÝCH ZAŘÍZENÍ Klimatizace s vícestupňovou úpravou vzduchu Útlum harmonických kmitů teploty v rovinné stěně Regulace teplotních kmitů Adaptivní pulsní regulace teploty

9-2 9-3 9-6 9-7

REGULACE S VYUŽITÍM FUZZY LOGIKY 1O. 1 Princip činnosti fuzzy regulátorů 1O. I. I Fuzzyfikace 1O. 1. 2 Inference 10.1.3 Defuzzyfikace I 0.2 Příklad řízení chladiče 10.3 Příklad řízení plynového kotle

11.

5-3 5-3 5-5 5-7 5-7

REGULACE KVALITY VZDUCHU

9.1 9.2 9.3 9.4

10.

OBSAH

OTÁZKY

0-2

10-2 10-3 I0-4 10-4 10-4 10-5


1

I ÚVOD

ÚVOD

Automaticky může být klimatizace řízena ovládáním nebo regulací. Řízení ovládáním (bez zpětné vazby) má tu výhodu, že nemůže být nestabilní. Při ovládání, kdy je teplota přiváděného vzduchu řízena podle vnější teploty - tp = f(te), lze však udržet požadovaný stav vnitřního vzduchu jen, pokud se tepelná zátěž klimatizovaného prostoru mění velmi málo, což bývá pouze ojediněle. U zařízení, řízených regulací podle teploty vnitřního vzduchu, ti = konst„ sice nevýhoda ovládání odpadá, stav vnitřního vzduchu však může trvale kolísat vlivem zpětné vazby nebo, pokud je kolísání odstraněno, dochází k velkému zpoždění reakce na změny stavu vnitřního vzduchu, vyvolané poruchami. Uvedené potíže mohou vzniknout i u zařízení, která jsou po tepelné i aerodynamické stránce zcela správně navržena a jejichž části bezvadně fungují. Jaké jsou příčiny těchto obtíží? Příčiny spočívají

v jevech spojených s akumulací tepla, kterou nebylo třeba při tepelném a aerodynamickém dimenzování klimatizace uvažovat, která však má podstatný vliv na průběh regulačního pochodu. Akumulace tepla velmi podstatně ovlivňuje chování zařízení při přechodu z jednoho rovnovážného (ustáleného) stavu do jiného. Součásti

klimatizace (výměníky) se tepelně technicky dimenzují ze statických výkonnost za extrémů v létě a v zimě.

požadavků

na

Statická charakteristika X2 =

f(x1)

vyjadřuje

závislost výstupní veličiny na vstupní pro každý člen regulačního obvodu, kterým regulační signál prochází. Změny se předpokládají „rovnovážným způsobem" - po ustálení. Sklon tečny ke křivce statické charakteristiky určuje činitel přenosu

K posouzení stability regulace je potřebná závislost K= ftx1). Pro potřeby automatické regulace je důležité znát dynamické chování klimatizačního systému i v přechodném ročním období. Známe-li chování klimatizačního zařízení při proměnlivých podmínkách, máme prostředek kjeho popsání. Regulační teorie má několik nástrojů ke znázornění a vyjádření dynamického chování popisem přenosových vlastností součástí nebo celé sestavy klimatizačních zařízení v závislosti na čase. Nejnázornější je přechodová sledovanou součást (nebo na

charakteristika, kterou získáme experimentálně, když na celou soustavu) působí vstupní veličina xi, která se změní z ustáleného stavu skokem na novou hodnotu. Časový průběh výstupní veličiny

je hledanou přechodovou charakteristikou. Takové vyšetřování poskytne také údaj o činiteli přenosu (zisku)

1- 1


t ÚVOD

r t

Kromě přechodové

charakteristiky je také používána frekvenční charakteristika, která sice není tak názorná, ale výpočty dynamiky regulace jsou s ní jednodušší. Frekvenční průběh získáme jako odezvu na harmonickou (sinusovou) změnu vstupní veličiny s časem x1 =A 1 sin ( cu r). Odezvou je opět harmonický průběh výstupní veličiny x2 = A 2 sin ( cu r + 8), který má menší amplitudu A 2 < A 1 a je fázově zpožděný o 8. Vyšetření se získá v rozsahu kruhové frekvence OJ [lis = Hz] alespoň čtyř dekád, např. 0,1 - 1 - 10 - 100 - 1000 Hz. Frekvenční a přechodová charakteristika jsou jen dva různé popisy stejného jevu a lze přecházet z jedné formy vyjádření na druhou. Přechodové

vlastnosti lze také popsat čistě matematicky diferenciální rovmc1, proto je teoretický přístup s experimentálním kombinován. Pro předpověď časového průběhu regulačního pochodu je třeba znát dynamické vlastnosti všech členů regulačního obvodu (regulované soustavy i regulátoru). Pak je možné zkontrolovat stabilitu regulace. Nejdůležitější jsou dynamické vlastnosti výměníků, vzduchovodů a klimatizovaných místností, které ovlivňují regulační pochod svými tepelně akumulačními vlastnostmi. Při úpravě

stavu vzduchu v místnosti je regulována teplota a vlhkost (např. t a

příp.

ztěžuje.

Projektant klimatizačního zařízení má mít na zřeteli, že navržené zařízení musí být regulovatelné. Zejména se musí vyvarovat předimenzování, které může být hlavní příčinou nepřijatelného chování zařízení v provozu. Příznivý

je takový průběh regulačního pochodu, kdy po odchylce regulované veličiny od žádané hodnoty, regulátor vrátí regulovanou veličinu na žádanou hodnotu (nebo jí blízkou) tlumenými kmity optimálním způsobem, tj. bez velkého překmitnutí a dostatečně rychle (posouzení optimálního nastavení regulátoru např. podle Zieglera-Nicholse). Popsaným jevům jsou věnovány následující kapitoly s cílem přiblížit vzduchotechnikům možnosti automatického řízení, jeho principy a jevy, k nimž dochází účinkem proměnlivých provozních podmínek. Význam regulace je nesporný, neboť přispívá k energeticky úspornému provozu a tím také ke snížení zátěže vnějšího prostředí škodlivinami. Správná funkce regulace je proto předpokladem nízkých provozních nákladů.

1-2

l

I

2 PRINCIPY ŘÍZENÍ KLIMATIZACE


2. PRINCIPY ŘÍZENÍ KLIMATIZACE 2.1 Regulace stavu vzduchu, tj. udržování teploty a vlhkosti v klimatizovaných objektech. Tepelná a vlhkostní bilance klimatizovaného prostoru - obr. 2.1

Letní bilance citelného tepla, vlhkosti a celkového (citelného+ vázaného - latentního) tepla v klimatizovaném prostoru (dvě rovnice jsou vzájemně nezávislé, třetí je závislá), vyrovnávaná přívodem ML [kg/s] vzduchu o potřebné teplotě a vlhkosti (ML zajišťuje také větrání!):

ML

= Qcitelné c /1.t

= MW

M L

= Qcelkové

M

LU

L

t:.h

Zisky citelného Qcitelné resp. celkového Qcelkové tepla (citelného + vázaného) [W] a vodní pára vznikající v prostoru Mw [kg/s] se odvádějí přívodem vzduchu, který je chladnější o Llt [K], má o L1x [kg/kg s.v.] menší měrnou vlhkost a o Llh [J/kg s.v.] menší entalpii než vzduch vnitřní.

Neustálé změny veličin bilance jsou z hlediska regulace poruchami.

Qz

Obr. 2.1 Zobrazení bilance klimatizovaného prostoru v h-x diagramu vlhkého vzduchu. Úkolem dimenzování je zajistit, aby zařízení upravilo stav přiváděného vzduchu do stavu P za letního extrému venkovního vzduchu a zisků z oslunění a z vnitřních zdrojů. Úkolem regulace je řídit úpravu (na tp a Xp) podle aktuální bilance prostoru tak, aby stav I = konst. Způsoby

vyrovnání tepelné (a vlhkostní) bilance prostoru:

1. ML= konst.

t:.t (L'.U)= var. - kvalitativně (CAV - constant air volume)

2. ML= var.

t:.t = konst.

3.

sekvenčně:

4. ML, f:.t = var.

- kvantitativně (VA V - variable air volume)

f:.t proporciálně, ML dvoustupňově- léto, zima (kombinovane) (VAVT- variable air volume and temperature)

Průtok

vzduchu ML je do prostoru přiváděn z centrální strojovny nebo je v prostoru jen cirkulován (jen chlazení bez větrání!). Způsoby 1. a 2. vyžadují u centrálních zařízení rozdílné typy rozvodů vzduchu (potrubí a vyústek) - pro průtok konstantní a variabilní (který musí mít stabilizované tlakové poměry v síti potrubí a stabilní obrazy proudění v prostoru). Podílem

2-1



venkovního vzduchu v přiváděném je zajištěno hygienicky potřebné větrání. Některá zařízení upravují jen venkovní vzduch - bez částečné cirkulace odpadního vzduchu. Naopak se 100% cirkulací vzduchu se někdy pracuje po dobu zátopu, před zahájením provozu, kdy se nemusí větrat.

2.2

Regulační

obvod

obvod (RO) sestává z regulované soustavy (RS) a regulátoru (R), RO = RS + R, zapojených ve smyslu toku informací v sérii („za sebou"). Příklad větrání ohřívaným vzduchem v obr. 2.2 znázorňuje, že regulátor získává informace o teplotě v místnosti čidlem v odváděném vzduchu a reguluje zdvih ventilu v přívodu vody do ohřívače. Ohřátý vzduch kryje (zcela nebo částečně) tepelné ztráty místnosti a na výsledek opět reaguje čidlo. Po vychýlení z rovnováhy poruchou není celý proces ustalování okamžitý, ale obvod potřebuje čas k ustálení tepelných toků do a ze hmotných stěn a předmětů, schopných akumulace a vydávání tepla. Regulační

Z 1,2 •. „. n KLIMATIZOVANÁ MÍSTNOST

REGULOVAN SOUSTAVA

z3 w

REGULÁTOR

R

l(w - - - - - - - -

AČ

Obr. 2.2 Schéma regulačního obvodu a blokové schéma. Č - čidlo teploty, R - vlastní regulátor s možností nastavit žádanou teplotu 'f;., M - servopohon, AČ- akční člen =ventil

V pojmech regulační techniky znamená: regulovaná

veličina

X= ti - aktuální hodnota vnitřní teploty, její změna = x, její

žádaná hodnota W = 'f;. , regulační odchylka Xw = W - X akční veličina

poruchové

Y =zdvih ventilu, její změna= y

Z1 = změna venkovní teploty te, Z2 = změna teploty otopné vody tw, Z3 tepelné zátěže, Z4 = změna průtoku vody výměníkem.

veličiny

změna vnitřní

=

V ustáleném stavu je regulační obvod v klidu. Kterákoliv porucha způsobí změnu regulované teploty (regulační odchylku od žádané hodnoty), která vyvolá regulační pochod přenosem informací v regulačním obvodu. Jaké jsou vazby veličin a v jakých mezích, je uvedeno v obr. 2.3. Zobrazeny jsou ustálené stavy. Statickou charakteristikou každého členu RO je závislost změny výstupní veličiny na vstupní (po časovém ustálení regulačního pochodu). V symbolice regulační techniky

2-2


Karel Hemzal: Regulace klimatizace MĚŘICi CLEN

POROVNÁVACÍ ČLEN

- -----------

h

Ř(Olcť TLAK

P

-------,

I

I ,..----..., I REGULÁTOR

POMOCNÁ ENERGIE

NO REGULAČNÍ ČLEN

MÍSTNOST

ČIDLO

JMĚŘICÍ

1Misro

.

r

'i

1

;

' Mw

II

L_ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

L- - - - - - J

20

'°

10VIH lf~.l'ICY

11 lfl„I

c - •OO ·

- • • - • • - • • • •• OTtYAIN

f

lO

ŘÍDICÍ

n AK

ioo lkl'o I

......

X l•CI

~

··--r&-') l „ i .a.·

g

H.,.,,

l>

/.

/ /

/

/

/

·:O ct

o

o.

lDY{f!. V[IHllU

'

~ 1'1.1

„

100

a 1'"0TOI(

'100 'I001

Mly·

1'ltl

-t~~~

li:

o

......

I

....__„_....-.itf'~.--... . . . . ._...,,,,.

.„" > .„li:

...„...

.1., o

's·~ :r ~

/

"...o

!

o2QVIH

V[NltW

lf

100 I'/,)

Obr. 2.3 Přenos informací v obvodu regulace teploty při teplovzdušném větrání místnosti. Pro názornost jsou použity: pneumatický P - regulátor a pneumatický pohon ventilu. K posouzení velikosti změn výstupní veličiny slouží zisk (činitel - koeficient přenosu) a jeho závislost na vstupní veličině. Vypuštěna je část přenosu změny teploty vzduchovodem a místností - až do místa čidla teploty

2-3

r 2 PRINCIPY ŘÍZENÍ KLIMATIZACE


dx

K=-2 =f(xi) dx1

V grafickém vyjádření statické charakteristiky křivkou je zisk směrnicí tečny k této křivce. Pro uvedený příklad RO (s ohřívačem jako součástí regulované soustavy RS) je statickou charakteristikou regulované soustavy RS, q = f (h), závislost (poměrného) tepelného toku resp. ohřátí vzduchu výměníkem q = Q!Qmax = L1tr1Xh na (poměrném) zdvihu ventilu h = HIH100 ( h = y ), a pro regulátor R závislost zdvihu ventilu na teplotě v místě čidla, y = f (t). 2.3 Zobrazení úpravy vzduchu v h-x diagramu K úpravě vzduchu slouží zařízení sestavená do jednotek. Ukázka ležatých sestavných jednotek je v obr. 4.1. K rozboru celoročního chodu klimatizačního zařízení zvolme nejjednodušší sestavu podle obr. 2.4.

01

22 t·\ Obr. 2.4 Příklad sestavné klimatizační jednotky - nízkotlaká klimatizace (sestava s předehřívačem 01, chladičem CH, pračkou Pa dohřívačem 02) a statické charakteristiky obou regulačních obvodů: teploty rosného bodu tr vlevo a teploty v místnosti ti vpravo. Mč}e motor čerpadla pračky. Navržena je regulace teploty uvnitř prostoru a teploty rosného bodu přiváděného vzduchu. Statické charakteristiky obou obvodů ukazují, že zvlhčování je řízeno předehřívačem za chodu adiabatické pračky. Teplota je řízena dohřívačem a chladičem (který může také vzduch odvlhčovat).

K řízení se užívají proporcionální regulátory (P- regulátory), které udržují regulované veličiny v rozmezí pásma proporcionality Xp (rozsahu regulované veličiny, ve kterém přejde akční člen z jedné krajní polohy do druhé, Yh - úplný zdvih akčního členu). V daném případě je XP(ti) = 2 K a XP(tr) = 4 K. Mezi činnost dohřívače a chladiče je vložena prodleva, která zabrání nehospodárnému současnému ohřevu a chlazení. Zobrazíme úpravu venkovního vzduchu v zimním a letním extrému v zařízení pro celoročně požadovanou stálou teplotu vnitřního vzduchu - obr. 2.5. VZT zařízení kryje v zimě tepelné ztráty klimatizovaného prostoru a deficit vlhkosti doplňuje vlhčením adiabatickou pračkou.

2-4



Stav vnitřního vzduchu se v popisovaném případě pohybuje ve šrafovaném obdélníku, v zimním extrému vlevo dole, v letním vpravo nahoře (obr. 2.5). 9=QJQ. (

4;

2.4 2.2

1,8

p = 98 kPa

:J

...í1":J:.:'UJt.ulft"--'_ _ _--1awk~„~---------

I

,1

Q8

as o, C.h/ tl"< k.J I g ·20

·CC

·1:)

• 5 ·4

·2

•J

0 CJ2.

·1

L________L_1 - · .l.__ 1 _, L~....J..__.:1..-...i..~~~~-l-,:,.....-';:,..-.....:>._.....;i...:l""ny'--''11 X

:

1

6

I?

s

10

1í

12

13

14

l.1..t'' I ' ' I' I' I' 'i rTr·r···í''"PTTr•I' ''I' I I i J' r•1 11 I' I '

o

' ' l ... 'J

\O

. ' I L''

L' ' '

I 'I

1.5

I'

2,0

I

15 I

I'

(I

g/kg

S.V

16 . 17

I

18

19

20

I' II I.w.w.' i I ' ' í LLU.T',, ',, r I fl I I

2,5

I

I

po kPa

qO

Obr 2.5 Zobrazení úpravy vzduchu v Mollierově h-x diagramu vlhkého vzduchu. Upravováno je 100 % venkovního vzduchu bez směšování se vzduchem zpětným.

2-5



V létě je vzduch chlazený a odvlhčovaný povrchovým chladičem. Chladič je řízen k vyrovnání bilance citelného tepla v prostoru. Pokud požadavek na odvlhčení převyšuje požadavek na ochlazení k odvodu citelného tepla, musí být vzduch podchlazen o Ah 1 a pak dohřát o Ah 2 - obr. 2.6 - což je velmi nehospodárné (chlazení je asi třikrát dražší než ohřev). Podstatné zhospodárnění proto přináší např. dohoda s uživatelem, který připustí klouzání vlhkosti v létě k vyšším hodnotám podle vlhkosti venkovního vzduchu. femax

f pch

- -- ·- - - - - -

Obr. 2.6 Nehospodárné podchlazení, nutné pro odvlhčení a následné dohřívání

regulátor vlhkosti řídí předehřívač a regulátor teploty řídí dohřívač. V létě je chladič regulátorem teploty. V případě požadavku konstantní vlhkosti po celý rok, řídí chladič jak regulátor vlhkosti tak regulátor teploty (chladič řídí ten regulátor, který požaduje větší chlazení) a regulátor teploty řídí dohřívač. V

zimě

řízen

V přechodném období mezi extrémy se průměrný stav venkovního vzduchu pohybuje po čárkované spojnici extrémů. (Křivka středních stavů vzduchu venku dle TP 31, Chyský, J, Hemzal, K. a kol.: Větrání a klimatizace 1993, s. 456). Při mírnější zimě se předehřev i dohřev vzduchu zmenšují. Je hospodárné vypnout pračku v přechodném a v letním období. Výpočet

stavu vzduchu

Při řízení stavu vzduchu programovatelným regulátorem je možné použít pro program řízení vzájemné vazby mezi stavovými veličinami vlhkého vzduchu, které jsou vázány podle obr. 2. 7. Jejich analytické vyjádření vychází ze závislostí pro:

Tlak sytých par

p; = f (t) = exp[ 23,58 -

Tlak par

PD

4044' 2 ] 235,6 + t

li

= (/J·PD

nebo z měření psychrometrem (Sprungův vztah)

2-6

(± 0,1%prot=oaž80°C)



pro t >O Teplotu rosného bodu t,

= f(pD) = [4044,2/(23,58-lnpD)]-235,6,

1 ln qJ ' t - f(t ) -[ neb 0 upravou ' 'qJ - 235,6 + t - 4044,2

Měrnou

vlhkost

Relativní vlhkost

lm

X=

qJ

o 622 '

= j{t,

----+---:?f,

PD

Měrnou

p-pD

tr) = exp [4044,2(

"~

kde

Po -

" PDr

]-t - 235' 6

entalpii h = 1,01.t + (2500+1,84.t).x

l l 235,6 + t 235,6 + t,

J]

"

Pn

"

Pom

x Po Obr. 2. 7 Zobrazení vazby stavových

veličin

vlhkého vzduchu v h-x diagramu (tlak p = konst.)

Řízení relativní vlhkosti

K řízení vlhkosti se často používá čidlo relativní vlhkosti. Stav vnitřního vzduchu, regulovaného podle li a
Obr. 2.8 Zobrazení průniku pásem proporcionality regulátorů teploty a relativní vlhkosti

2-7



2.4

Význam ,,1h

při

chlazení

vzduchu venkovního Me a smíšeného venkovního se zpětným Mm= Me + A{j. Rozdíly entalpií /).h platí pro 1 kg s.v. Tepelné toky jsou dány příslušnými průtoky vzduchu M [kg/s], Q = /).h.M [W].

Pro bilanci klimatizovaného prostoru hi -hp - k odvodu celkových tepelných zisků (vnějších -

osluněním,

prostupem

a vnitfuích - osvětlení, lidé, stroje a hch -hp - tepelné zisky citelným teplem (která zvyšuje teplotu vzduchu ~ /).tch) h; - hch

- tepelné zisky vázaným teplem, které odpovídají zvýšení

měrné

zařízení)

vlhkosti o Llx

(teplota se nezvyšuje, leh= ti), Llx = xi - x P - produkce vlhkosti v prostoru (lidé, ... )

hm -hi - tepelná zátěž větráním (daná podílem venkovního vzduchu v upravovaném)

Pro bilanci

chladiče

Při směšování Při

- obr. 2.9

Mm= Me + M

chlazení jen Me

Obr. 2.9 Zobrazení chlazení venkovního vzduchu a chlazení směsi vzduchu venkovního a Vzduch: E - venkovní, I - vnitřní (cirkulační), M - smíšený, P - přiváděný

zpětného.

2.5

Význam cirkulace

Maximální pracovní rozdíl teplot v létě /).tch je omezen způsobem distribuce vzduchu v prostoru (ohledem na nejvýše přípustné ochlazování osob v pracovní oblasti). Proto se při návrhu Mch vychází z obrazů proudění a z dimenzování vyústek. Zmenšení /).tch se dosáhne tím, že hygienicky potřebný průtok větracího vzduchu ve se zvětší přimíšením zpětného vzduchu vi a to tak, aby byla přiváděným vzduchem VP odvedena zátěž prostoru citelným teplem

2-8



Úplná cirkulace (100 % zpětného vzduchu), kdy Vp = ~. se použije při teplovzdušném vytápění objektu k zátopu (pokud lidé ještě nepracují, může být větrání přerušeno). Přináší použití částečné cirkulace

úspory energie?

Z h-x diagramu v letním extrému (obr. 2.9) je zřejmé, že zavedením cirkulace se zmenší rozdíl entalpie, o který musí být upravovaný vzduch odvlhčen a ochlazen l:l.hm < Me. Do výpočtu tepelné bilance je však třeba zahrnout zvětšení průtoku upravovaného vzduchu směsi venkovního a zpětného vzduchu Mm = M e +Mi (M = V.p ). Průtok venkovního vzduchu je dán požadavkem na větrání a musí být stejný i při zavedení cirkulace. Potřeba chladu je při úpravě jen venkovního vzduchu a při Qm Qe

úpravě směsi

takže

=(1+ Me Mi )fo.hm> 1 Me

Jak ukáže následující příklad, úspory chladu se cirkulací nedosáhne. Příklad použití

cirkulace

Zadáno: Qc11 = 11,5 kW, větrání pro 60 osob po 30 m3/h = 1800 m3/h (Me = 0,6 kg/s) Řešení: Bez cirkulace (přiváděn jen venkovní vzduch) je potřebný pracovní rozdíl teplot z bilance citelného tepla v prostoru

=

l:l.tch běžnými

Qcit Me.Cp

tak velký rozdíl teplot nelze zpracovat

vyústkami, proto je zvolen rozdíl 9 K (stropní anemostaty).

• Potre v b ny' prutok M m 0

s venkovním Výkon

11 5 • = 19 K 0,6.1,01

chladiče

=

5

l l,- = 1,27 =-

Qcit cp.Mch

1,01.9

kg/s se z1s ' k'a misemm •v ' • v 'ho vzduchu vmtm1

M; =Mm -M e = 1,27 - 0,6 = 0,67 kg/s. stanovíme ze

znázornění

úpravy v h-x diagramu, podle obr. 2.9 avšak s Xp =

= 9,1 g/kg s.v.

Průtok M

(°C)

h (kJ/kg s.v.)

0,67

25

48

venkovního E

0,6

30

56

přiváděného

P

1,27

16(=25-9)

39

smíšeného M

1,27

-

51,8

Stav vzduchu vnitřního

I

Entalpii smíšeného vzduchu určíme z bilance

(kg/s)

směšování

2-9

t

Xi



_ he.Me +hiMi _ 56.0,6+48.0,67 _ kJ/k hm - 518 , g S.V. Me +Mi 1,27 Rozdíly entalpií

/1hm =hm -hp = 51,8-39=12,8 kJ/kg S.V. 11he =he -hP =56-39=17 kJ/kgs.v.

Podíl potřebných

Qm Qe

výkonů chladiče při úpravě

= Mm .!1hm = 1•27 12•8 = 1 59 Me./1he

0,6 17

smíšeného ajen venkovního vzduchu

{zvýšení O+ 59 %!)

'

Rozdíl entalpií při chlazení smíšeného vzduchu je sice menší, než při chlazení jen venkovního vzduchu, 11hm < 11he, ale vlivem zvětšení průtoku vzduchu chladičem, Mm/Me == 1,27/0,6 == 2, 1 násobek, je potřebný chladicí výkon o 59 % větší. Potřebný výkon chladiče je 16,3 kW. Pro

větší průtok

(větší (větší

musí být použit větší chladič, větší ventilátor a rozměrnější vzduchovody investice - pořizovací náklady) a také spotřeba energie na dopravu vzduchu bude větší provozní náklady na překonání tlakových ztrát).

Takže čím větší je cirkulace, tím dražší je zařízení investičně a tím větší jsou náklady na dopravu vzduchu. Hospodárné je proto zařízení s nejmenším průtokem, tedy s rozvodem vzduchu takovými vyústkami, které zajistí bezproblémový přívod vzduchu při co největším pracovním rozdílu teplot Mch. Pak nemusí být cirkulace použita a klimatizačním zařízením se může

upravovat jen venkovní vzduch.

Závěr: Cirkulaci není možné považovat za opatfení vedoucí ke snížení spotfeby energie (ZZE - zpětným získáváním energie).

Cirkulace se zavádí jen proto, aby se zmenšil pracovní rozdíl teplot na hodnotu zpracovatelnou vyústkami. Bilance prostoru v daném příkladu: K zadané zátěži citelným teplem zátěž větráním Zátěž

Qcit

== 11,5 kW se přidává

Me (he -hi) ==0,6 (56 - 48) = 4,8 kW.

latentním teplem je nulová, neboť se předpokládá Xp =

Xi.

Bude docházet ke kondenzaci vodní páry Mw == Me (xe - xi) = 0,6 (10,l - 9) = 0,66 gls = 2,38 kg/h.

2 - 10


3 STATICKÉ CHARAKTERISTIKY PRVKŮ REGULOVANÝCH SOUSTAV

3 STATICKÉ CHARAKTERISTIKY PRVKŮ REGULOVANÝCH SOUSTAV 3.1

Regulační klapky

Vzduchotechnické (VZT) regulační klapky jsou vícelisté, vkládané do čtyřhranného potrubí. Pokud mají sloužit také k uzavření vzduchové cesty, musí mít zvýšenou těsnost. Při návrhu klapek je nutné 1. zvolit vhodný typ klapek pro daný případ použití 2. přizpůsobit tlakovou ztrátu zcela otevřené klapky tlakovým poměrům v síti a charakteristice ventilátoru. 3.1.1 Vlastnosti regulačních klapek VZT klapky se používají k uzavírání průřezu (dvoupolohové užití otevřeno-zavřeno) a k proporcionální regulaci směšování dvou proudů vzduchu průtoku škrcením výměníku tepla řízením jeho obtoku Při částečném otevření mají vícelisté klapky listy souběžné nebo protiběžné - obr. 3.1. Mohou být konstrukčně upraveny příčkami, které zvětšují odpor klapek ve zcela otevřené poloze listů.

Obr. 3.1 Typy vícelistých regulačních klapek (protiběžné a souběžné), způsoby změny odporu (tlakové ztráty) otevřených klapek

Tlaková ztráta klapek Ztrátový součinitel zcela otevřené klapky ζ90° = 0,2 až 0,4. Závislost tlakové ztráty na rychlosti w v průřezu rámu klapky je téměř kvadratická s exponentem rychlosti 1,95 až 2. Tlaková ztráta klapky ∆pK v závislosti na úhlu otevření listů ϑ

3-1



∆pK = ζ ρ w2/2 = f ( ϑ ) kde součinitel tlakové ztráty pro klapky různých výrobců je v obr. 3.2.

Obr. 3.2 Závislost součinitele tlakové ztráty (vztaženého na rychlost v potrubí)) vícelistých klapek na otevření listů Těsnost klapek Regulační klapky v uzavření nejsou dokonale těsné. Pronikání vzduchu konstrukčními štěrbinami mezi listy a kolem rámu např. třílisté klapky Proclima, odpovídá rychlosti v potrubí (čelní rychlosti) wK = 0,018 ∆p0,527 pro klapky ZVVZ je konstanta 0,0093. Zvýšená těsnost je důležitá např. pro ochranu výměníků před zamrznutím, způsobeným průtokem ledového vzduchu VZT zařízením, vyvolaným přirozeným tahem v budově při vypnutém ventilátoru. Jednoduché laciné klapky mohou mít netěsnost 900 m3/h na m2 čelní plochy při přetlaku 400 Pa (odpovídá asi 10 % plného průtoku, wK0 = 0,11 m/s). Klapky se zvýšenou těsností dosahují 180 m3/(h m2) při přetlaku 1 kPa (wK = 0,05 m/s). Průtok netěsnostmi uzavřené klapky, uváděný v % provozního průtoku, není veličinou jednoznačnou ale závislou na přetlaku, který působí na uzavřenou klapku. 3-2



Autorita klapky Úsekem, regulovaným klapkou, je část potrubní sítě (nebo celá síť), kde se na hranicích tlak při uzavírání klapky nezmění (prakticky změny do ± 15 %). Tlaková ztráta regulovaného úseku je dána součtem ztráty v síti a v klapce ∆pC = ∆pS + ∆pK Autorita klapky vyjadřuje vliv klapky na tlakové ztráty v regulovaném úseku při plném průtoku, tj. při zcela otevřené klapce PK =

∆p K ∆p K + ∆p S

0 ≤ PK ≤ 1

Hodnota PK ⇒ 1 když klapka (otevřená) tvoří téměř celý odpor sítě, tj. když ∆p S << ∆p K . Provozní charakteristika je závislost průtoku na otevření klapky při změně tlaku na klapce podle provozních podmínek spolupráce ventilátoru se sítí. Tlakové poměry při regulaci průtoku škrcením jsou v obr. 3.4.

Obr. 3.4 Tlakové poměry na klapce při regulaci průtoku škrcením. Vlevo při spolupráci sítě se středotlakým ventilátorem, vpravo s "tvrdým" zdrojem tlaku

Provozní charakteristika klapek závisí na typu a na autoritě klapky - obr 3.5. Lineárnímu průběhu se blíží křivky provozních charakteristik při PK = 0,1 až 0,15 u souběžných a PK = 0,03 až 0,06 u protiběžných klapek respektive při

3-3


∆p K 1 = 1 ∆p S −1 PK


= 0,1 až 0,2 u souběžných a 0,03 až 0,06 u protiběžných klapek

Obr. 3.5 Provozní charakteristiky klapek souběžných (S) a protiběžných (P) – závislost průtoku na úhlu otevření při různé autoritě klapek

Činitel přenosu klapek Činitel přenosu je dán sklonem tečny k provozní charakteristice V = f(ϑ)

KS =

d  V    dϑ Vmax 

V obr. 3.6 je závislost K S = f (PK , ϑ ) . Největší je hodnota KS v místě největšího gradientu provozní charakteristiky (obvykle v inflexním bodě, pokud jej křivka má). S ohledem na stabilitu regulace je nejvhodnější, když autorita klapek je v mezích PK = 0,25 až 0,5 (vyšrafovaná oblast v obrázku). Pak je KS ≤ ~ 1,5.

Obr. 3.6 Činitel přenosu vícelistých protiběžných klapek v závislosti na otevření při různé autoritě klapky. KSmax při PK = 1 je větší než při PK = 0,5 3-4



Určení vhodného typu a velikosti klapek Provozním potížím lze předejít výběrem vhodného typu klapky – souběžné (S) nebo protiběžné (P) a jejich velikosti. Cílem je dosáhnout lineárního průběhu výsledné charakteristiky (pokud možno s hodnotami KS ≤ 1,5). Postup ukážeme na třech typických způsobech použití klapek jako regulačních.

3.1.2 Použití regulačních klapek Regulace průtoku škrcením Podle obr. 3.7 je požadováno udržet podtlak 30 Pa v prostoru laboratoře (k zabránění úniku škodlivin do okolí). Navrženo je škrcení přívodu vzduchu regulátorem tlakové diference ∆p. Při otevření dveří se zmenší podtlak a klapka seškrtí přívod tak, aby vzduch pronikající dveřmi spolu s přiváděným vzduchem nepřesáhl výkon odváděcího ventilátoru při požadovaném podtlaku.

Obr. 3.7 Škrcení přívodu k udržení stálého podtlaku v laboratoři

Obr.3.8 Tlaková ztráta klapky včetně doplňkové v potrubí většího průřezu, než má klapka. ∆pK – tlaková ztráta klapky; ∆pD – doplňková tlaková ztráta rozšířením průřezu

3-5



Při seškrcení průtoku se část tlakové ztráty sítě přesouvá na klapku. Regulovaným úsekem je celá přívodní větev zařízení (od vstupní žaluzie po místnost) s tlakovou ztrátou krytou ventilátorem v jednotce. Vhodnější jsou klapky protiběžné, jejich autorita a tedy i tlaková ztráta mohou být menší než u souběžných klapek. K dosažení dostatečně velké tlakové ztráty zcela otevřené klapky je možné zmenšit klapku vůči potrubí (vyvěsit list). Zúžením a rozšířením průřezu vznikne doplňkový odpor ∆pD (tlaková ztráta clonkou – možno počítat podle Bordova vztahu pro náhlé rozšíření průřezu). Velikost klapky SK vůči průřezu potrubí S je možné určit z diagramu v obr. 3.8. Regulace obtoku výměníku Regulace výkonu ohřívače nebo chladiče na straně vzduchu vyžaduje dvojici klapek: v proudu vzduchu výměníkem a v jeho obtoku, obr. 3.9.

Obr. 3.9 Schéma regulace výkonu výměníku obtokem vzduchu

Aby se neměnil průtok vzduchu při změně polohy klapek, musí zůstat odpor regulovaného úseku ∆pC konstantní. Velikost obtoku se určí z podmínky zachování stejné tlakové ztráty v krajních polohách klapek výměníku KV a v obtoku KO.

∆pC = ∆pKV + ∆pV + ∆pDV

- při uzavřené klapce obtoku

∆pC = ∆pKO + ∆pDO

- při uzavřené klapce výměníku

Kde jsou tlakové ztráty ∆pKV - klapky výměníku, ∆pV - výměníku, ∆pDV - doplňková výměníku, ∆pKO - klapky obtoku, ∆pDO – doplňková obtoku. Pro zachování neměnného průtoku, se musí levé a tedy i pravé strany rovnic rovnat. K určení průřezu obtoku se musí průřez potrubí Sp zvolit a použít diagram pro doplňkový odpor v obr. 3.8. Doplňkové odpory ∆pDV = ρ (wv − wP )2 / 2 , ∆pDO = ρ (wo − wP )2 / 2 se počítají podle Bordova vztahu pro náhlé rozšíření průřezu.

Regulace směšování V praxi se často používá klimatizační zařízení (CAV) s proporciálně řízenou trojicí klapek venkovního, odpadního a zpětného vzduchu. Klapky umožňují řídit směšovací poměr 3-6



venkovního a zpětného vzduchu v libovolném poměru - od prosté cirkulace (V1 = VZ) při zátopu po plný průtok větracího vzduchu (V1 = VE) za plného obsazení objektu. K udržení celkového průtoku přiváděného vzduchu na konstantní hodnotě (V1 = konst.), musí klapka zpětného vzduchu - zcela otevřená - škrcením vyrovnat tlakový rozdíl mezi rozdělovací a směšovací komorou ∆pZ - obr. 3.10.

Obr. 3.10 Schéma regulace směšování a tlakové poměry, jsou-li klapky v mezipolohách Rozbor tlakových poměrů v grafu ukazuje, že zcela otevřená klapka zpětného vzduchu KZ musí průtok škrtit tak, aby ∆p Z = ∆p A + ∆p B . Přetlak v rozdělovací komoře B a podtlak ve směšovací komoře A jsou při konstantních průtocích V1 a V2 = konst. nezávislé na poloze klapek. Potíž s návrhem klapek odstraní použití dalšího regulačního obvodu - řízení konstantního tlakového rozdílu na části zařízení (s vyloučením filtru, který se zanáší) v přívodu upraveného vzduchu.

3-7



3.1.3 Orientační pokyny pro návrh vícelistých regulačních klapek

3-8


3.2


REGULAČNÍ ARMATURY A VÝMĚNÍKY

3.2.1 Základní pojmy. Regulační ventily a kohouty (směšovače) (ČSN 13 4509/1990) Otevření ventilu (poloha uzávěru) 0 ≤ H ≤ H100

Poměrné otevření h = H/H100

Průtokový součinitel ventilu kvs = průtok ventilem za referenčních podmínek kv = průtok ventilem za provozních podmínek Pro vodu: kv = Vv [(∆pvN/∆pv)/(ρN/ρ)]1/2

[m3/h]

referenční podmínky: ρN = 1000 kg/m3 - voda při 15 °C prakticky

kv = Vv

ρ

∆pvN = 100 kPa

[m3/h, kPa]

10.∆pv

Pro páru podle tlakových poměrů - proudění páry může být kritickou rychlostí (rychlostí zvuku) nebo podkritické. Kritický přetlak na ventilu je pro páru sytou ∆pvkrit = 0,43.p1 (před ventilem), pro přehřátou páru ∆pvkrit = 0,47.p1 Přibližně bereme ∆pvkrit ≅ 0,5.p1 Při podkritickém průtoku páry, kdy ∆pv100 < ∆pvkrit kv = MD / [0,0134 √(p2. ∆pv100)]

(přibližně ∆pv100 < p1/2)

[ kg/h - kPa] p2 = p1 - ∆pv100

Při kritickém průtoku, kdy ∆pv100 ≥ ∆pv krit

(přibližně ∆pv100 ≥ p1/2)

kv = MD / (0,068.p1)

[ kg/h - kPa]

Poměrný průtokový součinitel

Φ = kv/ kvs

Poměrná průtoková charakteristika, obr. 3.11

Φ = f (h) při konst. přetlaku na ventilu

kvs odpovídá kv při

Φ= 1

kv100

"

h= 1

kv0

"

h = 0, Φ0 = kv0 / kvs

kvr

"

přestoupení tolerance sklonu charakteristiky

Φ = Φ0 + n.h

Ventil lineární

Stejné změně otevření odpovídá stejná změna kv v celém regulačním rozsahu. Sklon přímky n ≈ 0,98. Pro h = 1 → Φ =1 a 3-9

n = 1 - Φ0 → Φ0 = 1 – n → Φ = 1 – n (h – 1)



Ventil rovnoprocentní Φ = Φ0.en.h → ln Φ = ln Φ0 + n.h.) (h = 0 až 1). Exponent n = 4 (nebo 2) Φ0 = e-n = 0,0183 ( 0,135) Pro h = 1 → Φ = 1 → Φ0 = e-n →

Φ = en.(h-1) → ln Φ = n(h – 1)

Stejné změně otevření odpovídá stejná procentní změna kv v celém regulačním rozsahu. Regulační rozsah (akční poměr)

(r ≡

1 ≡ ) Sv = kvs/kvr ( = 15 až 50 i více) Φr

Teoretický regulační rozsah (pro teoretickou charakteristiku)

rteor = 1 / Φ0 = kvs/kv0

často Sv ≅ rteor

3.2.2 Regulační armatura v síti Pv = ∆pv100 / ∆pv0 = 0 až 1

Autorita ventilu

∆pv100 při h = 1 ( H100) ∆pv0

při h = 0

2

Poměrný průtok ventilem

m = MW / MW100 = [1 + Pv (1/Φ - 1)]-1/2 = f (kv)

Provozní charakteristika

m = f(h, Pv) závislost průtoku na zdvihu při přetlaku daném spoluprací sítě a ventilu s čerpadlem, obr. 3.12 vpravo

Zesílení (zisk, činitel přenosu) KS = dm/dh = f (h)

3.2.3 Regulační vlastnosti výměníků - ohřívačů a chladičů vzduchu Způsoby řízení výkonu

-na vodní straně

-škrcením průtoku vody

Mw = var.

-řízením teploty vody míšením tw1 = var.

-na straně vzduchu - obtokem kolem výměníku Statická charakteristika výměníku: Poměrný výkon (= poměr změny teploty vzduchu při stálém průtoku vzduchu k akčnímu účinku výměníku) jako funkce průtoku vody, obr. 3.13

q = 1 / [ 1 + b (1 - m)/m] = f (m)

q = Q/Q100 = ∆tL/Xh

Činitel vytížení výměníku při regulaci změnou teploty vody – míšením

b = bt = ∆tW / (tW1-tLi)

kde tLi= tL2 u předehřívačů a tLi = tL1 u dohřívačů.

3 - 10



při regulaci změnou průtoku vody - škrcením b = bM = 0,6.bt pro parní ohřívače je

b = 1.

Zesílení (činitel přenosu) výměníku KS = dq/dm = b/{m2[1+b(1/m-1)2]} = f(m)

3.2.4 Ventil + výměník Statická charakteristika (ventil rovnoprocentní) q = f(h) a zesílení KS = f(h)

q=

dq q 2m KS = = b.Pv .n dh (kv0 kvS )2

1   1 + b  1 + Pv [(e n.h .k vS / k v0 ) − 1] − 1  

Volba typu ventilu podle činitele vytížení výměníku PvVyp = 0,3 / b

1,74

při Sv = 50

PvVyp = 0,4 / b

1,53

při Sv = 25

Pro Pv > PvVyp volíme lineární ventil pro Pv < PvVyp volíme rovnoprocentní ventil. V klimatizaci většinou b = 0,15 až 0,35, proto volíme převážně ventily rovnoprocentní. V okruzích s čerpadlem, kde se Pv blíží jedné, volíme ventily lineární.

Určení ventilu kvN ... stanovíme výpočtem z podkladů výrobce zvolíme ventil s kvs ≥ kvN Přepočet regulačního rozsahu:

Sv.kvs = SvN.kvN →

3 - 11

Sv = SvN.kvN/kv



Obr. 3.11 Průtokové a Obr. 3.12 provozní charakteristiky lineárních (vlevo) a rovnoprocentních (vpravo) ventilů 3 - 12



Obr. 3.13 Statické charakteristiky ohřívačů a chladičů vzduchu při ML = konst (podle Würstlina). Při regulaci míšením s konstantním průtokem vody výměníkem je MW průtok vody přisávané čerpadlem výměníku z primárního rozvodu

3 - 13



3.2.5 Mez regulovatelnosti výměníku ∆t L, min =

Xh 1 + b. [ Pv ( S v2 − 1) + 1]

Maximální rozkmit teploty vzduchu Xmax = 0,2.∆tLmin

Obr. 3.14 Zobrazení podmínky pro mez regulovatelnosti výměníků (podle B. Junkera)

3 - 14



3.2.6 Směrnice pro zlepšení regulovatelnosti ohřívačů vzduchu Nejobtížněji regulovatelné jsou výměníky s velkým regulačním rozsahem, jak je obvyklé u předehřívačů. K jejich úspěšnému řízení je nutné koordinovat některá opatření: 1. Ventil montovat co nejblíže k výměníku. 2. Pamatovat na stálou cirkulaci vody. 3. Použít co největší činitel vytížení b. Staré tradiční dimenzování s vodou 90/70 °C je překonáno i u otopných soustav. Ochlazení vody volit co největší, proto je vhodnější regulace míšením. Příklad Určíme teplotu vody za předehřívačem při řízení míšením je-li činitel vytížení bt = 0,5 při teplotě vzduchu tL2 = 30 °C, a vody tw1 = 90 °C. Při regulaci míšením bude tw2 = tw1 - bt (tw1 - tL2) = 90 - 0,5 (90-30) = 60 °C Při regulaci škrcením bude bM = 0,6 . bt = 0,6.0,5 = 0,3 a teplota výstupní vody tw2 = 90 - 0,3.60 = 72 °C 4. Nepříznivě se projeví - v praxi velmi časté - předimenzování výměníku, které způsobí větší zakřivení jeho charakteristiky a způsobí potíže při dílčím zatížení - viz. bod 6. 5. Parní ohřívače splňují požadavek v bodě 3., protože u nich je prakticky b = 1. Pro správnou funkci musí být zajištěn plynulý odvod kondenzátu i při přerušovaném provozu. Je třeba také odstranit vrstvení vzduchu za výměníkem. 6. Regulační ventil nesmí být předimenzován. Příliš velkému ventilu odpovídá velká hodnota kvr , větší hodnota mezního ohřátí ∆t L min a prodlouží se doba provozu, po kterou není výměník regulovatelný. 7. Při velkých požadavcích na přesnost je možné využít dva regulační ventily zapojené paralelně a řízené postupně. Velikost prvního ventilu I navrhneme na poloviční zátěž (na Xh / 2). Pracovní diagram umožní dimenzování a volbu správné charakteristiky bez výpočtu. První ventil má většinou jen 1/4 až 1/6 celkové kvs a poměry blízko uzavření se zlepší 4 až 6 krát.

Obr. 3.15 Vodní ohřívač vzduchu se dvěma regulačními ventily řízenými postupně. Rozdělení tepelného výkonu 50/50 % na první/druhý ventil. Ventil I: kvI = kv.(kvI/kv) kde kv je hodnota žádaná při jmenovitém zatížení; charakteristika lineární Ventil II: kvII = kv - kvI; ∆p

..oba ventily.otevř .

v100 charakteristika podle bodu vůči čárkované dělicí čáře. Pv = ∆p ..oba ventily zavř. v0

3 - 15



3.2.7 Ochrana výměníků před mrazem Škody poškozením nebo zničením výměníků při zamrznutí vznikají poklesem teploty nebo rychlosti proudění vody. Protimrazová ochrana může být - aktivní, spočívající v prevenci - v předvídání možnosti zamrznutí již při projektování vhodnou volbou typu a zapojení i způsobu regulace; - pasivní, zahrnující instalaci ochranného zařízení.

Aktivní ochrana, obr. 3.16 se zaměřuje na vyrovnání teploty vzduchu za výměníkem, která je nerovnoměrná zejména činností regulace při korekci výkonu výměníku za venkovních teplot jen mírně pod bodem mrazu. Pro vodní ohřívače: - řídit výkon míšením - víceřadé výměníky zapojit v křížovém souproudu - jednořadé předehřívače napájet všechny shora dolů a se svislými trubkami - při venkovních teplotách pod - 30 °C použít ohřev cirkulačního vzduchu. Pro parní ohřívače je nejdůležitější správný odvod kondenzátu při přerušovaném provozu (s odvzdušněním a přerušovači vakua).

Obr. 3.16 Zapojení výměníků, zejména předehřívačů 3 - 16



Pasivní ochrana má čidla na odvodu vody z výměníku a v proudu vzduchu za výměníkem. Tato ochrana při podkročení nastavených teplot: - uzavře přívod venkovního vzduchu (klapkou se zvýšenou těsností) - vypne ventilátor - otevře ventil nebo menší ventil, paralelní k regulačnímu - signalizuje poruchu obsluze. U velkých zařízení se počítá s nouzovým provozem při výpadku energie - oběhových čerpadel a temperováním budovy. Zdrojem může být: - diesel-elektrický zdroj - čerpadlo poháněné baterií přes záskokový měnič - dostatečná zásoba kapalného paliva přiváděného samospádem - akumulační nádrž na teplou vodu (temperování po 8 hodin) - vypouštění výměníků - krajní opatření - podle předem vypracovaného plánu; pozor na zamrznutí při novém napouštění systému!

3.3

Hydraulická zapojení VZT výměníků – obr. 3.17 a obr. 3.18

Komentář k obr. 3.17 Vlastnosti a použití

Zapojení tlakově závislá A Mv = var.

Vhodné pro chladiče vzduchu všech velikostí a menší ohřívače

B s míšením vody

Čerpadlo zvyšuje investiční náklady ale zlepšuje regulovatelnost při částečném výkonu. U předehřívačů zajišťuje dobré podmínky protimrazové ochrany.

Mv = konst.

Vhodné pro velké ohřívače, zejména předehřívače při velkém požadavku na přesnost C

s přímým ventilem

MS = var.

Kolísáním průtoku mohou být ovlivněny tlakové poměry v síti a ztížena regulace.

Vhodné pro menší spotřebiče a pro sítě, ve kterých musí být udržována teplota zpětné vody co nejnižší D s trojcestným ventilem a s obtokem výměníku

Mv = konst.

Poměrně malým výdajem na trojcestný ventil se dosáhne MS = konst. Tlakové poměry nejsou narušovány a jsou dobré podmínky pro regulaci.

Není vhodné pro sítě napojené na akumulátor tepla či chladu anebo, je-li třeba při dálkovém vytápění držet teplotu zpátečky co nejnižší

3 - 17



Obr. 3.17 Tlakově závislá zapojení VZT výměníků, průtoky MV - výměníkem, Ms – sítí. V – přívod, R - zpátečka

Zapojení tlakově nezávislá - obr. 3.18

∆pv100 ≥ 2 . ∆pRS Všechny spotřebiče připojené na jednu síť musí být zapojeny stejným způsobem!

Obr 3.18 Tlakově nezávislá zapojení, V – přívod, R - zpátečka

3 - 18

Prof. Ing. Karel Hemzal, CSc: Regulace klimatizace

4 PROJEKTOVÁNÍ REGULACE KLIMATIZACE

4 PROJEKTOVÁNÍ REGULACE KLIMATIZACE 4.1

Všeobecné pokyny

Koncepce projektu AR vychází z požadavku na stupeň automatizace: částečná: teplota t a vlhkost x bez vzájemné vazby, komplexní: AR úpravy vzduchu je vzájemně provázána, obsluha volí hospodárnou činnost, přepíná zimní - letní provoz a kontroluje činnost AR, úplná: obsluha jen dozírá - třeba i jen dálkově - a organizuje prohlídky a odstraňování poruch. Dobrá je zásada: co nejjednodušší návrh, co nejméně vazeb! Velký vliv má požadovaná přesnost. Je účelné požadavky co nejvíce snížit, předejde se potížím se stabilitou. Při volbě schématu regulace se přihlíží ke druhu klimatizačního zařízení a k požadované přesnosti regulace teploty a vlhkosti. U zařízení s rozvody chladicí a otopné vody ke koncovým jednotkám je nutné řešit také regulaci vodních okruhů společně se vzduchovou částí. 4.1.1

Požadovaná přesnost regulace

Běžná komfortní zařízení se navrhují s přesností regulace teploty ± (1,5 až 2) K. Určité kolísání teploty (± 1) K je fyziologicky žádoucí neboť povzbuzuje duševní i fyzickou činnost, odstraňuje monotónnost mikroklimatu. Rušivé jsou však kolísání s frekvencí 0,4 Hz. Také změna teploty v závislosti na venkovní je vítána; v létě se navrhuje záměrně vlečná regulace. Nejdůležitějším požadavkem u komfortní klimatizace je možnost individuálního nastavení žádané teploty uživatelem, ideálně na každém pracovišti. Relativní vlhkost se může měnit v širokých mezích 30 až 60 % a obvykle stačí regulace teploty rosného bodu v zimě v širokém pásmu proporcionality. U průmyslových a technologických zařízení jsou většinou větší nároky na přesnost udržení teploty a zvláště vlhkosti. Obvykle se žádají přesnosti ± 1 K a ± 5 %. Této přesnosti lze dosáhnout pečlivějším návrhem PI- regulátorů. Pro speciální laboratoře se někdy žádá přesnost ± 0,5 K. Úzké tolerance lze dosáhnout jen společným stavebním řešením objektu a klimatizačního zařízení, které musí být dobře regulovatelné. Tolerance ± 0,1 K je nutno vztahovat vždy k teplotě předmětů, pro které je taková přesnost nezbytná. Velmi malé kolísání teploty vzduchu lze dosáhnout jen při vyloučení přítomnosti lidí. Zařízením se zvýšenou přesností je věnována samostatná kapitola. Kontrola přesnosti je problematická, neboť se uplatňuje tepelná setrvačnost čidla. Spolu se zárukou úzkých tolerancí by měl být vždy uveden způsob, jakým se bude kolísání teplot zjišťovat. Projektant VZT může zlepšit regulovatelnost zařízení: - nepředimenzováním výměníků (max. 20 % jako rezervu na zanesení a uvolnění spojení lamel s trubkou), volit větší vychlazení vody než 90/70 oC, pro velká ohřátí regulace míšením (výhodné rovněž pro protimrazovou ochranu) s oběhovým čerpadlem, - vyhýbat se parním ohřívačům, zejména při přerušovaném chodu - potíže s plynulým odvodem kondenzátu,

4-1



- regulační ventil nesmí být předimenzován, velký ventil prodlouží dobu, po kterou není výměník regulovatelný. Pro dimenzování je nezbytná věrohodná tlaková ztráta sítě (od topenáře) - pro tlakově závislá zapojení - regulační ventil co nejblíže výměníku (pamatovat při koncepci strojovny a zvážit výhody tlakově nezávislého zapojení výměníku). 4.1.2 Schéma regulace Technologické schéma AR - sestavit podle úpravy vzduchu v letním a zimním extrému využít zobrazení v h-x diagramu. Řešit řízení v přechodovém ročním období. Rozhodnout o způsobu řízení vlhkosti, zakomponovat řízení ZZT. Sestavit statické charakteristiky regulátorů s konkrétními rozsahy regulované teploty a vlhkosti (slouží k uvedení do provozu a ke kontrole provozu). Schéma zapojení regulátorů (umístění čidel a pohonů akčních členů) závisí na zvoleném regulačním systému: - elektrické (elektřina je všude, senzory jsou běžné odporové teploměry, termistory, u motorických pohonů potíže se zpětným chodem při výpadku energie), - dnes výhradně elektronické osazené mikroprocesory a zapojené do informační sítě v budově, - pneumatické (zdroj tlakového vzduchu je drahý, přístroje jsou nevýbušné, pohony levné a rychlé, pracují spojitě), s poklesem cen mikroprocesorů jsou vytlačeny do oblasti s nebezpečím výbuchu, - nespojité (dvou- a třípolohové), jsou jednoduché, vhodné pro menší, po budově rozmístěná zařízení. Zásady kreslení schémat nejsou ustálené. Projektanti, výrobci a dodavatelé uplatňují některé speciální požadavky. Všeobecné zásady se však dodržují. Nejdůležitější je srozumitelnost projektové dokumentace pro zhotovitele (montéry) a pro provozovatele. Zapojení se kreslí ve stavu, kdy je regulace vypnutá, bez proudu. U prvků musí být uvedeny charakteristické veličiny: Regulátory: žádaná hodnota, pásmo proporcionality, integrační a derivační konstanty. Ventily: jmenovitá světlost DN, jmenovitý tlak Dp, průtokový součinitel kvs, typ ventilu a poloha v klidu (NO, NZ i u trojcestných). Klapky: typ (P, S) a klidová poloha (NO, NZ) Schéma je vhodné doplnit statickými charakteristikami a zobrazením úpravy vzduchu v h-x diagramu v letním a v zimním extrému, s případnými změnami v přechodném období. Technická zpráva musí obsahovat: - popis jednotlivých obvodů a jejich činnosti během roku, - garanční parametry (tolerance teplot a vlhkosti, přetlaky), - návod na uvedení do chodu a na seřízení AR, - specifikaci použitých prvků - ve shodě se schématem. 4.1.3

Přehled regulačních obvodů

Schéma regulace klimatizačního zařízení se sestaví z jednotlivých obvodů. Pro velkou variabilitu sestav větracích a klimatizačních zařízení a přidružených zdrojů tepla a chladu, je i schémat regulace velký počet. Ke zvýšení produktivity projekčních prací jsou vypracována typová schémata regulace, vhodná pro nejčastěji se opakující případy (poskytují je výrobci). 4-2



Často se opakují různé varianty těchto zařízení: -

nízkotlaká klimatizace s vlhčením párou nebo pračkou vzduchu a se zpětným ventilátorem (s možností větrání s částí oběhového vzduchu),

-

částečná klimatizace bez vlhčení, pouze s chlazením (které umožňuje také odvlhčování) a s ohříváním,

-

teplovzdušné větrání.

Ukázka některých variant jednoduchých VZT jednotek je v obr. 4.1.

Obr. 4.1 Jednoduché sestavné větrací a klimatizační jednotky A - větrání s ohřevem nebo chlazením, B - teplovzdušné větrání se zpětným ventilátorem, C nízkotlaká klimatizace (úplná sestava s vlhčením pračkou), D - vysokotlaká klimatizace (se sprchovaným chladičem, dvoustupňovou filtrací a tlumičem hluku), E - multizónová nebo dvoukanálová klimatizace Obvody řízení jsou základní, doplňkové a pomocné. Základními jsou obvody řízení teploty a vlhkosti. Oba obvody mohou být na sobě nezávislé (dohřívač řízený podle teploty v místnosti), nebo vzájemně vázané. Tato vazba je přímá v případě, kdy např. chladič je řízen jak od teploty tak od relativní vlhkosti, nebo nepřímá, kdy je chladič ovlivněn regulačním pochodem v obvodu dohřívače. Vázané obvody komplikují regulační pochod, neboť vnášejí do obvodů nežádoucí poruchy. Při návrhu obvodů je vhodné vazby omezit nebo zcela vyloučit. Základní obvody řídí tyto úpravy vzduchu: - tepelný výkon ohřívače a chladiče vzduchu (na straně vzduchu nebo vody - podle způsobu zapojení výměníku), 4-3



- zvlhčování (parou, pračkou) a odvlhčování vzduchu (kondenzací vodní páry na chladiči), - míšení venkovního a zpětného vzduchu (optimální v celoročním provozu, hospodárné v přechodu na chlazení). Kromě základních obvodů řízení teploty a vlhkosti se regulace doplňuje pomocnými obvody, které mají tyto funkce: -

signalizují stav úpravy a s předstihem spínají chladicí zařízení, vypínají pračku vzduchu, čerpadla otopné a chladicí vody apod.,

-

protimrazovou ochranu výměníků, která zabezpečuje zejména předehřívač před zamrznutím při přerušení dodávky tepla nebo výpadku elektřiny,

-

uzavírají klapky venkovního vzduchu při přerušení chodu ventilátoru,

-

omezují minimální teplotu přiváděného vzduchu v létě,

-

zavádějí vlečnou regulaci v létě,

-

udržují konstantní průtok vzduchu nezávisle na poloze regulačních klapek nebo na zanesení filtru,

-

řídí průtok vzduchu podle požadavku tepelné bilance (VAV systémy),

-

mění celkový průtok vzduchu zařízením podle venkovní teploty (léto/zima),

-

řídí přetlak v budově nebo v klimatizované místnosti vůči okolí,

-

mění chod zařízení a žádané hodnoty teploty a vlhkosti podle stanoveného časového programu (denního, týdenního),

-

uvádí do chodu vychlazování budovy venkovním vzduchem v noci při vhodných teplotních podmínkách ("volné chlazení"),

-

postupná (sekvenční, kaskádová) regulace.

Jak je z přehledu vidět, pomocné obvody jsou často využité k reakci na nepříznivé a havarijní situace. K jejich věcně správnému a funkčně bezpečnému návrhu musí být známy provozní a technologické požadavky. V době práce na projektu často nejsou ještě podklady úplné. Je pak nutné vycházet ze zkušeností s obdobnými projekty. Nepříznivé případy v budoucím provozu je třeba předvídat. Energeticky důležitá je správná součinnost vodních a vzduchových systémů: -

větrání a vytápění otopnými tělesy nebo velkoplošné (podlahové, stropní, stěnové),

-

klimatizace primárního vzduchu a fan-coil cirkulační jednotky nebo cirkulační chladicí indukční jednotky, příp. chladicí stropy.

Tato zařízení nesmí energeticky "působit proti sobě". 4.2

Zvlhčování vzduchu

4.2.1

Zvlhčování adiabatickou pračkou v zimě

Adiabatická pračka byla použita již v prvních klimatizacích. Stav vzduchu se mění zhruba po izoentalpě (h ≈ konst., přesněji po izotermě mezního adiabatického ochlazení), tím blíž ke křivce sytosti, čím větší je vlhčicí účinnost pračky – obr. 4.2. Teplota klesá a při zvyšování vlhkosti je vzduch adiabaticky chlazen. Předpokládá se, že všechno teplo k odpařování vody se odebírá ze vzduchu. Vlhčicí účinnost roste s dokonalostí rozstřikování vody. Je tím větší, čím menší jsou kapičky, čím větší je poměr průtoku rozstřikované vody k průtoku vzduchu a čím větší je intenzita proměšování kapiček se vzduchem. 4-4



Řízení škrcením průtoku vody má omezení dané minimálním tlakem, při kterém je voda ještě rozstřikována (závisí na typu trysek). Možné je vypínat dvoupolohově sekce registrů trysek, rozdělených do skupin. Moderní pračky (jejich renesance je spojena s návrhy zařízení ke chlazení vzduchu s použitím desikačních rotorů) používají vodu upravenou, rozstřikování vysokotlakým čerpadlem, mají turbulizátory vzduchu před tryskami a vysokou vlhčicí účinnost, a to přesto, že jsou "krátké". K odpaření vody je využito tepla z proudícího vzduchu, který musí být vhodně předehřátý. K řízení předehřevu se používají regulátory: relativní vlhkosti v místnosti, teploty rosného bodu za pračkou, entalpie v místnosti (nebo teploty mokrého teploměru). K adiabatickému chlazení se kromě praček využívá také sprchování povrchu výměníků citelného tepla (žebrových, deskových). Tento způsob se označuje jako nepřímé adiabatické chlazení.

Obr. 4.2 Regulace vlhčení vzduchu. Změnou průtoku vody rozstřikované v pračce: a - plynule, b - dvoupolohově, c - stupňovitě. Sytou parou, plynule (d). Změnou teploty předehřívaného vzduchu (e). Obtokem pračky (f) - klapky KP se většinou vypouštějí. Vlhčicí účinnost pračky (g) ηW = 12 /13 . Závislost změny vlhčicí účinnosti pračky s tangenciálními tryskami při změně průtoky vody(h) ηW = f(MW) 4-5



4.2.2 Zvlhčování parou Přívodem syté páry teplota vlhkého vzduchu jen zanedbatelně stoupá. Do výroby páry se přesouvá část výkonu předehřívače – v porovnání s adiabatickou pračkou a dohřívačem. Škrcením průtoku páry je regulace zvlhčování velmi přesná. Odpadají hygienické problémy a rizika, spojená s množením choroboplodných zárodků (bakterií legionela pneumophila). 4.3 Doplňkové obvody 4.3.1

Postupná regulace

U jednoduchých obvodů je jedna regulovaná veličina a jeden regulační orgán (ventil, klapka). Při postupné (sekvenční, kaskádové) regulaci je řízeno více pohonů podle jedné regulované veličiny, nebo je jeden pohon řízen postupně dvěma regulátory. Regulace může na sebe postupně navazovat plynule nebo se překrývat, případně navazovat s určitou prodlevou. Příkladem je postupné uzavírání ventilu ohřívače s rostoucí teplotou a po jeho uzavření, s určitou prodlevou, při které se mění teplota, aniž se reguluje, se otevírá ventil chladiče. 4.3.2

Regulace teploty s omezením

Pro zamezení nadměrného ochlazování (vzniku průvanu) nesmí být pracovní rozdíl teplot větší, než dovoluje způsob rozvodu vyústkami. V extrémních podmínkách nebo při zahájení provozu klimatizace může regulátor teploty v místnosti požadovat chladnější vzduch, než lze připustit. Omezovací regulátor - obr. 4.3, který snímá teplotu přiváděného vzduchu do místnosti - pomocnou veličinu - převezme řízení výměníku, jestliže poklesne teplota tp pod mez, nastavenou vůči teplotě vnitřní ti.

Obr. 4.3 Regulace teploty s omezením minimální teploty přiváděného vzduchu, mechanické zapojení selektivního relé pneumatické regulace V přepínání řízení musí být nastavena přiměřená prodleva, která zabrání kmitavému přepínání jednoho vstupu na druhý. Názorně vysvětlená činnost regulačního obvodu na řízení pneumatickými přístroji je při elektronické regulaci uskutečněna matematicky v mikroprocesoru podle naprogramované závislosti.

4-6


4.3.3


Vlečná regulace teploty v létě

Vnitřní teplota v létě je řízena v závislosti na venkovní teplotě. U komfortní klimatizace se omezí nemoci z podchlazení udržováním rozdílu teplot te - ti v rozmezí, které vyhovuje aklimatizační schopnosti člověka. Podle obr. 4.4 se přestavuje na vlečném regulátoru teplota ti v závislosti na venkovní teplotě te, pokud přestoupí hodnotu te = 22 °C. V rozmezí 22 < te < 32 °C se posouvá žádaná hodnota o ∆ti = 0,4 (∆te = te - 22). Nad touto mezí je stoupání strmější, pokud nestačí výkon chlazení.

Obr. 4.4 Vlečná regulace teploty v létě Dalšími pomocnými obvody jsou například hospodárné směšování a volné chlazení, a stabilizační zapojení, která jsou podrobněji uvedena v kap. 6. 4.3.4 Hospodárné směšování vzduchu a volné chlazení U zařízení s míšením venkovního vzduchu se zpětným v létě, je hospodárné upravovat chlazením vzduch o co nejnižší entalpii. Energeticky je výhodné řídit klapky tak, aby při hE ≤ hZ bylo chlazeno 100 % venkovního vzduchu (o entalpii hE) a při hE > hZ se upravoval jen hygienicky potřebný podíl venkovního vzduchu pro větrání (s využitím chladu ve zpětném vzduchu z klimatizovaného prostoru s entalpií hZ). Při ohřívání vzduchu v zimě a při chlazení v létě se přivádí jen minimální dávka venkovního vzduchu VE, min . Ve střední části pásma proporcionality regulátoru ti se dosahuje žádané teploty zvyšováním podílu venkovního vzduchu bez chlazení v chladiči (tzv. volné chlazení).

4-7



V prodlevě mezi funkcemi obou výměníků může být modulován průtok venkovního vzduchu až do 100 %. Tam, kde se chlazení řídí regulátorem teploty v klimatizovaném prostoru, je možné nahradit regulátory entalpie (které jsou složité a náročné na údržbu) regulátory teploty, viz obr. 4.5. Uvedené zapojení je vhodnější než řízení směšování podle teploty po smíšení, které je nehospodárné. Podmínky optima pro entalpie jsou nahrazeny (méně výhodně) teplotami.

Obr. 4.5 Hospodárné míšení - zapojení, statické charakteristiky, oblast úspor v h-x diagramu 4.4 Klimatizační systémy Systémy klimatizace, je možné třídit do skupin, například podle uspořádání a podle způsobu kompenzace tepelné zátěže na:

4-8



Centrální: -

vzduchové – např. jednokanálové, vícezónové, vysokotlaké (s indukčními jednotkami, dvoukanálové, s konstantním nebo s proměnným průtokem vzduchu - VAV) nebo nízkotlaké (jednozónové nebo se zónovými dohřívači)

-

kombinované vzduch – voda (fan – coil tj. s ventilátorovými konvektory nebo indukční)

-

vodní (dvoutrubkové, čtyřtrubkové)

-

chladivové (split, multi-split, s proměnným průtokem chladiva – VRV)

Jednotkové, samostatnými klimatizačními jednotkami. Uvedený výčet zdaleka nezahrnuje možné varianty. Důležité je, aby byly do regulačního systému implementovány potřebné řídicí obvody, rozhodující zejména o hygienickém plnění funkce klimatizace (hygienické dávky větracího vzduchu, řízení jeho kvality, individuální řízení mikroklimatu). Podstatné jsou také obvody, které zhospodárňují provoz, zejména úsporami energie (ZZT, hospodárné směšování, VAV). Věnujeme pozornost ukázkám některých schémat regulace. 4.4.1

Jednozónové systémy

Obr. 4.6 Centrální strojovna jednozónové částečné klimatizace (bez vlhčení) se ZZT rotačním regeneračním výměníkem a s možností řízení směšování venkovního a odpadního vzduchu (Honeywell).

Obr. 4.7 Statické charakteristiky jednozónového zařízení (s rotorem ZZT) podle obr. 4.6 - a) teplota (směšovací klapky), b) teplota (ZZT), c) teplota (ohřívač/chladič), d) omezení min. teploty přiváděného vzduchu, e) letní vlečná regulace

4-9



V obr 4.6 je zařízení k částečné klimatizaci se směšovací komorou, rotačním regeneračním výměníkem citelného tepla (ZZT), ohřívačem a chladičem. Klapky jsou řízeny podle venkovní teploty, nastavitelná je minimální dávka venkovního vzduchu v zimě a v létě. Postupně je regulován ohřívač, rotor a chladič (přímý výparník) s hospodárným směšováním. Regulována je vnitřní teplota, v létě s omezením minimální teploty přiváděného vzduchu – obr. 4.3 a s vlečnou regulací – obr. 4.4. Rotor ZZT je řízen změnou otáček Y3, obr. 4.7b. Pokud nestačí jeho výkon k ohřátí venkovního vzduchu, otevírá se ventil ohřívače Y1. Pokud by v prostoru stoupala teplota nad požadovanou, a je uzavřen ventil ohřívače, snižují se otáčky rotoru. Pokud je možné využít chladu v odváděném vzduchu, roztočí se rotor. V další fázi při rostoucí teplotě přistupuje chladič Y2. V zimě lze získávat vlhkost z odváděného vzduchu entalpijním rotorem. V obr. 4.8 je klimatizační zařízení obdobné předchozímu, avšak s vlhčením párou. Deskový výměník ZZT je řízený obtokem venkovního vzduchu. Teplota je řízena sekvenčně ohřívač/ ZZT/ chladič. Vlhkost je řízena sekvenčně chladič/ parní zvlhčovač (odvlhčování/ vlhčení). selektivní modul CRM1 vybírá větší ze signálů regulátorů teploty a vlhkosti a rozhoduje, který regulátor bude řídit chladič.

Obr. 4.8 Centrální strojovna jednozónové klimatizace se ZZT deskovým výměníkem a s možností směšování venkovního a odpadního vzduchu (Honeywell)

Obr. 4.9 Statické charakteristiky zařízení v obr. 4.8- a) T (směšování), b) T (ZZT), c) T (ohřev/chlazení), d) H (odvlhčování), e) H (zvlhčování), f) vlečná regulace

4 - 10



Obr. 4.10 Jednokanálové klimatizační zařízení s regulací teploty rosného bodu (Honeywell)

Obr. 4.11 Statické charakteristiky zařízení v obr. 4.10- a) míšení klapkami, b) předehřívač/chladič, c) dohřívač, e) vlečná regulace V obr. 4.10 je zařízení s optimálním směšováním k využití tepla i chladu v odpadním vzduchu, řízeném čidly entalpie E1 a E2. Teplota rosného bodu (cca 12 °C) je udržována za chodu pračky sekvenčním řízením předehřívače/chladiče. Pračka běží trvale, pokud ji nevypne regulátor vlhkosti (s čidlem H51) při přestoupení žádané hodnoty. Dohřívač je řízen negativní vlečnou regulací (P/PI = T51/T52). Letní vlečná regulace je zřejmá ze statické charakteristiky v obr. 4.11e. V obr. 4.12 je zařízení se ZZT kapalinovým okruhem. Regulátor s čidlem T22 slouží k ochraně před námrazou výměníku na straně odváděného vzduchu. Teplota je řízena v sekvenci dohřívač/ZZT/chladič. Vlhkost je řízena sekvencí předehřívač/pračka/chladič. Pračka má regulaci škrcením průtoku tlakové vody. Ostatní obvody jsou stejné jako nahoře.

4 - 11



Obr. 4.12 Jednokanálové zařízení s regulací míšení podle teploty (entalpie) venkovního a odváděného vzduchu (Honeywell)

Obr. 4.13 Statické charakteristiky zařízení v obr. 4.12- a)směšování, b) teplota, c) vlhkost, d) omezení min teploty, e) vlečná regulace vnitřní teploty 4.4.2

Multizónové systémy

Sestava součástí pro úpravu vzduchu do dvou kanálů je v obr. 4.14. Upravován je jen venkovní vzduch. Vzduch se rozvádí ke směšovacím zónovým jednotkám dvěma kanály: teplého a chladného vzduchu. Teplota před rozdělením průtoků je řízena v sekvenci dohřívač/ ZZT/ chladič regulátory s čidlem T51 - obr. 4.15. Vlhkost (podle H51) je řízena sekvencí předehřívač/ pračka/ chladič. Výměníky v kanálech mají samostatné regulační obvody s možností přestavení podle venkovní teploty. Frekvenčním měničem jsou plynule řízeny otáčky ventilátoru k udržení tlaku před rozbočením do kanálů. Protimrazová ochrana FT vypne ventilátory, uzavře klapky a otevře ventil směšovače.

4 - 12



Obr. 4.14 Centrální strojovna multizónové klimatizace se ZZT kapalinovým okruhem (Honeywell)

Obr. 4.15 Statické charakteristiky zařízení v obr. 4.14 – a) teplota, b) vlhkost, c) tlak 4.4.3

Systémy kombinované

Ke kombinovaným systémům klimatizace, pracujícím s centrálně upraveným vzduchem, patří klimatizační systémy: -

vzduch – voda

-

s proměnným průtokem vzduchu (VAV)

-

se statickým vytápěním obvodových zón

-

s chladicími stropy a chladicími trámy

-

se zónovými dohřívači

-

s tepelnými čerpadly

-

s vodními smyčkami

Některé kombinace jsou uvedeny v následujícím textu.

4 - 13



Obr. 4.16 Klimatizace s proměnným průtokem vzduchu (VAV), s vytápěním otopnými tělesy a s chladicím stropem, řízeným proměnným průtokem vody (podle Hesco) Podle obr. 4.16 regulátor teploty v místnosti řídí sekvenčně vytápění (1-otopné těleso)/ regulátory průtoku vzduchu (2-paralelně oba)/ ventil chladicího stropu (3-ventil je směšovací). Chladicí strop má teplotu vody řízenou předřazeným míšením, výkon stropu je řízen změnou průtoku vody stropem. Chlazení stropem nastupuje po dosažení plného výkonu vzduchového systému, pokud jeho chladicí výkon nestačí krýt tepelnou zátěž. Řízení teploty vody pro otopná tělesa je vázáno na venkovní teplotu v zimě. Okenní kontakt vypíná klimatizaci. Při vysoké vlhkosti je omezováno chlazení stropem. Žádaná teplota je dálkově přestavitelná z místnosti. Denní chod má časové řízení podle programu zde nezobrazeného. Hodnotu nastaveného průtoku v regulátoru, kterou určuje prostorový regulátor teploty, je možné přestavovat ručně, nebo podle přítomnosti osob, podle časového programu nebo podle údaje čidla kvality vzduchu (nezobrazeno). V obr. 4.17 je zapojení jako v předchozím obrázku. Chladicí strop má samostatné čerpadlo s konstantním průtokem vody výměníkem a řízením teploty vody škrcením zpátečky. Čerpadlo je spínáno periodicky, minimální teplota vody do stropu je nastavitelná omezením.

4 - 14



Obr. 4.17 Klimatizace s proměnným průtokem vzduchu (VAV) a s chladicím stropem, řízeným změnou teploty vody při stálém průtoku vody (podle Hesco) Jeden z možných typů regulátorů stálého průtoku, nezávislého na přetlaku je v obr. 4.18. Tryska je konstruována tak, aby v širokém rozsahu přetlaku byl průtok tryskou konstantní. Hodnota průtoku se nastaví vhodným předpětím pružiny. Doplněním o čidlo - měřidlo průtoku, regulátor a servopohon lze posouvat žádanou hodnotu průtoku podle požadavku na větrání. Ve vyobrazeném regulátoru by takové uspořádání měnilo předpětí pružiny automaticky.

Obr. 4.18 Regulátor průtoku expanzní jednotky s pružinou a kotoučem v trysce 4.4.4 Systémy s ventilátorovými konvektory Systémy s ventilátorovými konvektory (VK) jsou používány v hotelích i v administrativních budovách. Ventilátorové konvektory (fan-coil) jsou parapetní nebo podstropní jednotky 4 - 15



s ventilátorem, filtrem a výměníkem, který může být použit jak pro chlazení, tak pro ohřívání, nebo může být dělený do dvou částí s odděleným průtokem teplé a chladné vody. Dvoutrubkový systém Regulátory teploty v místnosti musí mít přepínatelnou funkci léto – zima (changeover); tj. v zimě přímočinnou (s rostoucí teplotou se ventil zavírá - ohřívač) a v létě zvratnou, má-li ventil funkci NO (chladič). Provoz je přepínán centrálně změnou teploty rozváděné vody. Regulátor řídí ventily průtok vody nebo jednoduše vypíná a zapíná ventilátor a průtok vody není řízen. V obr. 4.19 je ukázáno ruční řízení tříotáčkového ventilátoru a škrcení průtoku vody ventilem řízeným automatickým regulátorem teploty zpětného vzduchu.

Obr. 4.19 Ventilátorový konvektor (Fan–coil); dvoutrubkový vodní rozvod, ruční řízení otáček ventilátoru Při rozvodu chladné vody, ventil (NO) zvětšuje průtok vody při rostoucí teplotě vzduchu. Při rozvodu teplé vody má ventil funkci přímou (NZ) a jeho činnost je opačná – s rostoucí teplotou zavírá. Provozní potíže mohou nastat v přechodném období, kdy ráno a večer je třeba vytápět a během dne chladit.

Obr. 4.20 Příprava vody pro ventilátorové konvektory, dvoutrubkový přepínací systém Zařízení pro přípravu vody podle obr. 4.20 sestává ze zdroje pro ohřívání vody (kotle nebo výměníku), z chladiče vody (výparníku chladicího zařízení), oběhového čerpadla a přepínacího systému čtyř ventilů. Provozní potíže mohou nastat zejména při přepnutí z vytápění na chlazení. Při vysoké teplotě vstupní vody do chladiče (přes 25 °C) je chladič přetížen a je nebezpečí poškození kompresoru. V sání kompresoru se nebezpečně zvýší tlak a přetlakový jistič kompresor vypne. Proto je třeba vést chladičem jen část vody (zbytek 4 - 16



obtokem) tak dlouho, až se voda v rozvodném potrubním systému vychladí. Tento proces vyžaduje čas a proto při kolísavém počasí s teplými dny a chladnými nocemi, není vždy držena požadovaná teplota a provoz není hospodárný. Teplota vody se při přepnutí stanovuje tak, aby se obtíže omezily. Např. při venkovní teplotě pod +15 °C, se rozvádí otopná voda s teplotou 28 °C a při -18 °C s teplotou 60 °C. Přepnutí provozu (changeover) z vytápění na chlazení se uskuteční změnou polohy (přepnutím) čtyř přímých ventilů. Třícestný ventil řízený regulátorem teploty propouští část vody obtokem chladiče a otevírá průtok chladičem postupně, jak se systém vychlazuje. Minimální průtok chladičem musí být po uvedení kompresoru do provozu stále udržován, aby se zabránilo jeho zamrznutí. Solenoidový ventil chladiče je řízen regulátorem teploty vody vystupující z chladiče (za provozu). Přepnutí z chlazení na vytápění může vyvolat tepelný šok v kotli a je proto vhodné instalovat také obtok kotle nebo přednostně použít výměník. Teploty zpětné vody pod 50 °C vedou ke kondenzaci par ve spalinách a k nízkoteplotní korozi kotle. Čtyřtrubkový systém Otopná a chladicí voda jsou zcela odděleny. Výměníky v jednotkách jsou jednořadé ohřívače a dvou- až třířadé chladiče, které jsou většinou od sebe oddělené (nemají společné lamely), obr. 4.21.

Obr. 4.21 Ventilátorový konvektor (Fan-coil); čtyřtrubkový vodní rozvod, výměníky oddělené - vlevo, společný výměník se sekvenčně působícími ventily – vpravo Regulační ventily dělených výměníků jsou obvykle nastaveny tak, že mezi jejich postupnou funkcí je prodleva, po kterou jsou oba ventily uzavřeny. Je také možné použít jednotku s jedním výměníkem avšak s oddělenými rozvody vody. V tomto případě musí být použity dva třícestné (sekvenční) ventily - obr. 4.21 vpravo. 4.5 Centralizace řízení chodu klimatizace V rozsáhlých objektech nebo komplexech budov se soustřeďuje řízení technických zařízení včetně klimatizace do jednoho místa - velínu, osazeného řídicím počítačem. Příkladem mohou být hotely, administrativní budovy, nemocnice. Soustředěno bývá řízení: - klimatizačních, vytápěcích a větracích zařízení včetně zdrojů tepla (včetně nouzových) a chladu - chodu odběru elektrické energie (kontrola odběrových diagramů) - činnost výtahů (signalizace poruch) - požární ochrana, protipožární klapky 4 - 17



- zabezpečení objektu - činnost osvětlení Jednotlivá zařízení jsou regulována podústřednami, které komunikují s centrálním počítačem přenosem informací sítí převodem na jednotný komunikační jazyk - protokol (BACnet, LON, EIB, Ethernet aj.). Spojení je oboustranné s přenosem informací o stavu zařízení a s možností dálkového přestavení řídicích parametrů. Řízení je možné také na dálku, prostřednictvím internetu. Řízení pak přebírají specializované firmy, které garantují uživateli budovy zvýšenou úroveň bezpečnosti, hospodárnost a komfort. Takový koncept umožňuje také automatizovat inteligentní provoz budovy. Příkladem je kombinovaný řízený provoz větrání budovy, využívající přirozeného větrání při příznivých klimatických podmínkách. V halách budov lze otevírat prosklené zastřešení v létě a přivádět vzduch do nich předchlazený v podzemních kanálech. Střecha může být otevřená také v noci k nočnímu vychlazení budovy. V případě deště se střecha automaticky zavírá. V zimě přejde přirozené větrání na nucené. Budova vybavená venkovními žaluziemi může automaticky reagovat na oslunění oken naklápěním lamel. Takové řízení umožní využít sofističtější návrh budov s optimalizací spotřeb energie k jejich provozu. Příkladem jsou budovy s chlazením betonového jádra (dutých stropů), nebo s vytápěnými a chlazenými stěnami a podlahou.

4 - 18


5 DYNAMICKÉ CHOVÁNÍ REGULAČNÍCH OBVODŮ

5 DYNAMICKÉ CHOVÁNÍ REGULAČNÍCH OBVODŮ Statická charakteristika dává představu o činnosti regulace klimatizace při změnách stavu rovnovážným způsobem, tj. mění-li se stav vzduchu teoreticky nekonečně pomalu. Pro posouzení chování regulačních obvodů v provozu je nutné znát dynamické vlastnosti projektovaného zařízení. Jsou k tomu potřebné údaje, které charakterizují časový průběh přechodu z jednoho rovnovážného stavu do druhého (údaje z přechodové charakteristiky): Pro regulovanou soustavu -

charakteristické doby regulované soustavy: doba průtahu Tu a doba náběhu Tn u soustav druhého a vyššího řádu, dopravní zpoždění Tz a časová konstanta TS u soustav prvního řádu s dopravním zpožděním;

-

činitel přenosu soustavy (zisk) KS a akční účinek Xh při plném přestavení regulačního členu;

Pro regulátor se spojitou funkcí -

činitel přenosu regulátoru KR, časová konstanta regulátoru TR, závěrná doba regulačního orgánu Ty, požadované pásmo proporcionality Xp, časové konstanty integrační Ti, příp. derivační Td, činitel zpětné vazby KZ.

Charakteristické doby regulované soustavy jsou dány vzduchotechnickým dimenzováním a určité úpravy jsou možné volbou místa pro umístění čidla regulátoru (např. do místnosti nebo do zpětného vzduchovodu). 5.1 Dynamické vlastnosti regulátorů Dynamické vlastnosti spojitého regulátoru určují jeho přenosové funkce (P-, PI-, PID- aj.). Časový průběh změny akční veličiny v reakci na regulační odchylku v PID regulátoru je dán vztahem y=

1 XP

 1 x + Ti 

τ

∫ x.dτ + T

d

0

dx   dτ 

XP = 1/KR

Spolupodílejí se také tepelně – akumulační vlastnosti čidla a závěrná doba pohonu, které přispívají ke zpoždění v přenosu signálu. Většina soudobých regulátorů pracuje na principu DDC (Direct Digital Control), využívá mikroprocesor a regulační funkce řeší software s naprogramovanými funkcemi a vloženými časovými konstantami. Adaptivní typy těchto regulátorů mění časové konstanty podle provozních podmínek, zjištěných čidly nebo datovým či hodinovým režimem (útlum během víkendu, v noci, náběh v předstihu před začátkem pracovní doby apod.).

5.1.1 Vliv měřicího místa na dynamiku regulačního pochodu Údaje o změnách měřené veličiny vysílají čidla se zpožděním, způsobeným jejich setrvačností.

Čidla teploty reagují většinou jako členy 1. řádu. Jsou v měřicím rozsahu přibližně lineární. Rozdílné vlastnosti mají čidla v potrubí a v prostoru, především pro různou rychlost tekutiny.

5-1



Časová konstanta T čidla teploty vody je uváděna při rychlosti w = 0,2 m/s, pro čidla teploty vzduchu při 1 m/s. Při jiné rychlosti wx se konstanta Tx mění, viz. obr. 5.1.

Obr. 5.1 Vliv rychlosti proudění vody a vzduchu na časovou konstantu čidla teploty Čidla vlhkosti se chovají jako členy vyššího řádu. Jsou nelineární a reagují různě rychle na stoupající a na klesající vlhkost. 5.1.2 Dynamické vlastnosti pohonů Dynamické vlastnosti pohonů charakterizuje závěrná doba Ty potřebná ke změně polohy pohonu z jedné krajní polohy do druhé. Výběr vhodné závěrné doby je jedním z možných parametrů ke stabilizaci obvodu, řízeného třípolohovým regulátorem. Někteří výrobci nabízejí možnost volby "pomalých" a různě "rychlých" pohonů.

5.1.3 Výsledek činnosti regulátoru v regulačním obvodu

Obr. 5.2 Časový průběh odezvy na skokovou změnu poruchové veličiny Z v obvodu s různým typem regulátoru: 1 - bez regulátoru; regulátor 2 - P-, 3 - I-, 4 - PI-, 5 - PID-, 6 - ideální; xwt - trvalá regulační odchylka. Y je akční veličina, X je regulovaná veličina 5-2



5.2 Dynamické vlastnosti regulovaných soustav klimatizace Při přechodu z jednoho ustáleného stavu do druhého dochází v součástech regulovaných soustav ke zpoždění, které je způsobeno akumulací tepla (a vlhkosti). Zařízení se po tepelné a aerodynamické stránce dimenzují na základě statických požadavků (vyrovnání bilancí tepla a vlhkosti za extrémních stavů) a i u bezchybně navrženého zařízení může docházet k trvalému kolísání regulované veličiny. Příčinou je nevhodné přizpůsobení regulátoru dynamickým vlastnostem regulovaného zařízení. Potíže přináší také vázanost regulace teploty a vlhkosti, která se projevuje tím, že změna jedné z těchto regulovaných veličin vyvolá regulační pochod v obvodu řízení druhé veličiny. Podstatnými úseky regulovaných soustav jsou -

vzduchovody s ventilátory,

-

klimatizované místnosti,

-

ohřívače a chladiče s regulačními ventily a potrubím otopné nebo chladicí vody.

5.2.1 Dynamické vlastnosti vzduchovodů Vzduchovod je pasivní člen (bez vlastního zdroje tepla). Přechodový průběh závislosti výstupní teploty na čase při skokové změně vstupní teploty (přechodovou charakteristiku) lze vyšetřit sestavením a rozborem tepelné bilance vzduchu v úseku vzduchovodu o délce dx při stacionárním průtoku vzduchu. Přivedené teplo = odvedené teplo + akumulace do vzduchu Q1 = Q2 + Q3 +Q4

[J]

Obr. Schéma tepelné bilance vzduchovodu. U – obvod a S – průřez potrubí, t, ts, te – teploty vzduchu, stěny a okolí Vzduchem přivedené teplo

Q1 = cL .ρ L .wL .S .t.dτ

Vzduchem odvedené teplo

Q2 = cL .ρ L .wL .S .(t +

Teplo sdělené konvekcí stěně Teplo akumulované vzduchem

∂t dx ).dτ ∂x

Q3 = αi (t − ts )U .dx.dτ ∂t Q4 = ρ L .S .dx.cL dτ ∂τ

Po sestavení bilance a dělením ( c L .ρ L .S .dx.dτ ) dostaneme pro změnu teploty vzduchu a stěny po délce vzduchovodu a v čase t, ts = f(x,τ), při teplotě okolí te = konst. diferenciální rovnici

−

∂t αU ∂t wL = i (t − ts ) + ∂x ρ L cL S ∂τ

5-3



Její řešení je jednoduché jen pro idealizované mezní případy stěn: tenké a nekonečně tlusté.

Pro tenkou stěnu (teplota stěny ts je stejná v celé tloušťce) je tepelný tok do stěny zčásti sdílen do vnějšího vzduchu a zčásti akumulován stěnou o tloušťce δs Q3 = α i (t − ts )U .dx.dτ = (t s − t e ).α eU .dx.dτ + c s .ρ s .δ sU .dx

α i (t − t s ) = (t s − t e )α e + c s ρ sδ s

∂t s dτ ∂τ

∂t s αi αe c ρ δ ∂t ⇒ s s s s + ts = t+ te ∂τ α i + α e ∂τ αi + α e αi + α e

Tepelnou bilancí úseku je rovnice

T .t s′´ + t s = K .t +

αe

αi + α e

te

s časovou konstantou stěny T a činitelem přenosu stěny K, uvedenými dále v tabulce. Tato rovnice odpovídá členu regulované soustavy 1. řádu s dopravním zpožděním.

U nekonečně tlusté stěny se veškeré přivedené teplo ve stěně akumuluje. Výsledkem řešení celkové bilance je průběh přechodové charakteristiky, uvedený v obr. 5.3. Je zřetelné, že betonový nebo zděný kanál(7) je nepoužitelný a nesmí být součástí regulované soustavy.

Obr. 5.3 Přechodová charakteristika vzduchovodů různé konstrukce (podle Profose). Podmínky: wL = 5 m/s, l = 200 m, průměr D = 0,8 m, plech ocel 1 mm tl., skokové zvýšení vstupní teploty ∆t1 = 40 K, zvýšení výstupní teploty ∆t2τ v čase τ je vztaženo k ustálené teplotě v čase τ = ∞. Činitele přenosu K jsou uvedeny v dalším textu 1 – vnitřní izolace mechovou hmotou tvrzenou pryskyřicí, 2 – vnitřní izolace minerální vlnou, 3 – vnější „dokonalá“ izolace, 4 – vnější izolace mechovou hmotou tvrzenou pryskyřicí, 5 – vnější izolace minerální vlnou, 6 – bez izolace, 7 – betonový (zděný) kanál

5-4



Náhradní blokové schéma a přenosové vlastnosti

Obr. 5.4 Náhradní blokové schéma vzduchovodu s vyznačením přenosových vlastností Charakteristické veličiny vzduchovodu lze určit ze vztahů: Dopravní zpoždění je dáno rychlostí vzduchu a délkou potrubí Tz =

Časová konstanta

TS =

l wL

κ 1 − e −κ

T

Q3 / ∆ts α i .U .l = - poměr tepelného toku do stěny, CL M L .cL vztaženého na jednotkový rozdíl teplot stěny a vzduchu k tepelné kapacitě průtoku vzduchu.

Dynamické číslo vzduchovodu

κ=

Činitel přenosu vzduchovodu K S =

∆t 2 ∞ = K S1 + K S 2 ∆t1

K S1 = e −κ

K S 2 = (1 − e −κ ). K

Časová konstanta stěny T a činitel přenosu stěny K jsou v následující tabulce ( δ s u betonového kanálu je hloubkou pronikání změn teploty ve stěně – závisí na periodě změn) Potrubí

T [s]

K

ρ s c sδ s αi + αe

αi

αi + αe

Betonový kanál

λ s ρ s cs 2α i2

αi ≅ 0,5 α i + λs δ s

„dokonale“ izolované

ρ s c sδ s αi

--

Neizolované plechové

Uvedené vztahy lze použít i pro vodní rozvody, pokud se dosadí příslušné hodnoty pro vodu.

5.2.2 Dynamické vlastnosti klimatizované místnosti Místnost je poměrně složitým členem regulované soustavy (RS). Místnost patří k RS, je-li čidlo regulátoru umístěno v místnosti nebo ve zpětném potrubí. Poloha měřicího místa je důležitá pro representativní měření stavu v místě, na kterém nám v místnosti záleží (zóna pobytu) a ovlivňuje dynamické chování celé regulované soustavy. Spolu s akumulací tepla

5-5



stěnami působí v místnosti (podobně jako v potrubí) akumulace tepla vzduchem. Přechodová charakteristika je silně ovlivněna způsobem distribuce vzduchu vyústkami. Dynamickou odezvu místnosti na skokovou změnu teploty přiváděného vzduchu lze superponovat ze dvou jevů. V prvém se neuvažuje působení stěn a předpokládá se pístový průtok vzduchu místností s dopravním zpožděním Tz a přenosem KS1. Ve druhém jevu se naopak předpokládá okamžité dokonalé promíšení přiváděného vzduchu s vnitřním a uvažuje se vliv akumulace tepla stěnami s přenosem KS2 a časovou konstantou TS (jako u vzduchovodu) a místnost se považuje za součást se zpožděním 1. řádu. Blokové schéma je v obr. 5.5. Předpokládáno je sériové uplatnění obou jevů.

Obr. 5.5 Blokové schéma klimatizované místnosti s vyznačením přenosových vlastností. Zjednodušeně (podle Junkera) Tz ≈ TS = 60/nV [ min]; KS1.KS2 = KS Výsledky měření ukazují, že se uplatní také paralelní efekt obou jevů a v praxi bývá poměr Tu/Tn (≈ Tz/TS) = 0,1 až 0,3. Na přechodové chování místnosti mají vliv: -

umístění čidla t2,

-

násobnost výměny vzduchu nV (průměrná rychlost vzduchu v místnosti),

-

objem místnosti O a její geometrie (výška, členitost),

-

zastavění prostoru nábytkem a zařízením a jejich tepelná jímavost,

-

způsob distribuce vzduchu vyústkami,

-

místní zdroje tepla (poloha, výkon),

-

poloha odváděcích otvorů (pod stropem, u podlahy),

-

druh provozu (chlazení, vytápění).

Činitel přenosu místnosti je v obr. 5.6. V rozmezí poměru S/O = 1 až 2 obvyklém v praxi jsou pravděpodobné hodnoty KS = ∆ti ∆t p = 0,2 až 0,5 Přípustné meze nastavení regulátorů ve fázi projektu lze jen odhadnout: Pro P regulátor

X P = ∆t p max .K S / K Opř

Pro odhad doporučuje Junker hodnotu přípustného zesílení v obvodu KO př = 5. Pro PI regulátor

X P = ∆t p max . K S /(4až 5) Ti = (2 až 3) Tu ≈ 1 až 15 min

5-6



Obr. 5.6 Závislost činitele přenosu klimatizované místnosti na násobnosti výměny nv, kde S je plocha stěn a předmětů akumulujících teplo, O je objem místnosti (podle B. Junkera) 5.2.3 Dynamické vlastnosti výměníků tepla Dynamické chování výměníků závisí na jejich zapojení a na způsobu řízení výkonu. U vodních ohřívačů a chladičů jsou časové charakteristiky závislé na průtoku vody a na její teplotě. V obr. 5.7 jsou přechodové křivky, zjištěné pro různé zapojení. Zaplavování parního ohřívače není použitelné.

Obr. 5.7 Přechodová charakteristika ohřívačů vzduchu při různém způsobu regulace. ∆tL je ohřátí vzduchu. Ohřívače: 1 – parní, řízený škrcením průtoku páry, 2 – vodní, řízený škrcením průtoku vody, 3 – vodní, řízený změnou teploty vstupní vody, 4 – parní, při řízení zaplavováním kondenzátem

5-7



Časová konstanta výměníku M .c závisí na hmotnosti M [kg] a měrné tepelné kapacitě c [J/(kg.K)] S .k materiálu a teplonosné tekutiny, na teplosměnné ploše S [m2] a na součiniteli prostupu tepla k [W/(m2.K)]. TS =

Dopravní zpoždění

Tz = 0,16. TS.

5.2.4 Ohřívač a chladič vzduchu jako pasivní člen Výměník naplněný kapalinou je také významným pasivním členem, který akumuluje a vydává teplo. Přenosové vlastnosti lze určit jako u vzduchovodů. Dopravní zpoždění je možné většinou zanedbat, Tz = 0.

Činitel přenosu jako u vzduchovodu s dynamickým číslem κ =

α iU.l M w cw

, kde U.l = Se tj.

teplosměnná plocha.

Časová konstanta se stanoví podobně jako u vzduchovodu (κ je dynamické číslo)

TS = (0,78.κ + 0,86)

CW α e .S e

kde tepelná kapacita vodního obsahu výměníku závisí na hmotnosti vody CW = MW.cW

[J/kg]

5.2.5 Význam dynamických vlastností regulované soustavy pro volbu regulátoru Prvky regulované soustavy klimatizace postupně protéká vzduch s teplotou, proměnnou na základě změn v tepelné bilanci prostoru a také na základě regulačních zásahů. Z hlediska regulovatelnosti jsou rozhodující poměry Tu /Tn nebo rovnocenný poměr Tz /TS . Význam časových charakteristik ukáže příklad teplovzdušného větrání. Mezi ohřívačem a místností je vzduchovod, čidlo je v místnosti. V důsledku poklesu teploty zvětší regulátor otevření ventilu. Než projde vzduch potrubím a ohřeje místnost natolik, že čidlo zaznamená stoupnutí teploty a regulátor zajistí opětné přivření ventilu, uběhne určitý časový úsek. Nejprve se teplota v místě čidla vůbec nezmění v důsledku dopravního zpoždění úměrného rychlosti vzduchu a vzdálenosti čidla od výměníku. Po celou tuto dobu se však přivádí ve výměníku teplo, a to v dávce, která převyšuje teplo potřebné k vyrovnání regulační odchylky. Po uplynutí doby průtahu se zvýší teplota v místě čidla a v poměrně krátké době náběhu by se ustálila. Regulátor je však informován o přeregulování a ventil téměř zavře. Je-li poměr Tu/Tn velký (přes 0,5), je udržení konstantní teploty obtížné nebo téměř nemožné. Podle Kaludjerčiče, který zkoumal a analyzoval 240 klimatizačních zařízení, je doporučení pro volbu typu regulátoru zřejmé z obr. 5.8 (podle osobního sdělení).

5-8



Obr. 5.8 Doporučení pro přenosové vlastnosti regulátoru k řízení soustavy klimatizace, charakterizované Tz – dopravnmí zpožděním a TS – časovou konstantou 5.2.6 Činitel přenosu regulované soustavy Ze statických údajů je nejdůležitější činitel přenosu soustavy, který udává konečnou hodnotu regulované veličiny v setrvalém stavu. Při sériově řazených n úsecích je dán součinem KS = K1 . K2 . K3 .………. Kn při paralelním řazení součtem KS = K1 + K2 + K3 +……..+ Kn

činitelů přenosu jednotlivých úseků na sebe navazujících. Výsledné dopravní zpoždění

Tz = ∑ Tzi

Výsledná časová konstanta

TS = n.TSi

Statická charakteristika soustavy, která sestává z ventilu, výměníku, potrubí a místnosti, je dána závislostí ohřátí vzduchu v místě čidla teploty na zdvihu ventilu. Výsledný činitel přenosu soustavy je dán poměrem velikosti změny teploty v místě čidla ke změně zdvihu ventilu. Tato hodnota se nesmí příliš zvětšovat v regulačním rozsahu, zejména při dílčím zatížení.

5.2.7 Klasifikace regulovatelnosti soustav klimatizace Podle poměru časových konstant, zjištěných z přechodové charakteristiky je slovní hodnocení v následující tabulce.

5-9



Klasifikace regulovatelnosti soustav klimatizace Tu/Tn nebo Tz/TS Regulovatelnost K0krit = 1+ π /(2.Tu /Tn) < 0,1 velmi dobrá > 16 0,1 až 0,2 dobrá 16 až 8 0,2 až 0,4 obtížná 8 až 5 0,4 až 0,5 velmi obtížná 5 až 4 "nemožná" <4 > 0,5 ⇒ Tn < 2.Tu

Obr. 5.9 Klasifikace regulovatelnosti soustavy podle přechodové charakteristiky Vlevo: 1 - Tu1/Tn1 = 1/2,4 = 0,42; 2 - Tu2/Tn2 = 1/2,1 = 0,47 2 - Tu2/Tn2 = 1/4,5 = 0,22 Vpravo: 1 - Tu1/Tn1 = 1/1,4 = 0,71; U regulovaných soustav 2. a vyššího řádu platí tabulka pro Tu/Tn, u soustav 1. řádu s dopravním zpožděním platí tabulka pro Tz/TS.

Závěry: obtížnost zvětšuje dlouhá doba průtahu Tu (resp. dopravní zpoždění Tz) a krátká doba náběhu Tn (resp. časová konstanta TS); rozhodující je jejich poměr. Čím obtížněji je soustava regulovatelná, tím menší smí být zesílení regulačního obvodu KO ≈ KOkrit /2.

5 - 10


6 P ESNOST A STABILITA REGULACE KLIMATIZACE

6 P ESNOST A STABILITA REGULACE KLIMATIZACE Jedním z velkých problém innosti regulace je její možná nestability. P i p ekro ení meze stability regula ní obvod kmitá bez vn jší p í iny. Požadavek stability je v p ímém protikladu s požadavkem statické p esnosti regulace. 6.1

Kontrola dosažitelné p esnosti postupem p i 1.° poznání

V praxi v tšinou není možné ve fázi projektování postupovat podle p esn jších metod. Zejména proto, že nejsou známé pot ebné údaje (struktura soustavy a charakteristické veli iny) s dostate nou p esností, takže nemá smysl použít p esné ale pracné (a asov náro né) výpo ty. K postupu podle 2. a 3.° poznání jsou pot ebné tyto podmínky: -

dost p esné odhady veli in charakterizujících dynamické vlastnosti soustavy (Tu, Tn, KS,)

-

projektant musí mít dost asu

- projektant musí mít možnost považovat výsledky výpo t za dostate n p esné (aby práce m la smysl). Východiskem je proto jednoduchý postup, který pot ebuje jen: -

klasifikovat soustavu a

- odhadnout dosažitelné pásmo proporcionality Xp. K posouzení, zda je možné použít Pregulátor se porovná hodnota ± Xp/2 s požadovanou p esností (garantovanými tolerancemi) regulované veli iny. Jde tedy o kriterium výb ru podle statické p esnosti. K odhad m lze použít doporu ení, uvedené v tabulce podle L. Kanerta (Tab. 6.1). Tyto údaje je možné využít k odhadu dynamického chování regula ních obvod p i prvém (nejnižším) stupni poznání vlastností regulovaných soustav a regulátor . Celý postup objasní p íklad. P íklad. Jednoduché v trací za ízení sestává z oh íva e, ventilátoru, vzduchovodu a v trané místnosti. Vzduch se oh ívá z -12 na +25 °C. Ak ní ú inek je tedy Xh = 37 K. P i regulaci teploty p ivád ného vzduchu (regulovaná soustava s potrubím) lze o ekávat, že bude možné dosáhnout Xp podle tabulky Kanerta (Tab. 6.1) Xp = Xh/5 = 37/5 = 7,4 K, což je p íliš velké, proto bude použit PI- regulátor místo P. Bude-li regulována teplota v místnosti (regulovaná soustava s místností), je hodnota Xh = 37 = tp - t1 - identická se zm nou teploty oh ívaného vzduchu a Xp = (Xh/5) KSmíst = 7,4 . KSmíst Pro místnost s povrchem akumula ních ploch S = 52 m2 a objemem O = 67 m3 (S/O = 0,78), p i násobnosti vým ny nv = 5 1/h je initel p enosu místnosti KSmíst = 0,3 (viz. odst. 5.2.2), takže lze odhadnout Xp = 7,4.0,3 = 2,2 K Tato hodnota (± 1,1 K) je v tšinou p ijatelná.

6-1



Tab. 6.1 Podklady k p edb žné volb regulátor v obvodech klimatizace p i 1.°poznání (podle L. Kanerta)

Poznámky k tabulce 6.1 1. Integra ní konstanta Ti = 900 s = 15 min. je málo pravd podobná, nebo odpovídá malé vým n vzduchu, p i které nemá žádný význam usilovat o p esnost, které m že být dosaženo jedin PI regulátorem. 2. Ak ní ú inek je zm na regulované veli iny, kterou vyvolá plné p estavení ak ního lenu (otev ení ventilu, Y = 100 %). 3. Integra ní konstanta u PI regulátoru m že být p edb žn Ti = (2 až 3) Tu. 4. Podle dosavadních m ení pro tém všechny regulované soustavy v klimatizaci je charakteristické, že pom r Tu /Tn = 0,1 až 0,3. Extrémn obtížn regulovatelné soustavy mají tento pom r až 0,5 a velmi p íznivé soustavy 0,1 až 0,05. P íklad. Význam initele p enosu místnosti dokumentuje následující p íklad. D: KSmíst = 0,3, ti = to = 22 °C, tp = 25 °C U: teplotu odvád ného vzduchu p i stoupnutí teploty p ivád ného vzduchu o 10 K (na 35 °C) KS =

∆t o ∆t p

∆to = ∆tp . KS = 10.0,3 = 3 K to = 22 + 3 = 25 °C

Zd vodn ní: p í inou menší zm ny to je zv tšení tepelných ztrát do okolí místnosti.

6-2



6.2 Postup podle B. Junkera Jsou dva nep íznivé (mezní) pr b hy regula ního pochodu: -

odezvou na poruchu vnesenou do obvodu vzniknou netlumené kmity, nebo

- pr b h je aperiodický, kdy obvod je tak zatlumen, že regula ní pochod trvá nep ípustn dlouho. Vhodný je pr b h regula ního pochodu mezi t mito mezními p ípady. P i optimálním nastavení parametr regulátoru se dosáhne rovnovážného stavu v krátkém ase a bez velkých odchylek od žádané hodnoty (tlumenými kmity). Stabilitu projektem navržených obvod je možné zkontrolovat postupem podle B. Junkera. Je t eba znát nebo odhadnout: asovou konstantu regulátoru TR, doby z p echodové charakteristiky regulované soustavy Tu, Tn (nebo Tz, TS) a zisk soustavy KS. Postup využívá diagram kritického zesílení obvodu. Jde o postup s optimalizací dynamiky regula ního pochodu.

Obr. 6.1 Kritický initel p enosu obvodu se soustavou (Tu, Tn, KS). Vlevo s P-regulátorem s asovou konstantou TR, vpravo s PI-regulátorem s integra ní konstantou Ti (podle B. Junkera) P íklad kontroly stability pro P-regulátor postupem podle Junkera D: Tu/Tn, Tn, TR, KS (zasv cený odhad z obdobných za ízení, ešených detailn podle 2. resp. 3.° poznání) Postup: 1. KOkrit = f(Tu/Tn, TR/ Tn) z diagramu B. Junkera 2. KOopt = KOkrit/2 (tab. podle Zieglera - Nicholse) 3. protože obecn KO = KS.KR ur í se KR = KOopt / KS 4. Xp = 1/KR se porovná s požadovanou tolerancí regulované veli iny. Když bude požadované pásmo proporcionality (dané požadovanou p esností) užší, než vypo tené, bude nebezpe í nestability obvodu a musí se použít stabiliza ní opat ení.

6-3



6.3 Optimální nastavení parametr regulátor nainstalovaných na provozuschopných za ízeních Uvedeme postup p izp sobení regulátoru dané soustav . P i uvád ní regulace do provozu je ú elné ídit ak ní len nejd íve ru n . Zjistí se, zda innost regulátoru je staticky správná. Ov í se nap íklad, zda v tším otev ením ventilu oh íva e regulovaná teplota stoupá. Pak se p istoupí k optimálnímu nastavení pásma proporcionality Xp u proporciáln pracujícího regulátoru, Xp a Ti u PI- regulátoru a Xp , Ti a Td u PID - regulátoru. Postup je možný zkusmo, nap . vy azením I a D složky a lad ním pásma proporcionality a pak postupn zkoušet velikost asových konstant regulátoru. P i optimálním nastavení regulátoru probíhá regula ní pochod dostate n rychle a nemá p i tom sklon k nestabilit . Ke sledování odezvy na poruchu, která si vyžádá p echod regula ního obvodu na nový rovnovážný stav, je možné použít grafický zápis zm ny regulované veli iny s asem. P íznivý je pr b h bez velkého p ekmitnutí, s krátkou dobou ustálení a s malou plochou odchylek p i p echodu do ustáleného stavu. (Porovnej P a PI regulátory v obr. 6.2).

Obr. 6.2 Pr b h ustalování obvodu se spojitými regulátory - odezva na skokovou poruchu Podle Zieglerova - Nicholsova postupu se nastaví na regulátoru Ti = ∞ a Td = 0, takže pracuje jako ist proporcionální. Xp se zužuje tak dlouho, až vzniknou trvalé kmity - obvod je na mezi stability. Protože doba kmitu bývá u klimatiza ních za ízení asto kolem 1 h, je tento postup asov náro ný a vyžaduje trp livost. Zjistí se kritická doba kmitu Tk a kritické pásmo proporcionality Xpk a regulátor se nastaví podle následující tabulky (údaje v ráme ku). Regulátor

Xpk/Xp

Xp/(KSmax.Tu)

Xp/(KS.Tu/Tn)

Ti/Tk

Ti/Tu

Td/Tk

Td/Tu

P

0,5

1

1

-

-

-

-

PI

0,46

1,2

1,1

0,85

3,3

-

-

PD

0,4

0,83

-

-

-

0,12

0,25

PID

0,6

0,83

0,834

0,5

2

0,125

0,5

I

-

-

-

2

-

-

-

PD/PID

-

0,4

-

-

2

-

0,4

PDPI

0,25

-

2

0,33

1,32

0,4

2

….. podle Zieglera - Nicholse

6-4



Jinou možnost poskytuje zjišt ní p echodové charakteristiky regulované soustavy. V ustáleném stavu lze rozpojit regula ní obvod a skokem p estavit ak ní len, nap . regula ní ventil oh íva e a registrovat, jak se m ní teplota v míst idla v závislosti na ase. Z p echodové charakteristiky ode teme Tu a Tn, p íp. Tz, TS. Regulátor se nastaví podle výše uvedené tabulky. Místo KSmax m žeme dosadit Xmax/Tn. Ur í se: Xp, Ti, Td V praxi asto nem žeme izolovat soustavu od nežádoucích poruch na dobu pot ebnou ke zjišt ní p echodové charakteristiky. Pak je t eba asové konstanty soustavy odhadnout. Když malá zm na ak ní veli iny (zdvih ventilu, nato ení klapky) vyvolá velké zm ny regulované veli iny, bude t eba, aby Xp bylo velké. Když sleduje regulovaná veli ina zm ny ak ní veli iny rychle, je možné p edpokládat krátké doby Tu i Tn . Regulace je tím obtížn jší, ím v tší je pom r Tu/Tn. Pak musí být nastaveno v tší pásmo proporcionality, to znamená, že initel p enosu regulátoru bude malý a lze o ekávat velké regula ní odchylky a malou p esnost regulace. P íklad: Stanovit, zda lze dodržet v místnosti teplotu 22 °C ± 0,5 K proporciální regulátorem. Z p echodové charakteristiky regulované soustavy byly zjišt ny na daném za ízení: doba náb hu Tn = 700 s, doba pr tahu Tu = 105 s. (Tu / Tn =105/700 = 0,15; soustavu klasifikujeme jako dob e regulovatelnou). P ípustný initel p enosu rozpojeného obvodu (z doporu ení ve výše uvedené tabulce) T 700 KO = n = = 6,67 Tu 105

initel p enosu regulované soustavy dostaneme z výsledk m ení KS =

X h 3,85 = = 0,128 Yh 30

K/mm

Zde Xh je rozmezí teplot, o které se zvýšila regulovaná teplota p i plném p estavení ak ního lenu a Yh je zdvih ventilu. initel p enosu regulátoru KR =

KO 6,67 = = 52 K S 0,128

mm/K

Pásmo proporcionality regulátoru je pak XP =

Yh 30 = = 0,58 K R 52

K

Maximální trvalá odchylka P- regulátoru je tedy ± 0,3 K, což vyhovuje požadované p esnosti. 6.4

Stabiliza ní zapojení

6.4.1 Negativní vle ná regulace Obvod s obtížn regulovatelnou soustavou m že být stabilní p i zapojení dvou regulátor za sebou podle obr. 6.3. Hlavní regulátor teploty ti má P- p enos, pomocný regulátor tp má p enos PI. Výstup V2 z regulátoru R2 se žádanou hodnotou W2 regulované teploty X2 = ti nep sobí p ímo na ventil oh íva e, ale je ídicí veli inou (žádanou teplotou W1) pomocného regulátoru 6-5



R1. Tento regulátor ídí tp v regulované soustav od ventilu po místo idla (ventil, vým ník, ventilátor, vzduchovod). Výstupní signál odpovídá regula ní odchylce teploty X1 od její žádané hodnoty W1 = V2. innost negativní vle né regulace je z ejmá ze závislosti t p = f (ti ) . V místnosti je žádána teplota 22 °C s p esností ± 0,5 K. Tomuto rozsahu odpovídá (z tepelných bilancí pro léto a zimu) zm na teploty p ivád ného vzduchu ∆t p max = 28 − 16 = 12 K

Posunutí teplot p sobí takto: klesající teplota v místnosti vyvolá požadavek zvýšit teplotu p ivád ného vzduchu a naopak.

Obr 6.3 Schéma zapojení a vliv teploty v místnosti na teplotu p ivád ného vzduchu p i negativní vle né regulaci (ozna ované také P + PI regulace nebo kaskádové zapojení) Uvedené zapojení se také ozna uje jako P+PI. Umož uje samostatn nastavit na obou regulátorech pásma proporcionality a integra ní konstantu. Všechny poruchy v p íprav vzduchu (zm na teploty venkovního vzduchu nebo otopné i chladicí vody aj.) jsou 6-6



pomocným regulátorem eliminovány, takže nezat žují hlavní regulátor teploty v místnosti. Ten kompenzuje ú inky vyvolané poruchami vnit ní tepelné bilance (zm na v po tu osob, osv tlení, prostup tepla st nami). Tyto vlastnosti zajiš ují stabilní regula ní pochod i p i úzké toleranci vnit ní teploty. Zapojení se uplatní tam, kde 1. je žádána konstantní teplota (cejchovní místnosti, m icí laborato e, výroba citlivá na poruchy), 2. jde o prostory s asov velmi prom nlivou tepelnou zát ží jako jsou velké divadelní sály, p ednáškové sály, sportovní haly, obchodní domy 3. je žádáno p esné omezení (bez kmitání) minimální p íp. maximální teploty p ivád ného vzduchu. 6.4.2 Stabilizace vázané regulace teploty a vlhkosti vzduchu

P i regulaci teploty a vlhkosti v prostoru vznikají provozní potíže, protože t a ϕ se vzájemn ovliv ují. Regula ní odchylky teploty vyvolávají odchylky relativní vlhkosti (protože m rná vlhkost se p íliš nem ní). Pokud dynamické odchylky ϕ p esahují pásmo proporcionality regulátoru relativní vlhkosti ∆ϕ dyn ≥ X p (ϕ ) / 2

je možné regulaci stabilizovat zavedením priority regulace t (jako soustav s v tší setrva ností, která má v tší dynamické regula ní odchylky) nad obvodem regulace ϕ . Princip prioritního zapojení je z ejmý ve schématu s elektrickými p ístroji v obr. 6.4.

Obr. 6.4 Stabilizace vázané regulace teploty a relativní vlhkosti zavedením priority regulace t Zde SIP jsou stup ovité impulsní p erušova e, TR t ípolohové regulátory. Rmax a Rmin jsou pomocné kontakty, sepnuté je-li teplota nebo vlhkost v mezích pásma proporcionality. Jakmile p estoupí dynamická odchylka teploty pásmo proporcionality, zablokuje se obvod regulace ϕ do té doby, než se ustálí teplota v mezích tolerance. Do obvodu regulace ϕ je vložen len, ízený regulátorem teploty, který vy adí regulátor ϕ , dokud není teplota v žádaných mezích. Regulátor ϕ m že ídit pohon pouze tehdy, když jsou oba kontakty Rt max a Rt min sepnuté. Zapojením lze dosáhnout p esnosti regulace ϕ ± 2 %. 6-7



Ke stabilizaci se také používají tenden ní idla, obr. 6.5. Teplotu p ivád ného vzduchu snímá dvojice idel, z nichž jedno reaguje bez zpožd ní a druhé je v jímce nebo je tepeln izolované. Výsledný signál je úm rný rozdílu údaj obou idel. V setrvalém stavu se teploty obou idel vyrovnají a jejich p sobení na regula ní okruh teploty v místnosti pomine. Toto zapojení p edvídá ú inek zm n teploty p ivád ného vzduchu na teplotu v místnosti a zavádí do obvodu pseudo-deriva ní složku.

Obr. 6.5 Schéma stabilizace tenden ním idlem Ke stabilizaci také p ispívá zapojení s pomocnou poruchovou veli inou, obr. 6.6. Zapojení hlavní poruchové veli iny, teploty venkovního vzduchu, zmenšuje regula ní odchylky v mezích pásma proporcionality. Zapojení te má podobný ú inek jako u letní vle né regulace; posouvá statickou charakteristiku hlavního regulátoru ti .

Obr. 6.6 Zapojení venkovní teploty jako hlavní poruchové veli iny p i regulaci teplovzdušného v trání a vliv pomocného regulátoru na statickou charakteristiku hlavního regulátoru 6-8


7 REGULACE KVALITY VZDUCHU

7 REGULACE KVALITY VZDUCHU Jedním ze základních požadavk na VZT je dostate né v trání vzduchem o vysoké kvalit . Nadm rné v trání však vede ke zvýšené spot eb energie. Ve v traných a klimatizovaných prostorech je ízení kvality vzduchu jedním z úsporných opat ení. ízena je intenzita v trání, daná pom rem pr toku v tracího venkovního vzduchu a objemu v traného prostoru ne = Ve / O

[1/h]

Ú elné je ídit intenzitu v trání podle zát že v traných prostor škodlivinami, produkovanými p ítomnými osobami, samotnou budovou a jejím vybavení a také samotným VZT za ízením. Kvalita by m la být zajišt na podle kategorie kvality prost edí (viz doporu ení CEN 1752). V p ípadech, kdy se v za ízení mísí venkovní vzduch se zp tným (cirkula ním), je t eba od intenzity v trání odlišit intenzitu vým ny vzduchu, danou pom rem pr toku p ivád ného vzduchu do v traného prostoru a objemu prostoru np = Vp / O

[1/h]

7.1 Kriteria kvality vzduchu Obr. 7.8 Za azení idla kvality do ízení klimatizace s prom nným pr tokem vzduchu (VAV) a s chlazeným stropem (Honeywell) Kvalitu vzduchu v ob anských a administrativních budovách zhoršují nejvíce lidé svou p ítomností. lov k produkuje oxid uhli itý, vodní páru a spolu s odpa ováním potu ("suchým") také pachy. Vzhledem k relativn snadné m itelnosti, je zne išt ní vzduchu již od dob Pettenkofera (1858) hodnoceno podle koncentrace CO2. V nepr myslových budovách (kancelá ích, školách, obytných místnostech) lidé asto vnímají ovzduší jako obt žující, nedostate n " erstvé", vydýchané až dusné. Zjiš ování p í in t chto pocit neprokázalo p ekro ení b žn uznávaných mezí koncentrací CO2 (mez 0,1 % obj. = 1000 ppm) a chemická analýza neprokázala výrazný vzestup n které specifické p ím si.

Obr. 7.1 Princip hodnocení stupn zne išt ní nespecifickými p ím semi PD = 395.exp(-1,83.q0,25) pro q PD = 100 %

0,32 l/(s.olf)

pro q > 0,32 l/(s.olf) 7-1



Ke kvantifikaci vjemu kvality ovzduší lov kem zavedl Fanger jednotky olf a decipol (podrobn viz. ZTV 2/1989, nebo TP 31 V trání a klimatizace). Olf udává intenzitu zdroje zne išt ní ovzduší. Jeden olf je produkce biologických p ím sí standardním lov kem (koná lehkou innost kancelá ského charakteru, vsed , p i tepelné pohod , s hygienickým standardem 0,7 koupelí za den). Jiné zdroje zne išt ní jsou vyjad ovány po tem osob (olf ), které zp sobí stejn poci ované zne išt ní. Koncentrace škodlivin závisí na mohutnosti zdroje a na intenzit v trání (na ed ní p ím sí v tráním). Jeden decipol je zne išt ní (koncentrace spole n p sobících nespecifických p ím sí), zp sobené zdroji o mohutnosti jeden olf p i p ívodu 10 l/s v tracího vzduchu. Tato jednotka zne išt ní vzduchu je analogická jednotkám hladiny hluku v decibelech a osv tlení v luxech. Hygienické meze (decipoly) jsou vyjád itelné statisticky pravd podobným procentem nespokojených (PD) p ítomných osob. Výsledky šet ení Fangera jsou v obr. 7.1. Pro b žn branou p ípustnou mez 15 % nespokojených je mez zne išt ní práv jeden decipol. K regulaci kvality vnit ního vzduchu ve v traných a klimatizovaných místnostech lze vycházet z údaj idel kvality nebo idel CO2. 7.2 idla kvality ovzduší idla kvality ovzduší jsou vhodným indikátorem nespecifického zne išt ní ovzduší v nepr myslových objektech. Analyzují koncentraci plynných p ím sí na základ principu, který využil Japonec Taguchi. Porézní vrstva oxidu cíni itého SnO2 má elektrickou vodivost prom nnou podle množství oxidovatelných p ím sí adsorbovaných v pórech idla (obr. 7.2). Porézní vrstva má velký povrch a je katalyzátorem reduk ních a oxida ních proces . Spolu se sorpcí p ím sí probíhá jejich resorpce, podporovaná vyh íváním idla elektrickým proudem na teplotu vyšší než je v okolí. Molekuly oxidovatelných plynných p ím sí jsou p i adsorpci oxidovány a SnO2 je tímto procesem redukován (zbaven ásti kyslíku). Vzdušným kyslíkem je ást redukcí vzniklého Sn op t oxidována. Proces je reverzibilní. Rozdílem parciálních tlak p ím sí na povrchu idla a v okolí se vodivost neustále p izp sobuje jejich momentální koncentraci v prostoru. P i adsorpci se uvol ují elektrony a zvyšují elektrickou vodivost polovodi e. Vodivost idla se ustálí na rovnovážné hodnot , dané koncentrací p ím sí ve vzduchu.

Obr. 7.2 Schéma idla kvality s polovodi em SnO2. 1 - porézní vrstva oxidu cíni itého, 2 elektroda, 3 - napájení, 4 - topné t leso Zm na vodivosti (odporu) je zjiš ována elektricky a využívána v regulátorech kvality vzduchu k ízení intenzity v trání. idlo reaguje v n kolika sekundách, neopot ebovává se. 7-2



Reaguje na adu plyn (H, CO, CH - uhlovodíky, alkoholy, estery, benzol, formaldehyd) látky, které jsou podstatnou sou ástí VOC (Volatile Organic Components - t kavé organické látky) a také na vodní páru. VOC zahrnují také výpary z materiál a špatn udržované vzduchotechniky (zejména filtr ). Nereaguje na CO2, který je inertním plynem. idla kvality se cejchují metanem, tak aby udávala nap tí 5 Vss p i koncentraci metanu 1000 ppm. Velkým výrobcem idel je japonská firma Figaro, Osaka. Její idla zabudovávají do svých regulátor jak zahrani ní tak i našich výrobci. idla kvality z oxidu cíni itého vyžadují trvalý p ívod proudu. P i jeho p erušení musí být jejich innost obnovena vyh íváním po dobu úm rnou dob p erušení proudu. Proto se vyvíjejí idla z jiných polovodi , nap . Ga3O2. 7.3 idla CO2 Pracují na r zných principech, nap . fungují na fotoakustickém principu m ení koncentrace plyn . Vzduch je v uzav ené ba ce oza ován infra erveným sv tlem (o vlnové délce 4,25 µm). Zá ení rozkmitá molekuly CO2, jejich vzájemnými nárazy se zvýší teplota a tím i tlak v m icí ba ce. Zm na tlaku je závislá na koncentraci a je m ena jako akustický tlak mikrofonem. Tlak se p evádí na nap ový signál 0 až 10 Vss, cejchovaný v ppm CO2, b žn v rozsahu 0 až 2000 ppm. 7.4 Kdy jsou vhodná idla Q a CO2? idla CO2 jsou nejvhodn jší k regulaci p ívodu venkovního vzduchu v nepr myslových budovách, kde dávky v tracího vzduchu na osobu jsou požadovány normami nebo p edpisy a musí být dodržovány. M ením CO2 v budov lze potvrdit, že v trání je ve správných dávkách podle obsazení lidmi. V objektech s p erušovaným nebo prom nným obsazením budovy osobami s prom nnou intenzitou innosti lze omezit nadm rné v trání a tím dosáhnout úspor energie (na úpravu a na dopravu). T mito idly lze m it sou asn koncentrace CO2 venku a uvnit a ízení intenzity v trání p izp sobit doporu eným hodnotám zvýšení koncentrace CO2 uvnit v i venku podle kategorie požadované kvality v trání (doporu ení CEN nebo ASHRAE). Paralelní m ení analyzátory kvality a CO2 v kancelá ích, divadlech, sportovních halách, víceú elových sálech a posluchárnách ukázala dobrou shodu reakce na zne ist ní, produkovaná lidmi - pachy produkované pocením a dýcháním. idlo kvality (Q) reaguje siln na kou z tabáku, který obsahuje na 2000 látek, kdy regulátor CO2 selhává. idla Q jsou nejvhodn jší v aplikacích, kde se mohou vyskytovat periodicky neobvyklé p ím si, nevázané na p ítomnost lidí. idla mohou aktivovat alarm nebo spustit filtraci a pod. Tato idla nemohou zjistit, zda unikající látky jsou jedovaté nebo relativn neškodné. Indikují pouze celkovou zm nu koncentrací p ím sí. Jsou také použitelná k indikaci a signalizaci úniku neobvyklých látek do vzduchu (použití detergent k išt ní p i úklidu místností nebo únik edidel tiska ských barev). Oba typy idel mohou p sobit dopl kov . Nap . v administrativní budov , kde je v trání ízeno podle CO2, ve ve erních hodinách, kdy je obsazení a v trání budovy velmi malé, za ne práce uklíze . Po zahájení išt ní prost edky, na které reaguje idlo Q, aktivuje se v trání na dobu, za kterou se budova zcela vyv trá.

7-3



Obr. 7.3 Posluchárna v Zürichu. Signály Yaq z idel Q[V] a CO2 [ppm], pr tok cirkula ního vzduchu vUL [rychlost v m/s] a pot ebný tepelný výkon P [kW]; šrafování - doba, kdy je sál obsazen 7.5 ízení intenzity v trání ízením kvality vzduchu výše uvedeným zp sobem umož uje p izp sobit v trání (pr tok venkovního vzduchu) hygienickým požadavk m a tím výrazn snížit spot ebu energie.

Obr. 7.4 Koncertní sál v Oslo. Šrafování - rozdíl v poloze klapek pevn nastavených a ízených; poloha klapek plynule ízená podle provozu v i pevnému nastavení na 10 resp. 50 % otev ení klapky venkovního vzduchu. I - sál není obsazen, II - p íprava tane ní skupiny, III - p edstavení tane ní skupiny, IV - zkouška p veckého sboru Nejv tší úspory jsou v místnostech s velkými dávkami v tracího vzduchu na osobu a s prom nlivou, asto opakovan malou hustotou p ítomných, nap . v posluchárnách, koncertních a konferen ních sálech, sportovních halách, obchodních centrech. Použití nachází také v restauracích, shromaž ovacích sálech (divadlech, kinech, p ednáškových místnostech). Regulace kvality musí být nezávislá na ízení teploty. Energetické úspory dosahují 10 až 40 % a doba návratnosti se uvádí 1 až 4,5 roku. Úspory jsou tím v tší, ím prom nliv jší je obsazení místností lidmi. 7-4



Obr. 7.5 Kancelá . Výsledky porovnání údaj idel CO2 a kvality (aq) p i r zném obsazení osobami (1 až 5) a reakce na cigaretu. Yaq výstupní signál z regulátoru kvality [V] V trání (p ívod venkovního vzduchu) je možné p izp sobovat stupni zne išt ní vzduchu p ítomností lidí n kolika zp soby: - P erušováním chodu ventilátor p i konstantním pr toku, které m že ídit nejjednodušší dvoupolohový regulátor. Hladina hluku je po dobu stání ventilátor nízká, energetické úspory relativn velké. - ízením mísicího pom ru venkovního a zp tného vzduchu klapkami, viz obr. 7.5. - Plynulou zm nou pr toku p ivád ného vzduchu do místností, tj. zm nou intenzity vým ny vzduchu, p i stálém podílu vzduchu venkovního. Sm šovací pom r lze m nit nap . podle venkovní teploty v rozmezí od hygienického minima v zimním a letním extrému (kdy je v innosti oh íva resp. chladi ) až do 100 % v p echodném období nebo p i no ním vychlazování. Používají se ventilátory s prom nnými otá kami (frekven ními m ni i nebo zm nou nap tí). Tento zp sob využívají systémy s prom nným pr tokem p ivád ného vzduchu - VAV systémy, v p vodním použití ízené regulátory teploty. Menší za ízení nemívají možnost míšení zp tného vzduchu a mají ventilátory ízené zm nou napájecího nap tí. Nap . regulátor firmy Revel má na výstupu nap tí 80 až 230 V a m že ídit ventilátory do p íkonu 300 W (podrobn ji viz VVI 1/95). 7.6 P íklady použití regulátor kvality ízením kvality vzduchu uvedeným zp sobem se dosáhne nejv tších úspor energie v místnostech s prom nným obsazením lidmi (a tedy s prom nnou hodnotou pot ebné intenzity v trání). Použití proto nachází v restauracích, shromaž ovacích sálech (divadlech, kinech, p ednáškových místnostech). Regulace kvality musí být nezávislá na ízení teploty.

7-5



Obr. 7.6 P íklad použití regulace kvality vzduchu. Ukázka podklad s p ístroji Centratherm CR firmy Honeywell. Sekven n (postupn ) jsou ízeny: oh íva , kapalinový okruh ZZT a míšení klapkami. Regulace klapek podle kvality vzduchu je nad azena regulaci teploty.

Obr. 7.7 P íklad použití regulace kvality vzduchu (Honeywell). Sekven n jsou ízeny: oh íva , kapalinový okruh ZZT a míšení venkovního a zp tného vzduchu. Regulace kvality je nad azena regulaci teploty

7-6


8

8 REGULA NÍ OBVODY S NESPOJITÝMI REGULÁTORY

REGULA NÍ OBVODY S NESPOJITÝMI REGULÁTORY

N která v trací a vytáp cí za ízení mohou být ízena regulátory, které fungují nespojit . Nespojité regulátory obsahují alespo jeden len, který pracuje nespojit . Jsou založeny na elektro-mechanickém principu s kontaktními spína i nebo jsou elektronické p íp. mikroprocesorové s bezkontaktními spína i. M žeme je za lenit do n které z t chto skupin: a) ist nespojité regulátory -

dvoupolohové

-

t ípolohové

-

dvousm rné (krokové t ípolohové, reléové impulsní)

b) nespojité regulátory p sobící spojit (nespojité se spojitou zp tnou vazbou) -„kvazispojité“ -

dvoupolohové s PID p enosem

-

krokové t ípolohové s P nebo PI p enosem

ist nespojité regulátory dopln né spojitou zp tnou vazbou jsou variantami kvazispojitých regulátor , na které lze s dobrými výsledky aplikovat poznatky teorie lineární regulace. U základních typ se však setkáváme s vlastnostmi, které jsou nepochopitelné na základ výkladu ízení spojitými regulátory. 8.1

Regula ní obvod s dvoupolohovým regulátorem, obr. 8.1

Regulovaná soustava v trání, která není ízená, nap . oh íva vzduchu - vzduchovod místnost, má v ustáleném stavu teplotu (regulovanou veli inu) p i zcela uzav eném ventilu rovnou venkovní teplot te anebo teplotu timax, danou výkonem vým níku p i pln otev eném ventilu a tepelnými ztrátami místnosti (a vzduchovodu). Rozdíl t chto teplot je ak ní ú inek Xh = timax - te. V ízeném obvodu nedosáhne regulovaná teplota nikdy t chto hodnot, ale kmitá v mezích Xmax kolem žádané teploty ti kmity s frekvencí f, ur enými spínací diferencí Xd, asovou konstantou TR regulátoru a parametry, které charakterizují dynamické vlastnosti regulované soustavy (Tz, TS nebo Tu, Tn a Xh). Dvoupolohový regulátor je nejjednodušším automatickým regula ním za ízením a není proto možné od n j o ekávat extrémn dobré regula ní výsledky, má však adu vlastností, pro které se asto používá. V obvodu, regulovaném dvoupolohovým regulátorem, je jediným možným provozní stav, p i n mž regulovaná veli ina trvale kmitá, tedy stav, který u spojitých regulátor považujeme za nep ípustný, a kterému se snažíme zabránit (trvalé kmitání nastává p i p ekro ení meze stability). Chceme-li posoudit, zda takový zp sob innosti spl uje požadavky uživatele, je t eba znát dv veli iny: -

maximální rozkmit Xmax (dvojnásobnou amplitudu kmit ) a

-

frekvenci kmit f (nebo dobu kmitu T0 = 1/f).

8-1



Od dvoupolohové regulace musíme upustit, jestliže bude maximální rozkmit Xmax p íliš velký a regula ní obvod by proto byl málo p esný. M že také nastat p ípad, kdy p i dostate né p esnosti bude frekvence spínání p íliš velká a životnost p ístroj by se zna n zkrátila. Ve stadiu projek ního ešení je tedy vhodné, m žeme-li ob jmenované veli iny alespo odhadnout. Vodítkem m že být diagram v obr. 8.2.

Obr. 8.1a Blokové schéma regula ního obvodu s dvoupolohovým regulátorem x = ti. Regulovaná soustava prvního ádu s dopravním zpožd ním, pohon magnetický dvoupolohový

Obr. 8.1b Zm ny teploty s asem v obvodu podle obr. a) (parapetní vytáp cí jednotka s ventilátorem, idlo regulátoru ve zp tném vzduchu), 1 - k ivka oh evu, 2 - k ivka chladnutí Tento diagram je vypo ítán pro regula ní obvod s dvoupolohovým regulátorem a regulovanou soustavou (Tz, TS, KS). Lze jej použít i pro soustavu vyššího ádu, dosazením Tz = Tu, TS = Tn. Maximální rozkmit Xmax = Xh [1 - (1 - Xd/Xh) exp (-Tz/TS)] závisí na ak ním ú inku Xh = KS.Yh, spínací diferenci Xd, dopravním zpožd ní Tz a asové konstant TS regulované soustavy. Doba kmitu T0 = τzap + τvyp = 1/f

8-2



P i použití dvoupolohových regulátor pro soustavy vyšších ád je z obr. 8.2 vid t, že: -

u soustav s Tu/Tn > 0,1 anebo s v tším ak ním ú inkem Xh lze o ekávat nep ípustn velké rozkmity Xmax

-

opat ení, která vedou ke zmenšení Xmax, zp sobí zv tšení frekvence spínání f

-

nežádoucí vysoké frekvence kmit vzniknou zvlášt u soustav s malou konstantou TS.

Pozoruhodná je p edevším skute nost, že kmitání neustane ani p i zmenšení spínací diference Xd na nulu, což je zp sobeno ú inkem dopravního zpožd ní Tz nebo doby pr tahu Tu. Dále je vid t, že bezdimenzionální frekvence f.TS je p ímo spojena s pom rným maximálním rozkmitem Xmax/Xh.

Obr. 8.2 Maximální rozkmit a frekvence kmit v regula ním obvodu s dvoupolohovým regulátorem - upraveno podle Junkera [2]. Kmity v regulovaném obvodu (dvojitá amplituda Xmax a frekvence f) v závislosti na spínací diferenci Xd regulátoru p i ak ním ú inku Xh 8.2

Regula ní obvod s dvousm rným t ípolohovým regulátorem, obr. 8.3

Tyto regulátory jsou odr dou I-regulátor . Oproti dvoupolohovým regulátor m je možné je nastavit tak, že i když jsou nespojité, je kmitání tlumené a po ur ité dob (p i vhodném

8-3



nastavení regulátoru) kmity vymizí. Podle vlastností zp tné vazby mají dvousm rné regulátory P nebo PI p enos. Obvod reléov impulsní regulace s t ípolohovým regulátorem (jak se jim také íká) umož uje dosáhnout vysoké p esnosti regulace. V zapojení podle obr. 8.3 se pohon m že nalézat v kterékoliv ze t í poloh, být v klidu, zavírat nebo otevírat. Impulsní ízení se uskute uje jen tehdy, p evyšuje-li odchylka regulované veli iny Xsh = Xn + 2.Xd t ípolohového regulátoru. Signály z regulátoru se vedou p es krokové relé, které v asovém intervalu To [s] vydá signál v délce zap = i.To, kde i je tzv. st ída. Tento impuls se vede do reverza ního elektromotorického pohonu. Záv rná doba pohonu je Ty. Ú inek každého impulsu vyvolá ur itou zm nu regulované veli iny. Po projití jednoho impulsu by se regulovaná veli ina ustálila po ur itém ase na nové rovnovážné hodnot , lišící se od p vodní o tzv. krok s = i To KS/Ty P i impulsní regulaci reaguje regulovaná soustava na poruchy dvojím zp sobem: - bu kmitá v mezích Xmax , nebo - regulovaná veli ina se m ní v mezích Xsh = Xn + 2.Xd a žádný regula ní zásah neprobíhá.

Obr. 8.3 Blokové schéma regula ního obvodu s krokovým t ípolohovým regulátorem V obr. 8.4 jsou uvedeny meze stability obvodu, sestávajícího z regulované soustavy Tz, TS, KS a dvousm rného regulátoru. Zde Xn je neutrální zóna a Xd spínací diference jako u dvoupolohového regulátoru. Tato p edstava zapojení bere ohled na to, že vždy, když je p ekro ena odchylka od žádané hodnoty xw =(+/-)Xn/2 + Xd, regulátor uvede do chodu regula ní ventil s rychlostí p estavování wy = Yh/Ty, kde Ty je záv rná doba pohonu ventilu, pot ebná k plnému p estavení Yh z jedné krajní polohy do druhé. V obr. 8.4 je možné ode íst v závislosti na Xd/Xh a Tz/TS mezní hodnotu pomocné veli iny G. Tlumené kmity je možno o ekávat, když skute né hodnoty leží nad touto mezí, p i spln ní podmínky: (Ty/Tz)(Xn/Xh) > G Jinými slovy: Regulátor je t eba nastavit tak, aby pro zadané hodnoty Tz,TS a Xh bu záv rná doba Ty nebo neutrální zóna Xn p íp. ob tyto veli iny byly dostate n velké. Protože

8-4



neutrální zóna je prakticky dána požadavky na p esnost, nezbývá než navrhnout vhodnou záv rnou dobu pohonu: Ty > G Tz Xh/Xn Z podmínky pro dosažení tlumených kmit vyplývá, že není p edepsána záv rná doba ale pom r Ty/Tz. Z toho plyne, že dobré výsledky m že p inést použití dvousm rných regulátor v regulovaných soustavách s malým dopravním zpožd ním Tz (nebo malou dobou pr tahu Tu). Praktickým p íkladem m že být regula ní obvod sm šování p i teplovodním vytáp ní, kde se získává voda o pot ebné teplot míšením zp tné vody s vodou z kotle. Jestliže zahrneme do Tz regulované soustavy také zpožd ní idla teploty, pak podle zkušeností je u t chto regulovaných soustav Tz/TS = 0,1 až 0,25

a

Tz = 6 až 12 s.

Obr. 8.4 Pomocný graf pro nastavení stabilního chodu t ípolohové regulace P íklad: Pro Xh = 60 K a Xn = 3 K ode teme z obr. 8.4 pro Tz/TS = 0,1 mezní hodnotu G = 2,2 (p i Xd/Xh = 0,1, což odpovídá b žným elektronickým regulátor m s p epínacím relé). Pak zjistíme, že pro Tz = 12 s je t eba volit pohon s Ty > 2,2.12.60/3 = 530 s. Aby byla zaru ena stabilita daného regula ního obvodu, musí být tedy záv rná doba pohonu nejmén Ty = 8,8 min. Z výsledku je vid t, že regula ní pochod s dvousm rným regulátorem neprobíhá nijak rychle. V daném p ípad to však není žádný nedostatek. 8.3

Volba regulátoru pro jednoduché regula ní obvody 8-5



Na základ výše uvedených podklad je možné zvolit správn regulátor, je-li jasné regula n technické zadání úkolu. Ur itým vodítkem m že být pomocná tabulka podle L. Kanerta [viz kap. 6]. 8.4

Vliv asové konstanty idla regulátoru TR na dynamiku dvoupolohové regulace

V obr. 8.5 je uveden vliv TR na asový pr b h regulované veli iny. P i ochlazování dosáhne v ase τo teplota v míst idla dolní meze spínací diference Xd regulátoru. Regulátor však p epne až v ase τo+TR. Vlivem dopravního zpožd ní Tz regulované soustavy klesne teplota ješt dál a pokles teploty skon í v ase τo + TR + Tz. Od tohoto okamžiku bude teplota op t stoupat. Vlivem zpožd ní signálu idlem, vypne regulátor až v ase τ1+ TR a stoupání teploty skon í v ase τ1+ TR + Tz. (Tento popis pr b hu je správný jen v p ípad symetrického pr b hu k ivek chladnutí a oh evu, kdy jsou doby Tz stejné)

Obr. 8.5 asový posun signálu z idla za indikovanou teplotou v d sledku tepelné kapacity idla p íp. jeho jímky Je-li asová konstanta TR p i ochlazování stejná jako p i oh ívání idla, bude p ekmitnutí Xmax/Xh = 1-(1-Xd/ Xh) exp[-(TR + Tz)/TS] V obr. 8.6 je uveden pr b h této závislosti p i Xd / Xh = 0 a 0,05. Z pr b hu je z ejmé, že p i TR / TS < 0,2 lze udržet kmity v p ijatelných mezích, zejména p i malém pom ru Tz / TS (pro dob e regulovatelnou soustavu < 0,2). asová konstanta regulované soustavy m že být stanovena z rychlosti náb hu p echodové charakteristiky v míst idla dt/dτ [K/s], nap . ze vztahu TS = 0,63 Xh /(dt/dτ) Spínací diference má podstatný vliv na innost dvoupolohové regulace. Pro hodnoty Tz / TS < 0,2 je možné rovnici pro maximální p ekmitnutí upravit (zjednodušit) na tvar Xmax = Xd + Xh (Tz / TS + 0,75 TR / TS) pro dobu zapnutí

τzap = TS ln{[Xh exp[-(Tz + TR)/ TS] - ti]/( Xh -ti- Xd)} pro dobu vypnutí

8-6



τvyp = TS ln{[ Xh exp[(Tz +TR)/TS] - Xh +ti+ Xd]/ ti}

Obr. 8.6 Vliv asové konstanty idla na maximální rozkmit regulované veli iny v obvodu s dvoupolohovým regulátorem Délka periody To = τzap + τvyp P i Xd = 0 (kmity neustanou!) bude To = 2 TS ln[2 exp[-(Tz +TR)/ TS] - 1] Pro p edb žné výpo ty je možné použít vztahu

To ≈ 3,8 (TR + Tz) + 2 Xh /(dt/dτ)

Záv rem konstatujme, že maximální p ekmitnutí regulované veli iny p i dvoupolohové regulaci se zv tšuje ú inkem asové konstanty idla regulátoru. Obzvlášt výrazný je tento vliv p i pom ru TR/TS > 0,1. Dvoupolohové regulátory jsou asto použity k ízení chladicích za ízení s p ímými výparníky nebo elektrických oh íva vzduchu a to v tšinou jako vícestup ové regulátory (tj. n kolik dvoupolohových regulátor s rozdílnými nastavenými hodnotami regulované veli iny). D vody, pro nejsou používány dvoupolohové regulátory pro ízení vodních 8-7



oh íva vzduchu jsou z ejmé z obr. 8.6. Pro výchozí data: Xh = 40 K, Tz/TS = 0,2 zjistíme, že p i Xd = 2 K, kdy bude Xd/Xh = 0,05, bude - jak ode teme z diagramu - Xmax/Xh = 0,22 a tedy Xmax = 0,22.40 = 8,8 K. Tzn., že amplituda kmit bude 4,4 K. V regulované soustav s TS = 120 s, bude frekvence kmit f.TS=1,2; f = 1,2/120 = 0,01 Hz a doba kmitu To = 1/f = 100 s. To jsou p irozen vlastnosti kmitání obvodu, které budou p ípustné jen ojedin le. Proto je v t chto p ípadech vhodn jší použít spojité regulátory. Dvoupolohové regulátory teploty s tepelnou zp tnou vazbou (b žn ozna ované jako termostaty do místnosti), jsou vyráb ny velkým po tem výrobc . Jsou tzv. kvazispojitými regulátory a mají P nebo PI p enos. Použití t chto regulátor je ú elné jen v regulovaných soustavách s dostate n velkými konstantami TS nebo Tn, které pon kud vyhladí kolísání regulované veli iny vyvolané st ídavým zapínáním a vypínáním. Vodítkem k posouzení m že být rychlost zm n teploty. Tepelná zp tná vazba zlepší regula ní pochod v obvodu, kde teplota (p i plném výkonu vytáp ní prostoru) roste pomaleji než 6 K/h a kde vlivem tepelných ztrát klesá pomaleji než 10 K/h. 8.5

Regulace teploty v místnosti dvoupolohovým regulátorem

Regulace klimatiza ních sk íní s p ímým chlazením a elektrickým oh evem, ur ených pro malé místnosti, je hospodárn ešitelná dvoupolohovými regulátory. Problémem p i práci projektanta pak není volba vhodného regulátoru, ale p edpov zda max. p ekmitnutí nep evýší tolerance požadované projektem. Je možné použít pomocných diagram , kde se dosadí za ak ní ú inek (za zm nu teploty v míst idla) Xh = ∆tph.KS kde ∆tph je max. zm na teploty p ivád ného vzduchu vyvolaná plným zdvihem regula ního lenu (plným otev ením ventilu). Neznáme-li další pot ebné veli iny, zvolíme p edb žn pom r Tz/TS = 0,2. Ak ní ú inek je zde menší, než p i regulaci teploty v potrubí. Zde je ∆tph maximální zm na teploty p i plném výkonu oh íva e nebo chladi e. initel p enosu místnosti KS = 0,2 až 0,5 nebo p esn ji podle diagramu KS = f(S/O, nv) p enosových vlastností klimatizované místnosti, viz kap. 5 p íp. [1] nebo [TP 31], kde nv je násobnost vým ny vzduchu, S/O - pom r ploch st n a objemu místnosti. Doba kmitu se prodlouží, nebo doba náb hu Tn je p i regulaci teploty v místnosti v tší, než p i regulaci teploty v potrubí. Tyto vlastnosti vyplývají z toho, že maximální zm na teploty p ivád ného vzduchu ∆tph nem že p esáhnout ur itou hodnotu danou spínací diferencí Xd a initelem p enosu místnosti KS. Vliv KS je p itom velmi silný, takže p esnost p edpov di ∆tph závisí na p esnosti ur ení KS. Pro Xd = 1 K a p i požadavku, aby kolísání teploty v místnosti nep evýšilo Xmax= ±1 K, dostaneme tyto íselné hodnoty: KS

-

0,2 0,3 0,5

∆tph[K] -

6,6 4,4 2,7

P íklad:

8-8



Elektrický oh íva (nebo jeho jeden stupe ) oh ívá vzduch o 4 K (= Xh - ak ní ú inek) a je ízen dvoupolohovým regulátorem se spínací diferencí Xd = 1 K. Pro Tz/TS = 0,2; Xd/Xh = 1/4 = 0,25 ode teme z obr. 9.2 pom r Xmax/Xh = 0,4. Pro Xh = 4 K je Xmax = 4.0,4 = 1,6 K. Teplota v p ívodním potrubí kolísá s maximální amplitudou 0,8 K. Dále ode teme f.TS = 0,6. Ve stadiu projektu je však asová konstanta soustavy známá velmi z ídka. Proto lze frekvenci spínání odhadnout jen velmi zhruba. TS m že ležet mezi (60 až 180) s, tomu odpovídá f = (0,01 až 0,0033) Hz a doba kmitu To = 1/f = (100 až 330) s. Doba zapnutí je obvykle kratší než doba vypnutí, což odpovídá p irozené nelinearit regula ního obvodu. P i oh evu musí být sd leno teplo pro krytí tepelné ztráty po celou dobu cyklu T0, nejen po dobu oh evu. 8.6

Typické nespojité regulátory, obr. 8.7 až 8.9

Mechanický regulátor s bimetalem a elektrickým kontaktním spína em (Rego- Kovopol Police n. Metují), který m že být dopln n tepelnou zp tnou vazbou se stavitelnou vlivností, nastavitelným no ním útlumem, spínacími hodinami. Elektronický s odporovým idlem teploty, zapojeným do Wheatstoneova m stku. Nap tí diagonály, úm rné regula ní odchylce, ovládá klopný obvod a výstupní relé (TRS - ZPA Trutnov). Má p enos PD s asovou konstantou Td = 48 až 156 s. Mikroprocesorem ízený s PID p enosem (REV 10 Landis a Gyr), s cyklickým spínáním s dobou cyklu T0 = 6 nebo 12 minut, dva poklesy teploty za den, bateriový provoz, beznap ové spínání kontakt výstupního relé, termistorové idlo, pro velmi obtížn regulovatelné soustavy možnost p epnutí na ist P- regulátor. Nespojité regulátory p sobící spojit jsou vybaveny zp tnou vazbou, která jim p i azuje p enosovou funkci spojitých regulátor (obr. 8.10) P- zp tná vazba (nap . tepelná)

y = KZ . x

zm na ak ní veli iny je rovna sou inu zesílení ( initele p enosu) zp tné vazby a zm ny regulované veli iny (regula ní odchylky) PI- zp tná vazba s integra ní konstantou Ti

y = KZ (x + 1/Ti x dτ)

PID- zp tná vazba s deriva ní konstantou Td

y = KZ (x + 1/Ti x dτ + Td dx/ dτ)

8-9



Obr. 8.7 Mechanický regulátor s bimetalem

8 - 10



Obr. 8.8 Elektronický dvoupolohový regulátor

8 - 11



Obr. 8.9 Prostorový dvoupolohový regulátor s mikroprocesorem a PID p enosem

8 - 12



Obr. 8.10 Nespojité regulátory se spojitou zp tnou vazbou. Tepelná zp tná vazba (P) má nastavitelný initel zp tné vazby, zmenšuje rozkmit regulované teploty dvoupolohovým regulátorem, frekvence spínání se však zv tší (v tší opot ebení kontakt a snížení životnosti) LITERATURA ke kapitole 8 [1] HEMZAL K., LABOUTKA K.: Regulace klimatiza ních a vytáp cích za ízení. Skripta VUT Praha 1989 [2] JUNKER B: Klimaregelung. R. Oldenbourg Verl. Wien- München, 1974 [3] VDI/VDE 3225 Richtlinien: Regelung von lüftungstechnischen Anlagen - Grundlagen, 1976 [4] HEMZAL K.: Automatická regulace klimatizace s nespojitým p enosem informací. ZTV 1987, Academia [5] HEMZAL K.: Dvoupolohová regulace podokenních jednotek. ZTV 1980, s. 261-6, Academia [6] VDI/VDE 2189 Richtlinien: Beschreibung und Untersuchung von Zwei- und Mehrpunktreglern ohne Rückführung, Blatt 1 (1970), ....von Zwei- und Dreipunktreglern mit Rückführung, Blatt 2 (1986), ....von Dreipunkt-Schrittreglern, Blatt 3 (1992) [7] HEMZAL K.: Regulace obtížn regulovatelných klimatiza ních a vytáp cích za ízení. VVI 3/1994, Stp Praha

8 - 13


9

9 REGULACE OBTÍŽN REGULOVATELNÝCH ZA ÍZENÍ

REGULACE OBTÍŽN REGULOVATELNÝCH ZA ÍZENÍ

Regulované soustavy klimatizace mají p echodové charakteristiky ( asový pr b h teploty která je nej ast ji regulovanou veli inou - v míst idla na skokovou poruchu na vstupu o RS) v tšinou ve tvaru, zobrazeném na obr. 9.1. Jejich pr b h se vyzna uje kratším dopravním zpožd ním Tz a pozvolnou reakcí zm ny teploty. Stupn m obtížnosti regulace Tu/Tn = 0,4 až 0,7 se za azují k velmi obtížn regulovatelným. Hrubá klasifikace je v odstavci 5.2.7. Podstatné potíže p ináší velké dopravní zpožd ní Tz, nebo k posouzení regulovatelnosti se Tz p i ítá k dob pr tahu Tz+Tu a zv tšuje obtížnost regulace. Na zv tšení stupn obtížnosti regulace má také vliv tepelná setrva nost idla. Pro stanovení pom ru asových konstant musí být idlo p i azeno k dob pr tahu Tu regulované soustavy jako její sou ást. Stupe obtížnosti regulace soustavy pak vyjad uje pom r (Tz+Tu+TR)/Tn, kde TR je asová konstanta idla, které je v tšinou prvkem prvního ádu.

Obr. 9.1 Typické p echodové charakteristiky regulovatelné soustavy. Vlevo – (Tu)/Tn)1 (Tu)/Tn)2 = 0,45 – ob jsou obtížn regulovatelné, vpravo - (Tu)/Tn)1 = 0,7 – velmi obtížn regulovatelná, (Tu)/Tn)2 = 0,2 – dob e regulovatelná. U klimatiza ních za ízení zhoršují regulovatelnost jednak nevhodné vlastnosti soustavy, jednak velká požadovaná p esnost regulace teploty (úzké tolerance). Do této kategorie pat í p esná klimatizace s požadavky regulace teploty v tolerancích +/- 0,1 K a menších. Takovou p esnost vyžaduje výroba sou ástí jemné mechaniky a optiky, justování a aretace p esných výrobk a provoz metrologických laborato í. K návrhu vhodného systému je t eba znát krom p ípustných zm n teplot rovn ž velikost pracovního prostoru, v n mž se garantují teploty. D ležité je, zda se tolerance vztahují k teplot p edm t nebo k teplot vzduchu. Je také nutné znát setrva nost p ístroje, jímž se bude teplota ídit a kontrolovat. Velké zjednodušení p inese projektantovi sd lení investora, že mu posta í kontrolovat teplotu kontaktním teplom rem typu Vertex, používaným v ultratermostatech (sice p esným ale s velkou setrva nou ba kou rtuti). N které soustavy se adí z hlediska dynamiky chování regula ního obvodu k soustavám obtížn regulovatelným vzhledem k velkým schopnostem akumulovat teplo. Potížím se stabilitou regulace vytáp ní se proto p edchází tím, že místo regulace se použije ízení bez zp tné vazby, tj. ovládání, které nem že být nestabilní (pokud je ídicí obvod sestaven ze stabilních prvk ). Ovládání - ízení tepelného výkonu podle venkovní teploty - sice nem že být nestabilní, nem že však reagovat na vnit ní poruchy. Nezareaguje nap . na zisky od 9-1



slune ního zá ení, na vnit ní tepelné zisky z osv tlení, technologie a p ítomnosti lidí ani na otev ení oken. Strategie ešení regulace výše obtížn regulovatelných soustav klimatizace m že zahrnout následující opat ení nebo jejich kombinaci: a) použití stabiliza ních zapojení regulátor (odst. 6.4), b) volbu zvláštního uspo ádání úpravy teploty vzduchu p i klimatizaci (nap . v obr. 9.2), c) návrh za ízení s ízeným útlumem zám rn vyvolaných teplotních kmit . Uvedeme n které mén známé zp soby úpravy teploty vzduchu, použitelné k regulaci klimatiza ních za ízení s úzkými tolerancemi teplot. Vhodné jsou zp soby klimatizace p sobící p ímo nebo nep ímo. 9.1 Klimatizace s vícestup ovou úpravou vzduchu U za ízení s p ímým p sobením se p ivádí do klimatizovaného prostoru vzduch, jehož teplota se upraví v místnosti. Pracuje se s velkou intenzitou vým ny vzduchu (40 až 50 1/h), s malým podílem venkovního vzduchu (do 10 %) a s malým pracovním rozdílem teplot (0,5 K). Teplota se upravuje v n kolika stupních za sebou, postupn s v tší p esností. Používají se regulátory s velkou citlivostí a s p enosem PI.

Obr. 9.2 Klimatizace metrologické laborato e s úzkým pásmem proporcionality - za ízení s p ímým p sobením P íkladem je systém v obr. 9.2. Venkovní vzduch (10 % p ivád ného do výrobního prostoru ventilátorem V2) se upraví klimatiza ní jednotkou na 17 oC a ve dvou kanálech na 19,5 a 20,5 oC (samostatné regula ní obvody jednotky a doh íva nejsou zakresleny). Žádaná teplota v místnosti se udržuje míšením vzduchu z obou kanál . Cirkula ní ventilátor V2 p ivádí do prostoru sm s 90 % zp tného a 10 % klimatizací upraveného venkovního vzduchu. Stavebn je klimatizovaný prostor obklopen meziprostorem, který potla uje vliv vn jšího prost edí. U za ízení s nep ímým p sobením se vytvá ejí teplotní kmity v pomocném meziprostoru obr. 9.3. Klimatizovaný prostor je ohrani en ze všech stran st nami s vhodn navrženými tepeln technickými vlastnostmi (teplotní vodivostí a tlouš kou). Teplotní kmity v meziprostoru st na utlumí p i prostupu dovnit na žádanou velikost. Proud ní vzduchu v klimatizovaném prostoru bývá minimální, zp sobené volnou konvekcí. Teplotní kmity se udržují jednoduchými dvoupolohovými regulátory a automatickým korektorem cykl .

9-2



Obr. 9.3 Klimatizace prostoru s požadavkem p esné teploty s vn jším generátorem teplotních kmit v meziprostoru, ízené dvoupolohovým regulátorem teploty a korektorem cykl , které st ídav vypínají erpadla chladicí a otopné vody a ídí jejich vstupní teplotu do vým ník Teplotní kmity se tlumí (amplituda se zmenšuje) p i p estupu tepla do st ny, p i vedení tepla st nou a p i p estupu ze st ny do vnit ního vzduchu, obr 9.4. Vhodným výb rem materiálu a tlouš ky st ny p i zvolené frekvenci kmit f = 1/T0 se dosáhneme požadovaného útlumu amplitud kolísání teplot. K projek nímu návrhu jsou aplikovatelné výsledky teoretického ešení útlumu harmonických kmit teplot v tzv. t žké rovinné st n s hodnotou masívnosti R s ≥ 1,2. Tepelný odpor st ny R = / závisí na tlouš ce a tepelné vodivosti st ny . Tepelná jímavost p i periodickém 1/2 kolísání teplot s = (2 c/T0) závisí na látkových parametrech st ny (tepelné vodivosti, hustot a m rné tepelné kapacit ) a na dob periody kmit T0. 9.2 Útlum harmonických kmit teploty v rovinné st n Uvedeme praktický postup výpo tu mezist ny (tlouš ka, výb r materiálu), k dosažení p edem zadaného útlumu amplitudy kmit teploty. Podkladem je asový pr b h teplot harmonických kmit , zobrazený v obr. 9.4, s dobou kmitu T0. Útlum amplitud harmonických kmit teploty venkovního vzduchu te/2 p i p estupu do st ny e = tpe/ te =[ 1 +

2 s/ e + (s/ e)2]-1/2

p i vedení mezist nou = tpi/ tpe = exp (-R s/

2)

(ve st n složené z více vrstev se dosadí

(Rs ) )

p i p estupu ze st ny do vnit ního prostoru i = ti/ tpi = [ 1 +

2

2 -1/2.. i/s+ ( i/s) ]

Celkový útlum amplitud

9-3


= ti/ te= e


i.

Amplituda zm n teplot vnit ního vzduchu je kmit teploty vzduchu v meziprostoru.

krát menší než amplituda um le vyvolaných

Obr. 9.4 asový pr b h teplot v rovinné st n p i periodickém harmonickém kolísání vn jší teploty - útlum amplitudy a fázový posun; T0 - doba kmitu se p estupem a prostupem tepla nem ní

Tab. 9.2 Vlastnosti nej ast ji využitelných materiál Materiál

ρ

λ

c

a.106

[kg/m3] [W/(m K)] [J/(kg K)] [m2/s]

( δ / T00,5).104 [m/s0,5]

beton armovaný

2 200

1,55

840

0,83

4,38

cihelné zdivo

1 800

0,81

880

0,51

3,42

omítka

1 600

0,70

840

0,53

3,45

sklo

2 500

0,74

670

0,44

3,18

p ekližka

600

0,15

2 510

0,11

1,51

d evo (borovice)

550

0,17

2 510

0,14

1,23

1 900

0,35

840

0,22

2,34

asbestocementové desky

9-4



Pro praktické užití m žeme kriterium použitelnosti postupu - podmínku klasifikace st ny jako "t žké" tj. podmínku pro masívnost R s ≥ 1,2 upravit tak, aby byla z ejmá závislost ur ované tlouš ky st ny a periody kmit T0 na látkových parametrech zvoleného materiálu st ny / T00,5 ≥ 1,2 [a/(2 π )]0,5

0,5 a0,5,

kde a = /( .c) je teplotní vodivost st ny. Tlouš ka st ny a velikost instalovaného vzduchotechnického za ízení závisejí na dob periody kmit T0. ím je T0 delší, tím masivn jší musí být st na a tím menší m že být výkonnost za ízení a spot eba energie. P íklad: Ur íme útlum amplitudy harmonického kolísání teplot pro cihelnou st nu, pro kterou je = 0,1 m, = 1.800 kg/m3, = 0,81 W/(m K), c = 980 J/(kg K), (a = 5,11.10-7 m2/s), za p edpokladu, že α i = 8 a α e = 15 W/(m2K). s = (2. π .0,81.1 800.880/To)0,5 = 2 840/ T00,5 [W/(m2 K)] R = / = 0,1/0,81 = 0,123 m2K/W R s = 350/ T00,5. Pro R s ≥ 1,2 musí být T0 ≤ (350/1,2)2 = 8,47.104 s = 23,5 h. Útlum amplitudy teplotních kmit s touto dobou kmitu (frekvence 1/T0 = 0,042 1/h) by byl t žkopádný, bez možnosti reakce na zm ny vnit ní teploty vyvolané poruchami uvnit anebo vn klimatizovaného prostoru. Cihelná st na proto není vhodná. Navrhneme proto st nu z p ekližky, pro kterou bude R s = (2. π .600.2 510/0,15)0,5 /T00,5 = 7 942. / T00,5. Posoudíme pro navržené tlouš ky doby kmitu: tlouš ka [mm]

3

4,5

doba kmitu T0 ≤

394 s = 6,6 min

888 s = 15 min

9 4 550 s = 1,3 h.

Vhodná bude st na z p ekližky o tlouš ce 4,5 mm. Stanovme útlumy amplitud v jednotlivých tepelných odporech, které musí teplotní kmity p ekonat = exp ( - 1,2/

2 ) = 0,43

s = (2. π .0,15.600.2 510/888)0,5 = 40 W/(m2K) 2 -1/2

i = [1 +

2 .8/40 + (8/40) ]

e = [1 +

2 .40/15 + (40/15) ]

= 0,87

2 -1/2

= 0,29

= 0,108. Kolísání teplot uvnit ∆ ti se zmenší na 10,8 % ∆ te. Kolísání teplot vn sledovaného prostoru v rozsahu +/- 1 K se utlumí na kolísání vnit ní teploty v mezích +/- 0,11 K. Útlum amplitud p i p estupu tepla uvnit je nejmenší.

9-5



9.3 Regulace teplotních kmit Budeme sledovat proces regulace, který probíhá u za ízení, vyobrazeného v obr.9.5. Automatický korektor cykl udržuje stejnou dobu otopné a chladicí p lperiody τ O = τ CH = T0/2. M ením zjišt nou dobu jedné z p lperiod porovná se zadanou a koriguje (zvyšuje nebo snižuje) tepelný výkon vým níku úm rn zjišt né odchylce. Postup innosti regulátoru je následující. Regulátor teploty p epíná st ídav chod erpadel otopného a chladicího okruhu. Nap . p i poklesu teploty pod nastavenou mez, regulátor vypne erpadlo chladné vody a zapne erpadlo otopné vody. V tomto okamžiku se za ne m it as otopné p lperiody τ o v automatickém korektoru cykl . Jestliže bude v okamžiku ukon ení otopné fáze (teplota idla dosáhne úrovn horní meze spínací diference dvoupolohového regulátoru) τ o < T0/2, je výkon oh íva e p íliš velký. Korektor vydá pokyn k p iv ení pr toku otopné vody ze zdroje trojcestným sm šovacím ventilem o hodnotu, úm rnou odchylce asu (T0/2) - τ o. Tato zm na se m že uskute nit postupn v n kolika cyklech. Analogicky prob hne porovnání a korekce doby fáze chlazení τ CH. Podle pot eby m že být zajišt na prodleva innosti korektoru po n kolik cykl . innost automatického korektoru cykl zajiš uje adaptivním zp sobem vyrovnání tepla, p edaného vzduchu v otopné fázi ∆ Qo a odvedeného v chladicí fázi ∆ QCH. Úm ra τ o ~ ∆ Qo a τ p esností, pokud není doba cyklu p íliš velká.

CH

~ ∆ QCH platí s dostate nou

Pro dosažení t chto podmínek musí být vým níky vhodn dimenzovány. Rozdíly teplot mezi otopnou vodou a vzduchem a mezi vzduchem a chladicí vodou musí být p ibližn stejné. Velikost vým ník bude pak shodná. Na rozdíl od za ízení v obr.9.5 existují soustavy s volným chladnutím (pokud je okolní teplota nižší než v meziprostoru), které nemají chladi . V t chto p ípadech se doba chladnutí τ CH zm í a koriguje se doba oh ívací fáze τ o tak, aby se dosáhlo rovnosti τ o = τ CH zm nou výkonu oh íva e (zm nou teploty vody, p ivád né do oh íva e). P i prom nné okolní teplot se m ní τ CH, nejkratší je v extrémní zim . Jednoduché za ízení s vnit ním generátorem teplotních kmit je ukázáno v obr. 9.5.

Obr. 9.5 Klimatizace s vnit ním generátorem teplotních kmit oh evem a volným chladnutím prostoru 9-6

s periodickým nuceným



Venkovní vzduch se p ivádí v hygienicky nezbytné dávce k v trání a k udržení p etlaku, který zamezí infiltraci venkovního vzduchu do vnit ního prostoru. Obvodové st ny musí mít dobré tepeln izola ní vlastnosti, aby byl vliv okolí potla en. Za ízení s volným chladnutím m že fungovat jen pokud je te < ti. P i vypnutém erpadle otopné vody cirkuluje vzduch místností a podíl venkovního vzduchu spolup sobí na dobu chladnutí. Doba kmitu není pevn stanovená. Pro zajišt ní celoro ního provozu, tj. i v lét , kdy žádaná vnit ní teplota je nižší než venkovní, m že být úprava vzduchu dopln na sériov za azeným chladi em a za ízení pak vytvá í ízené p lperiody chlazení. Tepelné kmity lze vytvá et i v panelech, které mohou být sou ástí obvodových st n a konstruk n ešeny trubkovými registry, zalitými betonem. Cykly zm n teploty vznikají st ídavým p ívodem otopné a chladicí vody do panel . Složit jší panelové generátory jsou dvojité. Vn jší panely jsou v zim vytáp ny vodou a slouží k izolaci vnit ního prostoru od okolí (ke kompenzaci tepelných ztrát). Ve vnit ních panelech pak proudí celoro n chladná voda. V trací vzduch v hygienicky minimálních dávkách se p ivádí o teplot stejné s vnit ní. Je také možné v trat periodicky, tj. p ívod vzduchu vypínat.

9.4 Adaptivní pulsní regulace teploty Regulace velkoplošného sálavého vytáp ní, podlahového nebo stropního, nabyla na významu p i jejich návrhu do budov s lehkým (málo akumula ním) obvodovým plášt m s v tším prosklením fasády. Podlahové vytáp ní se instaluje stále více i v rodinných domech, kde umož uje využívat tepelná erpadla. Dopravní zpožd ní v toku informace od regula ního zásahu do teploty vody, p ivád né do otopné soustavy až po reakci idla regulátoru dosahuje n kolika hodin. Výzkumné práce, uskute n né na ETH Zürich [3,4], umožnily technické ešení energeticky úsporné regulace podlahového vytáp ní, vyhovující obyvatel m z hlediska tepelné pohody, kdy nepoci ují kolísání teplot v místnosti, zp sobené inností automatické regulace.

Obr. 9.6 Adaptivní regulace vytáp ní s cyklickým spínáním chodu erpadla a ízením teploty vstupní vody do systému tw1. Dvouokruhová p íprava otopné vody s akumula ní nádrží. ízení kotle není zobrazeno

9-7



Energeticky úsporné ešení regulace obtížn regulovatelných otopných soustav je možné aplikací adaptivního zp sobu regulace, která automaticky p izp sobuje parametry regulátoru m nícím se podmínkám. Regulátor tedy ne ídí soustavu s pevn nastavenými parametry (pásmem proporcionality, initelem p enosu regulátoru, integra ní a deriva ní konstantou). Adaptivní regulátory m ní automaticky parametry regulátoru tak, aby regula ní pochod probíhal podle zvoleného kriteria jakosti. P íkladem úsp šného ešení je použití pulsní regulace [7] u vytáp ní rodinného domku. Principiální schéma je uvedeno na obr. 9.6. Regulovanou veli inou je teplota vnit ního vzduchu v referen ní místnosti. Dvoupolohový regulátor cyklicky spíná chod erpadla. P i jeho zapnutí se p ívodem otopné vody do otopných t les po dobu τ0 dosáhne zvýšení teploty až na horní mez spínací diference regulátoru, kdy regulátor erpadlo vypne. Pr b h asových zm n teploty v místnosti s regulátorem odpovídá schématu v obr. 9.7. Teplota kolísá s ur itou (prom nnou periodou - dobou cyklu T0) v rozmezí spínací diference dvoupolohového regulátoru Xd. Vzhledem k tepelné setrva nosti a tepelné kapacit idla regulátoru bude teplota kolísat v širším rozmezí. Po p erušení dodávky tepla místnost chladne a za dobu τCH poklesne teplota na dolní mez spínací diference a regulátor obnoví dodávku tepla. Tzv. korektor cykl porovná hodnoty obou p lperiod a zm ní otev ení ventilu tak, aby se ob doby sob rovnaly, τ0 = τCH. Pokud by byla nap . v d sledku stoupnutí venkovní teploty te mezi p lperiodami nerovnost τ0 < τCH, sníží se p estavením ventilu teplota otopné vody tW1 p ivád né do soustavy.

Obr. 9.7 Pr b h teplot v mezích spínací diference regulátoru Xd bez p ekmitávání Adaptivní pulsní regulátor udržuje stejnou dobu oh evu s dobou chladnutí (kterou zjiš uje m ením) zm nou teploty vstupní vody do vytáp cí soustavy tw1 (míšením) a p erušováním chodu erpadla na dobu chladnutí. Regulátor m ní výkon otopných t les QO = k S ∆ tm kde k je sou initel prostupu tepla z vody do okolního vzduchu, S je teplosm nná plocha a ∆ tm rozdíl mezi st ední teplotou vody v t lese a teplotou vzduchu. St ední teplota vody je p ibližn rovna (tw1 + tw2)/2.

9-8



Algoritmus innosti adaptivního regulátoru spo ívá v postupném nastavování strmosti k ivky oteplování místnosti v okolí žádané vnit ní teploty adaptací polohy sm šovacího ventilu. Po dosažení rovnovážného stavu se p ivádí do otopné soustavy voda o stálé teplot , vyhledané postupným p ibližováním v jednotlivých cyklech. P edpokládá se, že v p lperiod oh ívání se p ivede dostatek tepla ke krytí tepelných ztrát po celou dobu cyklu T0 = τ0 + τCH . Regulátor reaguje nejen na zm ny vn jšího prost edí (venkovní teplotu, vítr, oslun ní budovy) ale i na zm ny uvnit (p íchod osob, osv tlení, vnit ní tepelné zisky od stroj a za ízení). Regulátor pokryje zvýšením teploty vody i požadavky na akumulaci tepla v objektu a p edm tech po zátopu. Sníží teplotu vody okamžit po nastavení útlumové vnit ní teploty podle celodenního režimu, ízeného hodinami. Adaptivní regulátor zajistí hospodárný provoz i v p edimenzované otopné soustav . Automaticky se p izp sobí i poklesu teploty vody v zásobníku a snížení pr toku vody zp sobenému zanesením vodních cest. Dvouokruhová p íprava otopné vody s akumula ní nádrží je vhodná u kotl na pevná paliva, které mohou být provozovány p erušovan (plný výkon - tlumený provoz) s dobrou ú inností. Kolísání teplot ti je neznatelné, jen v desetinách stupn . Zkušenosti s provozem takových regulací ukazují, že zm ny teploty jsou lov kem neregistrovatelné [7]. Vhodnou volbou periody cykl se dosáhne rychlé stabilizace funkce po n kolika cyklech a zamezí se p íliš etnému spínání erpadla. Praktické zkušenosti [7] získané z provozu potvrzují uvedené vlastnosti. idlo regulátoru musí být umíst no v referen ní místnosti. Je d ležité, aby referen ní místnost reprezentovala tepelné vlastnosti celého objektu. Na otopných t lesech mimo referen ní místnost mohou být instalovány TRV - avšak jen tam, kde není soustava provozována s denním a no ním útlumem, který jednoduché TRV nemohou sledovat.

Literatura ke kapitole 9: [1] LOVCOV, V. V.: Sistemy precizionnogo kodicionirovanija vozducha. CI Leningrad 1971, 111 s [2] ŠPINAR, B.: P esná úprava vzduchu. Klimatizace 7-8, 1974. [3] KOLEKTIV: Dynamische Simulationsmodelle für die Mikroprocessorsteuerung und Planung von Gebäudeheizungen. ETH Zürrich, 1987. [4] FORT, K.: Dynamische Verhalten von Fussbodenheizungen. ETH Zürrich, 1989. [5] HEMZAL, K.: Dvoupolohová regulace podokenních jednotek. ZTV 5/1980, s. 261-266, Academia Praha [6] HEMZAL, K.: P ísp vek k dynamice automatické regulace klimatiza ních za ízení. Mezinárodní konference "Novinky ve vzduchotechnice", SVTS Praha, 1976 [7] CHALUPA, V.: Adaptivní regulace vytáp ní. Sborník k seminá i "Regulace malých vzduchotechnických a vytáp cích za ízení", STP Praha, 1992 [8] HEMZAL K.: Regulace obtížn regulovatelných klimatiza ních a vytáp cích za ízení. VVI 3/1994, STP Praha [9] HEMZAL K.:P enosové jevy v technice prost edí. 2007 Vydavatelství ISBN 80-01-02924-7

9-9

VUT v Praze.

Ing. Karel Hemzal: Regulace klimatizace

10.

10 REGULACE ZALOŽENÁ NA FUZZY LOGICE

REGULACE ZALOŽENÁ NA FUZZY LOGICE

Zcela nové, nevídané možnosti nabízí fuzzy ( ti fazi) regulace, založená na teorii fuzzy ( esky neur ité, neostré) logiky (FL). Podle n kterých zpráv se o ekává, že ji bude využívat stále více mikroprocesorových regulátor [3]. Principem innosti fuzzy regulátor je zp sob ízení, který se blíží lidskému (expertnímu) myšlení a rozhodování. Lidé nikdy neuvažují v exaktních (avšak jednoduchých) veli inách typu ano/ne, erná/bílá ale rozlišují celou škálu "neostrých" veli in typu "spíše ano", "sv tle šedá", s nimiž neumí pracovat žádný po íta , založený na logice 0/1. Neostrá logika je pokusem o matematické vyjád ení modelu logiky lidského myšlení s jeho možnostmi fantazie a tvo ivosti. Proto je fyzzy logika p edur ena k ízení složitých proces , k nimž pat í také regulace obtížn regulovatelných soustav vytáp ní a klimatizace. K p ednostem fuzzy regulace pat í to, že vnímáním neostrých mezihodnot posuzovaných vstupních veli in, m že pracovat i s meziúdaji a nap . omezuje kmitání a p eregulování regulované teploty v klimatizovaném prostoru. Technika prost edí je jednou z oblastí o ekávaného nevídaného rozmachu regula ních p ístroj , využívajících FL. Tato prognóza se opírá o dosažené úsp chy p i použití FL v r zných oblastech techniky i mimo ni, nap . p i ízení: metra (plynulý rozjezd, komfortní jízda, p esné zastavení, snížená spot eba energie a bezporuchový provoz), výtah , videokamer (zamezení nežádoucího chv ní ru n snímaného obrazu), elektráren, robot , motor a p evodovek automobil , k hlasovému ízení helikoptéry ale i v léka ské diagnostice a p i ízení portfolia cenných papír . V posledních letech rapidn p ibývá aplikací fuzzy logického (FL) zp sobu ízení kotl , vytáp cích soustav, klimatiza ních za ízení, sušicích proces , ist ní spalin. Na trhu je již k dostání pra ka prádla s fuzzy ízením teploty, množství prací vody a dávkování pracího prost edku podle hmotnosti a zne išt ní vloženého prádla. P edpokládá se rozvoj komplexního ízení automobilového motoru s využitím m ení výfukových plyn , zát že motoru, reagujícího na požadavky idi e i na sklon vozovky. Na fyzzy logice má založeno ízení otopného systému s plynovým kotlem ada p edních výrobc („regulace zát ží!“). Prosazení v takové ší i aplikací se opírá o p ednosti FL v i dosavadním zp sob m ízení, založeným na využití výpo etní techniky s mikroprocesory. Algoritmy vycházejí z dobrého porozum ní regulované soustav , k n muž mají blíže vzduchotechnici a topená i než separovan vzd laní regula ní technici. Správné ocen ní tendencí vlivu n kolika faktor na ízenou soustavu umož uje levné a dostate n p esné ízení složitých, špatn nebo neúpln definovatelných, nelineárních regulovaných soustav a to bez nutnosti formulace jejich matematického modelu. Historie vzniku a aplikace princip FL se odvíjí od druhé poloviny 20. století. Zásady FL formuloval Iránec Lofti A. Zadeh, profesor informatiky na Kalifornské universit v Berkeley v roce 1965 [1]. Anglický pojem fuzzy logika je obtížn p eložitelný do jiných jazyk a používá se asto bez p ekladu. Významem nejbližší je v eštin pojem "neostrá" se synonymem "mlhavá" logika, který má vyjád it odlišnosti od "ostré" Booleovy logiky, založené na dvou hodnotách ano/ne (jedna/nula). V tšina p írodních jev však není " ernobílá". FL využívá slovních prom nných, jimiž lze "neostrost" jev lépe vystihnout. Slov m je vlastní menší p esnost než ísl m, jsou však bližší tvo ivému lidskému myšlení, zejména intuici lov ka, p edstavované schopností nalézat p esná ešení p i nejistých nebo nep esných vstupních údajích. Po ítání se slovy využívá tolerancí pro nep esnost, je jednoduché a tím snižuje náklady na ešení.

10 - 1



Fuzzy regulátory (FR) mohou p inést smysluplné ešení regula ní úlohy pokud je m že zvládnout uspokojiv lov k ru n a - když se žádá rychlé nasazení automatiza ní techniky bez zdlouhavého analyzování ízeného procesu (regulované soustavy) a kde nejsou kladeny na p esnost regulace vysoké nároky, - nebo když není k dispozici použitelný analytický model regulované soustavy, anebo by byl sestavitelný s neúm rn vysokými náklady, - nebo když soudobá regula ní technika nenabízí uspokojivé ešení, nap . u nelineárních regulovaných soustav vysokého ádu. Všeobecn jsou t i základní konfigurace použití FR (obr. 10.1): a. Náhrada PID regulátor , jejichž p sobení není uspokojivé (nedosahuje se rychlého ustálení bez p ekmitávání) b. K adaptaci PID regulátor (proporciálního zesílení/pásma proporcionality, integra ní a deriva ní asové konstanty) c. Spolupráce s PID regulátory za ú elem zvládnutí velkých poruch. Která z konfigurací bude použitá, závisí na samotném ízeném procesu, znalostech o n m a na stanoveném regula ním úkolu.

Obr. 10.1 P íklady použití fuzzy regulátor . a - Fuzzy regulátor FR v uzav eném regula ním obvodu (se zp tnou vazbou) s regulovanou soustavou RS. W - žádaná hodnota, X - okamžitá hodnota regulované veli iny, Y - ak ní veli ina, Z - poruchy b - Fuzzy regulátor FR použitý k adaptaci parametr b žného (nap . PID) regulátoru R c - P epínání p ípadn paralelní ízení fuzzy a b žným regulátorem 10.1

Princip innosti fuzzy regulátor

Každý fuzzy regulátor sestává ze t í komponent , které uskute ují t i úkony, jež na sebe navazují: 10 - 2



- fuzzyfikaci (p evod vstupních veli in, zjišt ných idly i jiným zp sobem na hodnoty slovních prom nných), - inferenci (odvození výrok na základ posouzení fuzzyfikovaných vstupních informací), - defuzzyfikaci (p i azení hodnoty ak ní veli iny k výsledku p edchozího postupu). K pochopení innosti FR je nezbytné vysv tlit princip jednotlivých úkon , což se neobejde bez použití b žn neobvyklých pojm z oblasti fuzzy logiky. 10.1.1 Fuzzyfikace Ke zpracování m ených veli in vyžaduje FR jejich neostré ocen ní. Exaktní hodnota m ené veli iny (nap . teplota 24 °C) se p evede jejím stupn m p íslušnosti µ na neostrou hodnotu, její p esná hodnota se paradoxn "zamlží", "rozost í". V obr. 10.2 je teplota v místnosti, hodnotitelná dv ma pojmy chladno a horko v rozmezí 10 až 30 °C. T mto pojm m lze p i každé teplot (uvnit i mimo uvedené rozmezí) p i adit stupe (míru) p íslušnosti v mezích od 0 do 1. Teplota 24 °C je ocen na malým stupn m 0,3 pojmu chladno a vyšším stupn m 0,7 pojmu horko. Vidíme, že funkce p íslušnosti vyjad uje, do jaké míry teplota spl uje podmínku p íslušnosti k dané prom nné. Míra p íslušnosti je tím vyšší, ím blíže je k 1. ím vyšší je stupe p íslušnosti k jedné prom nné, tím menší je ke druhé. Sou et nemusí být roven jedné. P i teplot v tší než 30 oC p ísluší tato hodnota k prom nné horko (µ = 1) a v bec nepat í k prom nné chladno (µ = 0).

Obr. 10.2 P i azení funkcí p íslušnosti µ k prom nné teplot , hodnocené dv ma slovními prom nnými chladno a horko Diskretizace rozsahu teplot je v obr. 10.3 zjemn na p i azením teplot x = t ke ty em slovním prom nným: chladno, vlažno, teplo, horko. Každé teplot však p ísluší ur itá míra jen dvou prom nných.

Obr. 10.3 Zjemn ní regula ního rozsahu zavedením ty slovních prom nných

10 - 3



V obr. 10.2 a 10.3 jsou funkce p íslušnosti trojúhelníkové. Jejich tvar m že být libovolný používá se také lichob žník, nerovnoramenný anebo lomený trojúhelník - nahrazující Gaussovu k ivku pravd podobnosti. Funkcemi p íslušnosti lze rovn ž ocenit asové zm ny prom nných. K hodnocení se využívá nejen tendencí (zda teplota v daném ase vzr stá nebo klesá) ale i rychlosti této zm ny, vyjád ené derivací teploty podle asu. P ed fuzzyfikací musí být na vstupu vytvo eny asové derivace p íslušných veli in. Tyto vstupy jsou také pot ebné, pokud má mít fuzzy regulátor funkci PID. 10.1.2 Inference Postupy p i hodnocení slovních prom nných používají fuzzy logické operace. Logická operace OR (NEBO) znamená sjednocení, tj. v uvedeném p íkladu v obr. 10.2, kdy teplota p ísluší k funkci horko a chladno, vyhledání maxima z hodnot obou funkcí. Logická operace AND (A) znamená pr nik dvou prom nných a vyhledání minima z hodnot obou funkcí. Logická operace NEGACE znamená dopln k do jednotky hodnoty jedné z funkcí p íslušnosti µ = 1 - µi. Fuzzy po etní úkony hodnotí požadovanou funkci regulovaného za ízení na základ popisu ízeného systému soustavou obecných pravidel (slovních regula ních algoritm ) ve tvaru: [KDYŽ (IF) podmínka 1, (A (AND) podmínka 2), (A podmínka 3), (...), PAK (THEN) výsledek 1] NEBO [KDYŽ ...., A...., PAK výsledek 2] NEBO [KDYŽ...., PAK výsledek 3] NEBO M žeme formulovat velký po et podobných pravidel. Jejich kone ný po et závisí na po tu slovních prom nných veli in. N která pravidla lze slu ovat, jiná vynechat. Z celkového po tu pravidel je vždy jen jedno v dané situaci správné. To se použije v další etap regula ního pochodu. Postupy ukážeme v p íkladech, uvedených dále. 10.1.3 Defuzzyfikace Tímto krokem se k výsledku, dosaženému výše uvedeným postupem p i adí (p esná, ostrá) hodnota ak ní veli iny. Neostrá hodnota fuzzy regula ního pochodu se op t p evede na ostrý výstup, který je o ekáván pohonem regula ního orgánu. Nej ast ji se používá metoda t žišt (jinou metodou je stanovení st ední hodnoty maxim). 10.2

P íklad ízení chladi e

Teplotu a vlhkost (stav vzduchu) v klimatizované místnosti v lét lze udržovat v požadovaném rozmezí sou asným ízením chladi e regulátory teploty a relativní vlhkosti. Regulátor teploty ídí chlazení místnosti úm rn zát ži citelným teplem a teplot v tracího vzduchu, regulátor vlhkosti ídí odvlh ování upravovaného vzduchu úm rn produkci vodních par v prostoru a vlhkosti v tracího (venkovního) vzduchu. P i proporcionální regulaci se ízení chladi e p edává tomu z regulátor , který má v tší požadavky na chlazení (v tší 10 - 4



odchylku regulované veli iny od žádané hodnoty). P i fuzzy regulaci se mohou ob ma regulátor m p i adit slovní prom nné podle obr. 10.4. Výchozím krokem je stanovení rozsahu regulovaných veli in, v našem p ípad 20 až 26 °C a 40 až 60 % relativní vlhkosti. Pro momentální hodnoty teploty 24,5 °C a vlhkosti 52 % jsou hodnoty funkcí p íslušnosti uvedeny v tabulce. Teplota 24,5 °C

µ

Vlhkost 52 %

µ

M - malá

0

M - malá

0

S - st ední

0

N - normální

0,8

V - vysoká

0,75

V - vysoká

0,2

VV - velmi vysoká

0,25

Obr. 10.4 Fuzzy logické ízení stavu (teploty a relativní vlhkosti) vzduchu ízením chladi e vzduchu; naho e fuzzyfikace, dole defuzzyfikace K inferenci lze použít pravidla, vyplývající ze znalosti principu úpravy vzduchu, zobrazené nap íklad v h-x diagramu vlhkého vzduchu: 1. KDYŽ je teplota velmi vysoká, NEBO vlhkost vysoká, PAK je ventil otev ený. 2. KDYŽ je teplota vysoká, A vlhkost normální, PAK je ventil pootev ený. Pro ventil jsou vytvo eny t i funkce p íslušnosti: O - otev ený, P - pootev ený, Z - zav ený. Vyhodnocení daného stavu podle t chto expertních úvah je: 1. (NEBO): max ( )[0,75; 0,8] = 0,8 = ventil O 2. (A) : min ( )[0,25; 0,2] = 0,2 = ventil P Výsledná poloha ventilu se dostane defuzzyfikací metodou t žišt , která vede v daném p ípad k hodnot otev ení ventilu Y = 0,738 (obr. 10.4 vlevo dole). Vidíme, že použití max-min algoritmu vede k výškovému omezení funkcí p íslušnosti. Existuje ješt druhá inferen ní metoda, ozna ovaná max-prod (max-násobek), p i které se výsledná funkce omezuje násobkem maximální hodnoty (obr. 10.4 vpravo dole). Výsledné otev ení ventilu Y = 0,722 je podle obou metod p ibližn stejné. 10 - 5


10.3


P íklad ízení plynového kotle

Kotel s jednostup ovým ho ákem plynule iditelným fuzzy regulátorem nabízí dnes již více firem. Místo b žného ekvitermního ízení teploty kotlové vody podle venkovní teploty (s p ípadnými korekcemi na oslun ní, vítr a s p i azenou otopnou k ivkou, respektující velikost tepelných ztrát a p ípadn také akumula ní vlastnosti budovy) je pro regula ní pochod snímána pouze výstupní teplota vody z kotle tw1, která reprezentativn vypovídá o momentálním výkonu otopné soustavy ( ízení zát ží). Krom této veli iny regulátor zhodnocuje také další ty i údaje pro adaptivní ízení zát ží, viz obr. 10.5. Prvním z nich je v erejší pot eba tepla v tutéž denní dobu nebo pr m rná v erejší denní spot eba, která ukazuje na tepelný stav domu. Druhým je tendence spot eby, která reaguje na rozdíl mezi žádanou vnit ní a aktuální venkovní teplotou. T etím je krátkodobá tendence spot eby tepla, která je ovlivn na oslun ním, tepelnou produkcí lidí nebo otev ením oken. tvrtým je údaj o denním/ro ním profilu tepelné ztráty, vyplývajícím ze statistických meteorologických údaj . asové tendence se dostávají derivací asového pr b hu teploty nebo spot eby tepla ve vstupním digitálním filtru. Porovnávací hodnoty se vyhledají v pam ti, nebo se stanoví z analytické závislosti pro aktuální den a hodinu. K vyhodnocení - inferenci - fuzzyfikovaných údaj má uvedený regulátor v pam ti 405 ídicích algoritm typu "Když - A (Nebo) - Pak", sestavených na základ expertní znalosti vlivu jednotlivých vstupních veli in. Jedním z nich je p íklad: KDYŽ je v erejší spot eba tepla malá, A požadovaná vnit ní teplota z stává stejná, A teplota kotlové vody krátkodob klesá (vnit ní teplota klesá), A aktuální spot eba energie je st ední, A teoretické tepelné ztráty, stanovené z denního/ro ního pr b hu, jsou malé, PAK je momentální pot eba tepla velmi malá. Defuzzyfikací se stanoví p esná (ostrá) hodnota otev ení plynového ventilu modulovaného ho áku kotle. Vliv jednotlivých prom nných je jen díl í. Fuzzy regulátor nap íklad nereaguje na otev ení oken dramaticky siln . Chová se jako by byl "pou en", že pokles teploty je jen krátkodobá porucha, pokud se nem ní ostatní veli iny. "Ví", že okno se za n kolik minut op t zav e a že zvyšovat teplotu vody z kotle se nevyplatí. Tato reakce se podobá chování b žného obyvatele. P edstavme si, že na oslun ní reagují termostatické ventily na otopných t lesech zmenšením pr toku vody. Zm na pr toku vody soustavou (úm rn zm n ným tlakovým pom r m) a zmenšení jejího vychlazení (zvýšení teploty zp tné vody) zp sobí zvýšení teploty vody vystupující z kotle, na což regulátor zareaguje snížením výkonu, nebo její hodnota je m ená. Uvedený zp sob ízení nepot ebuje idlo venkovní teploty ani asov náro né zaregulování otopné k ivky (i když existují dražší adaptivní regulátory, které p izp sobení obstarají automaticky). Uspo í se na montážní práci. Regula ní jednotka je kompaktní (obr. 10.6) s kompletním kabelovým propojením a je opat ena zástr kovými spojkami pro rychlou montáž. Regulátor má denní/týdenní program, automatický p echod z letního na zimní as, ízení p ípravy TV.

10 - 6



Obr. 10.5 Zjednodušené blokové schéma fuzzy regulátoru Duomatic-FL firmy Viessmann, podle [2]

Obr. 10.6 Fuzzy logický regulátor Duomatic-FL pro plynové kotle Viessmann ízení kotle podle venkovní teploty nahradila fuzzy logika regulací výkonu kotle podle momentální teploty vody, p ivád né do otopné soustavy, zejména podle jejích asových zm n. Zjednodušení ízení celé otopné soustavy na regulaci kotlové vody nezahrnuje další pot ebné pomocné úkony, jako nap . protikorozní ochranu kotle, pojistku proti p etopení aj., jejichž nutnost musí být posouzena zvláš . Regulátor Viessmann je proto ur en pro nízkoteplotní kotle. Fuzzy regulací lze však jednoduchým zp sobem dosáhnout adaptivního ízení optimálního náb hu a odstavení otopné soustavy p i no ním nebo víkendovém útlumu nebo odstavení za ízení z provozu. Takto zjednodušené ízení však nerespektuje odlišné požadavky na pot ebu tepla jednotlivých odb rných zón, ale umí pracovat pouze s otopnou soustavou jako celkem. Uvedené informace podávají úvod do problematiky aplikace fuzzy regulátor v technice prost edí. Podrobn jší informace o principech ízení fuzzy logickým zp sobem jsou publikovány ve specializovaných asopisech, nap . Elektro a Automatizace. 10 - 7



LITERATURA ke kap. 10 [1] ZADEH, L.A.: Fuzzy Sets. Information and Control 8 (1965), pp. 338-353. [2] AREND, H.-O., PFANNSTIEL, D.: Unscharf gehts. Maschinenmarkt, Würzburg 100 (1994) 11, S. 22-25. [3] HEMZAL, K.: Regulace obtížn regulovatelných klimatiza ních a vytáp cích za ízení. VVI 3/94, s.13 - 18. [4] ABEL, D.: Fuzzy Control - eine Einführung ins Unscharfe. Automatisierungstechnik 39 (1991) 12. S.433-438 [5] BANNATYNE, R.: Using Fuzzy Logic in Practical Applications. P eklad v Elektro (1994) . 3, s. 98-101

10 - 8

Karel Hemzal: Regulace klimatizafoich zai'izeni

Il OTÅZKY

11. KONTROLNi OTÅZKY z PREDMETU REGULACE - REGULACE KLIMATIZACNiCH ZARiZENi (2007) 1. Principy fizeni klimatizace 1.1 Proc je treba klimatizaeni zai'izeni regulovat, princip regulace kvantitativni a kvalitativni 1.2 Jaky. je rozdil mezi ovlådånim a regulaci, ryhody a neryhody ovlådåni 1.3 Cimje omezena velikost påsma proporcionality P-regulåtoru 1.4 Kdy je nutne pouzit k i'izeni klimatizace PI-regulåtoru a ceho se dosåhne I-slozkou (porovnejte cinnost P- a PI-regulåtoru) 1.5 Zpusoby udrzeni stavu vzduchu v klimatizovane mistnosti celorocne 1.6 Neryhody regulace vlhkosti i'izenim teploty rosneho bodu 1. 7 Celoroeni zmeny stavu vzduchu v klimatizovanem prostoru pn i'izeni P- regulåtory 1.8 Je cirkulace vzduchu hospodårnå? 2. Staticke prenosove vlastnosti clenu regulovanych soustav 2.1 Konstrukce vzduchotechnicky.ch regulaenich klapek, vliv na provozni vlastnosti klapek 2.2 Netesnost klapek, na cem zåvisi, jak se udåvå, jaky. je jeji ryznam 2.3 Provozni charakteristiky soube:Znych a protibe:Znych klapek 2.4 Nåvrh klapek k regulaci prutoku skrcenim 2.5 Nåvrh klapek k i'izeni rykonu rymeniku obtokem vzduchu 2.6 Urceni klapek pro regulaci smesovåni vzduchu venkovniho a zpetneho 2.7 Kdy je vhodne navrhnout klapky soube:Zne a kdy klapky protibe:Zne 2.8 Provozni charakteristiky regulacnich ventilU (vliv Pv) 2.9 Zpusoby l'izeni rykonu ohlivace a chladice vzduchu 2.10 Staticke charakteristiky vodniho a parniho ohi'ivace vzduchu 2.11 Urceni mezniho (jeste regulovatelneho) minimålniho ohlåti vzduchu vodnim ohlivacem, mo:Znosti zlepseni regulovatelnosti 2.12 Postup pn dimenzovåni ventilu pro parni a pro vodni ohi'ivac vzduchu 2.13 Protimrazovå ochrana predehlivacu vzduchu 2.14 Hydraulickå zapojeni vodnich ohi'ivacu vzduchu, ryhody, vhodne pouziti 3. Obvody fizeni klimatizace 3.1 Zåkladni obvody: teplota, vlhkost, smesovåni venkovniho a zpetneho vzduchu 3 .2 Rizeni ohl'ivacu vzduchu na strane vody a na strane vzduchu 3.3 Rizeni zvlheovåni vzduchu 3.4 Letni vlecnå regulace 3.5 Podstata "hospodårneho smesovåni", jak se obvod ridi 4. Dynamicke vlastnosti clenu regulaenich obvodu klimatizace 4.1 Metody vysetfovåni dynamiky RO, klasifikace regulovatelnosti soustav klimatizace. 4.2 Dynamicke vlastnosti ohl'ivacu vzduchu, vzduchovodu, klimatizovanych prostoru 4.3 Zåsady pro volbu umisteni cidel, vliv na dynamiku regulacniho pochodu (vliv TR) 4.4 Dynamicke vlastnosti spojicych regulåtoru klimatizacnich zafizeni, dynamicke vlastnosti pohonu 4.5 Vysledek cinnosti regulåtoru V obvodu (vliv jeho prenosorych vlastnosti) 5. Presnost a stabilita regulace klimatizace 5.1 Kontrola stability projektem navrzenych regulacnich obvodu 5 .2 Postup pn optimålnim nastavovåni regulåtoru za provozu zafizeni 5 .3 Stabilizacni zapojeni s pomocnou poruchovou velicinou 5.4 Negativni vlecnå regulace, princip a pou:Ziti 6. Regulace kvality vzduchu 6.1 Cidla kvality 6.2 Hospodårnost i'izeni intenzity vetråni, mo:Zne zpusoby rizeni 7. Regulace nespojitymi regulatory 7.1 Dynamicke chovåni obvodu i'izeneho dvoupolohorym regulåtorem 7 .2 Regulacni obvod s tfipolohorym regulåtorem 7.3 Pusobeni tepelne zpetne vazby u dvoupolohoveho regulåtoru 8. Regulace obtiine regulovatelnych zafizeni 8.1 Principy vyuzitelne k i'izeni klimatizace s po:Zadavkem na velmi male tolerance teplot 8.2 Adaptivni pulsni regulace teploty 9. Regulace s vyuzitim fuzzy logiky 9 .1 Princip fuzzy regulåtoru 9 .2 Rizeni chladice fuzzy regulåtorem

Prof. Ing. Karel Hemzal, CSc.

REGULACE KLIMATIZACE Vydalo Ceske vysoke uceni technicke V Praze, Ceskå technika- nakladatelstvi CVUT, Thåkurova 1, 160 41 Praha 6, v prosinci 2007 jako svou 11025. publikaci. Vytisklo Nakladatelstvi CVUT- ryroba, Zikova 4, 166 36 Praha 6. 109 stran, 93 obråzky. Vydånf prvnf. Nåklad 100 rytisku. Rozsah 9,62 AA, 9,95 V A.

ISBN 978-80-01-03907-6

REGULACE KLIMATIZACE. Prof. Ing. Karel Hemzal, CSc České vysoké učení technické v Praze Nakladatelství ČVUT

Recommend Documents