Systém úspory energií (Power monitoring v rámci MaR)

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra měření

DIPLOMOVÁ PRÁCE Systém úspory energií (Power monitoring v rámci MaR)

Bc. Patrik Gábor

Květen 2012

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra měření

DIPLOMOVÁ PRÁCE Systém úspory energií (Power monitoring v rámci MaR)

Bc. Patrik Gábor

Vedoucí práce: Odborný konzultant:

doc. Ing. Antonín Platil, Ph.D. Ing. Petr Borský

Studijní program:

Inteligentní budovy

Datum odevzdání:

Květen 2012

Čestné prohlášení autora práce Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací. V Praze dne ..........................

…................................. Podpis autora práce

Anotace Práce je zaměřena na popis systému měření a regulace (MaR) ve výrobním závodě firmy Schneider Electric v Písku. Konkrétně se jedná o popis vzduchotechnických zařízení v nově přistavěné výrobní hale. Práce se zabývá popisem balíku programů sady TAC Vista 5, který je využit pro monitoring a řízení technologií v závodě. Zaměřuje se na popis jednotlivých programů balíku, dále na sběrnice a síťové protokoly použité v instalaci závodu a veškerý použitý hardware. Dále je popsána vlastní konstrukce haly a provedeny výpočty tepelných vlastností. Jsou uvedeny požadavky norem a zákonů na stav vnitřního prostředí a aplikovány pro konkrétní případ. Na základě výpočtů a požadavků je uveden seznam doporučení pro řízení technologií s výhledem na rozšiřování systému v budoucnosti.

Annotation Thesis is focused on description of measuring and regulation system (MaR) in the production plant Schneider Electric in Písek. Concretely it is description of air conditioning system in newly built production hall. Thesis deal with setting description of program pack of TAC Vista 5, which is used for monitoring and controlling of technologies in the plant. Thesis shoot on description of each program of pack, then on buses and network protocols used in installation in the plant and entire used hardware. Then there is description of construction of hall and performed calculation of heat features. There are mentioned norm requests and laws of internal environment and applied on specific case. By virtue of calculations and requests is named list of recommendation for controlling of technologies with forward-looking on extending of system in future.

Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval panu doc. Ing. Platilovi, Ph.D. za odborné vedení mé diplomové práce a dále panu Ing. Borskému, jako zástupci firmy Schneider Electric, za jeho čas při všech konzultacích, které mi poskytl. V neposlední řadě bych také rád poděkoval panu Ing. Schwarzerovi, Ph.D. za poskytnutí odborných rad v oblasti vzduchotechniky.

ČVUT

Obsah

Obsah 1 Úvod..................................................................................................................1 2 Sada programů TAC Vista 5...........................................................................3 2.1 Server sady TAC Vista 5.................................................................................................3 2.2 TAC Vista 5 Workstation.................................................................................................3 2.2.1 Struktura programu..................................................................................................4 2.3 TAC XBuilder.................................................................................................................5 2.3.1 Struktura programu..................................................................................................5 2.4 TAC Menta......................................................................................................................6 2.4.1 Struktura programu..................................................................................................7 2.4.2 Programovací jazyk.................................................................................................8 2.4.3 Základní funkční bloky............................................................................................9 2.5 Grafický editor TGML....................................................................................................9 2.5.1 Struktura programu................................................................................................10 2.6 Další programy sady......................................................................................................11 2.6.1 TAC Vista Webstation............................................................................................11 2.6.2 TAC Vista ScreenMate...........................................................................................11 2.6.3 Vista FM.................................................................................................................11 2.6.4 Nástroj správy sítě LonMaker................................................................................11 2.6.5 Generátor sestav sady TAC Vista 5........................................................................11

3 Hardware........................................................................................................12 3.1 Pracovní podstanice Xenta řady 700.............................................................................12 3.2 Moduly vstupů a výstupů..............................................................................................13 3.2.1 TAC Xenta 411/412...............................................................................................14 3.2.2 TAC Xenta 421A/422A.........................................................................................14 3.2.3 TAC Xenta 491/492...............................................................................................14 3.3 Multimetr PM9C...........................................................................................................14 3.4 Jistič Compact NSX......................................................................................................15 3.5 Ethernetová brána EGX300...........................................................................................17 3.6 Čidlo teploty a CO2.......................................................................................................18

4 Síťové protokoly a sběrnice..........................................................................19 4.1 Protokol Modbus...........................................................................................................19 4.1.1 Popis protokolu......................................................................................................19 4.1.2 Modbus na sériové lince........................................................................................21 4.1.2.1 Princip protokolu...........................................................................................21 4.1.2.2 Adresování.....................................................................................................22 4.1.2.3 Vysílací režimy...............................................................................................22 4.1.3 Modbus TCP/IP.....................................................................................................23 4.2 Sběrnice LonWorks.......................................................................................................24 4.2.1 Popis sběrnice........................................................................................................24 4.2.2 Protokol LonTalk...................................................................................................25 4.2.2.1 Fyzická vrstva (Physical OSI layer)..............................................................25 4.2.2.2 Linková vrstva (Data Link OSI layer)...........................................................26 4.2.2.3 Síťová vrstva (Network OSI layer)................................................................26 4.2.2.4 Transportní vrstva (Transport OSI layer).......................................................27 I

ČVUT

Obsah 4.2.2.5 Relační vrstva (Session OSI layer)................................................................27 4.2.2.6 Prezentační vrstva (Presentation OSI layer)..................................................28 4.2.2.7 Aplikační vrstva (Application OSI layer)......................................................28

5 Čtvrthodinové maximum..............................................................................29 5.1 Hladinový režim............................................................................................................29 5.1.1 Algoritmus s vyhodnocením činné práce...............................................................29 5.1.2 Algoritmus s vyhodnocením příkonu....................................................................30 5.2 Kompenzační režim.......................................................................................................31 5.3 Trendový (predikační) režim.........................................................................................33 5.4 Kombinovaný režim......................................................................................................34

6 Výrobní závod SE Písek................................................................................35 6.1 Výrobní závod...............................................................................................................35 6.1.1 Půdorys a technologie............................................................................................35 6.2 Hardwarová instalace MaR...........................................................................................37 6.2.1 EXT_I_DT1...........................................................................................................37 6.2.2 EXT_I_DT2...........................................................................................................37 6.2.3 KOT_R2_04..........................................................................................................37 6.2.4 KUCH_R1_02.......................................................................................................37 6.2.5 VZT_R2_02...........................................................................................................37 6.2.6 EXT_II_B1............................................................................................................38

7 Výrobní hala č.2.............................................................................................40 7.1 Stavební konstrukce haly...............................................................................................40 7.1.1 Nosná konstrukce...................................................................................................40 7.1.2 Vnější stěny...........................................................................................................40 7.1.3 Vnitřní stěny..........................................................................................................41 7.1.4 Stropní konstrukce.................................................................................................41 7.1.5 Podlaha..................................................................................................................41 7.2 Tepelné vlastnosti..........................................................................................................42 7.2.1 Okrajové podmínky...............................................................................................42 7.2.2 Tepelné ztráty výrobní haly...................................................................................42 7.2.2.1 Tepelná ztráta prostupem...............................................................................43 7.2.2.2 Tepelná ztráta větráním..................................................................................45 7.2.2.3 Celkové tepelné ztráty....................................................................................47 7.3 Jednotky Rooftop units (RTU)......................................................................................49 7.4 Rozmístění čidel teploty a CO2.....................................................................................50

8 Návrh modelu řízení......................................................................................52 8.1 Vytápění haly.................................................................................................................53 8.2 Větrání haly...................................................................................................................55 8.3 Výhled do budoucnosti..................................................................................................57 8.3.1 Měření teplot a CO2.............................................................................................57 8.3.2 Měření spotřeby plynu...........................................................................................57 8.3.3 Měření spotřeby elektrické energie.......................................................................57 8.3.4 Ovládání odvodních ventilátorů............................................................................58

9 Závěr...............................................................................................................59 10 Literatura.....................................................................................................61

II

ČVUT

Obsah

Seznam příloh Přílohy umístěné na konci práce: ● Příloha A

Kompletní půdorys výrobního závodu

● Příloha B

Protokoly výpočtů jednotlivých neprůsvitných konstrukcí

Přiložení CD: soubory ● dp_gaborpat.odt

Text práce ve formátu ODT

● dp_gaborpat.pdf

Text práce ve formátu PDF

adresáře ● Literatura

Použitá literatura dostupná v elektronické podobě

III

ČVUT

Obsah

Seznam obrázků Obr. 2-1: Prostředí TAC Vista Workstation.................................................................................4 Obr. 2-2: Prostředí TAC XBuilder..............................................................................................6 Obr. 2-3: Ukázka Edit Mode.......................................................................................................7 Obr. 2-4: Ukázka Simulation Mode............................................................................................8 Obr. 2-5: Diagram programové struktury...................................................................................9 Obr. 2-6: Uživatelské prostředí editoru.....................................................................................10 Obr. 3-1: TAC Xenta 731 [5]....................................................................................................12 Obr. 3-2: TAC Xenta 411 a 412................................................................................................14 Obr. 3-3: TAC Xenta 421A a 422A...........................................................................................14 Obr. 3-4: TAC Xenta 491 a 492................................................................................................14 Obr. 3-5: Digitální multimetr PM9 [8]......................................................................................15 Obr. 3-6: Jistič Compact NSX [10]...........................................................................................16 Obr. 3-7: Ethernetová brána EGX300 [11]...............................................................................17 Obr. 3-8: Senzor CO2 a teploty SCR100 [12].........................................................................18 Obr. 4-1: Základní tvar MODBUS zprávy [13]........................................................................19 Obr. 4-2: MODBUS přenos bez chyby [13].............................................................................20 Obr. 4-3: MODBUS přenos s chybou [13]...............................................................................20 Obr. 4-4: Modbus protokol a ISO/OSI model [14]...................................................................21 Obr. 4-5: MODBUS zpráva na sériové lince [14].....................................................................22 Obr. 4-6: RTU rámec zprávy [14].............................................................................................23 Obr. 4-7: ASCII rámec zprávy [14]...........................................................................................23 Obr. 4-8: MODBUS zpráva na TCP/IP [15].............................................................................23 Obr. 4-9: OSI model LonTalk protokolu [16]...........................................................................25 Obr. 4-10: Schéma přístupu uzlu na sběrnici [16]....................................................................26 Obr. 4-11: Adresování uzlů v síti [16].......................................................................................27 Obr. 5-1: Hladinový režim s vyhodnocením činné práce (podle [17]).....................................30 Obr. 5-2: Hladinový režim s vyhodnocením příkonu (podle [17])...........................................31 Obr. 5-3: Kompenzační režim bez pásma necitlivosti (podle [17])..........................................32 Obr. 5-4: Kompenzační režim s pásmem necitlivosti (podle [17])...........................................32 Obr. 5-5: Trendový režim (podle [17])......................................................................................33 Obr. 5-6: Kombinovaný režim (podle [17])..............................................................................34 Obr. 6-1: Pohled na výrobní závod...........................................................................................35 Obr. 6-2: Půdorys výrobního závodu........................................................................................36 Obr. 6-3: Schéma zapojení MaR...............................................................................................39 Obr. 7-1: Rozdělení měrných tepelných ztrát prostupem..........................................................44 Obr. 7-2: Shrnutí výpočtů měrné tepelné ztráty prostupem......................................................44 Obr. 7-3: Celkové tepelné ztráty haly.......................................................................................48 Obr. 7-4: Nástřešní jednotka RTU.............................................................................................49 Obr. 7-5: Zóny vlivu na řešení otopných soustav v průmyslové hale [18]...............................50 Obr. 7-6: Rozmístění kombinovaných čidel.............................................................................51 Obr. 8-1: Situace ve výrobní hale č. 2.......................................................................................52 Obr. 8-2: Tepelné ztráty haly v závislosti na venkovní teplotě.................................................54 Obr. 8-3: Porovnání průběhů teplot nové a staré haly...............................................................55 Obr. 8-4: Porovnání koncentrace CO2 v nové a staré výrobní hale..........................................56

IV

ČVUT

1

Úvod

Úvod Diplomová práce se zaobírá návrhem úsporných opatření pro řízení technologií

ovládaných systémem měření a regulace (MaR). Práce popisuje návrh úsporných opatření ve výrobním závodě firmy Schneider Electric, v jejíž spolupráci práce vznikla. V závodě je instalován systém MaR se softwarem TAC Vista 5, jehož popis je také součástí práce. Výrobní závod se nachází v Písku, v komplexu jsou dvě výrobní haly, sklady a administrativa (kapitola 6). Vzhledem ke stále trvajícímu zkušebnímu provozu vzduchotechniky ve výrobní hale č. 2 bylo rozhodnuto, že se práce bude zabývat řízením vytápění a větrání této části závodu. Vytápění/chlazení/větrání haly zajišťují tři kombinované nástřešní jednotky firmy ETT (kapitola 7.3) a návrhem jejich řízení se bude zaobírat tato práce. V původním záměru práce bylo také posouzení vhodnosti použití regulátoru čtvrthodinového maxima. Vzhledem k tomu, že při dosavadním provozu bylo zjištěno, že časté vypínání a zapínání nástřešních jednotek, zajišťujících klimatizaci haly, způsobuje výpadky komunikace se systémem MaR a zároveň rovněž není vhodné pro samotné jednotky, bylo od tohoto záměru upuštěno. Práce tedy obsahuje pouze popis jednotlivých algoritmů pro regulátory čtvrthodinového maxima (kapitola 5). V úvodu se práce zaměřuje na popis softwaru TAC Vista 5 (kapitola 2), který je produktem firmy Schneider Electric a zajišťuje řízení celého systému MaR. Dále (kapitola 3) jsou popsány jednotlivé přístroje zajišťující MaR a také jednotlivé komunikační protokoly a sběrnice, které používají (kapitola 4). V kapitole 5 je již zmíněný popis jednotlivých algoritmů čtvrthodinového maxima. Kapitola 6 se zabývá popisem výrobního závodu jako celku. Je zde uveden popis hardwarové instalace MaR v celém závodu a stručný popis jednotlivých řídících podstanic s uvedením technologií, které podstanice řídí. Předposlední kapitola s názvem Výrobní hala č. 2 (kapitola 7) se již zabývá popisem haly, na kterou je práce zaměřena. Pro účely zhodnocení možností řízení použitých jednotek RTU pro vytápění a větrání haly, jsou v první části kapitoly spočteny celkové tepelné ztráty, skládající se ze dvou částí. Tepelné ztráty prostupem s popisem jednotlivých konstrukcí a tepelné ztráty větráním vypočtené pomocí dvou přístupů, dle normy ČSN 730540 a dle vyhlášky č. 268/2009 Sb.. Závěr kapitoly popisuje jednotky RTU a jejich možnosti řízení, 1

ČVUT

Úvod

a také popis rozmístění kombinovaných čidel CO2 a teploty v hale pro měření stavu vnitřního prostředí. Poslední kapitola práce obsahuje porovnání teoretických výpočtů z předchozí kapitoly se současným provozem jak v oblasti vytápění, tak větrání. Bohužel díky současnému stavu zaznamenávání měřených hodnot je k dispozici málo údajů. Práce v závěru uvádí doporučení pro zlepšení sběru hodnot stavů vnitřního prostředí, za účelem možnosti návrhu efektivnějšího systému řízení v budoucnosti.

2

ČVUT

Sada programů TAC Vista 5

2

Sada programů TAC Vista 5 Většina textu této kapitoly byla převzata z Projektu 1 [1] a Projektu 2 [2], na které tato

práce navazuje. TAC Vista 5 je komplexní softwarové řešení správy budov pro řízení a monitorování veškerých systémů ovládání budovy. Software založený na technologii otevřených systémů, umožňující komunikaci s veškerými systémy. Poskytuje výkonné a jednoduché grafické rozhraní, s možností sledovat a řídit zařízení budov. [3] Celá sada programů se skládá z dílčích nástrojů pro monitorování a řízení, např.: •

pokročilé grafické rozhraní

•

analýza spotřeby energie

•

plánování údržby

•

zpráva alarmů ze všech integrovaných systémů

•

časové plány

•

trendy a grafy sledovaných veličin

•

reporty

•

atd.

Samostatný software je dodáván v několika instalačních sadách, lišících se zahrnutím jednotlivých programů celé sady. V následujících podkapitolách budou popsány jednotlivé základní části celé sady programů TAC Vista 5.

2.1

Server sady TAC Vista 5 Server sady TAC Vista 5 komunikuje s řídícími jednotkami TAC Xenta nebo

s libovolným produktem LonWorks® pomocí SNVT (Standard Network Variable Types / standardních typů síťových proměnných). Slouží jako spojení pro dálkové monitorování / ovládání systémů TAC.

2.2

TAC Vista 5 Workstation Jedná se o základní pracovní rozhraní pro operátora pracovní stanice. Poskytuje

základní přístup ke kontrole a konfiguraci systému. Zobrazuje operace systému přes grafické 3

ČVUT


rozhraní, umožňuje operátorovi přístup k alarmům, ke zpracování výstrah, protokolování trendů, rozvrhování a zálohování dat.

2.2.1

Struktura programu Vista Workstation slouží ke konfiguraci a nastavení sítě v úrovni sítě Ethernet TCP/IP.

Pracovní prostředí (viz. Obr. 2-1) se skládá ze tří základních oken. První okno Folders (Obr. 2-1 oblast 1) zobrazuje fyzickou strukturu celého systému. Základní uzel TAC Vista představuje pracovní stanici (řídící počítač s celou námi navrhovanou sítí) se všemi událostmi (alarmy a transakce) a servery. Server představuje server spuštěný v pracovní stanici, tedy Vista Server. V další úrovni pod ním jsou zobrazeny všechny podstanice (Xenta servery) připojené na konkrétní server. V našem případě pracovní podstanice Xenta 731. Druhé okno (Obr. 2-1 oblast 2) je pracovní okno vybrané složky z okna Folders. Zobrazuje buď další strukturu, nebo hodnoty proměnných v textové nebo grafické podobě dle vytvořených uživatelských stránek. Třetí okno (Obr. 2-1 oblast 3) je okno alarmů serveru.

Obr. 2-1: Prostředí TAC Vista Workstation

4

ČVUT


2.3

TAC XBuilder Programovací nástroj pro TAC Xenta řady 500, 700 a 900. Umožňuje programování

z hlediska koncového uživatele, podle jeho potřeb a požadavků. Poskytuje uživatelské rozhraní se čtyřmi základními částmi.

2.3.1

•

System (systém) – logický systém s objekty a propojeními

•

Network (síť) – fyzická implementace systému s objekty

•

Properties (vlastnosti) – vlastnosti vybraného objektu (v síti nebo systému)

•

Output (výstup) – informace o chybách a varování

Struktura programu TAC XBuilder spustíme z TAC Vista Workstation editací vybraného zařízení.

XBuilder je určen pro konfiguraci podsítí pod pracovními podstanicemi. V Xbuilderu vytvoříme kompletní fyzickou strukturu všech přístrojů připojených na podstanici, ale i její logickou reprezentaci pro zobrazení v TAC Vista Workstation. Pracovní prostředí je rozděleno na čtyři základní okna (Obr. 2-2). Okno System (1) přestavuje logickou, uživatelsky vytvořenou, strukturu požadovaných proměnných, tabulek, grafů nebo trendů, které jsou čteny z koncových zařízení. Tento vytvořený strom složek a stránek je zobrazen v TAC Vista Workstation jako podsložka vytvořeného zařízení, pod názvem kořenového adresáře. Okno Network (2) představuje fyzickou strukturu sítí pod pracovní podstanicí. Zobrazuje přímo připojené přístroje na konkrétní podporovanou síť. Pracovní oblast (3) zobrazuje vlastnosti vybraného objektu. Okno Output (4) zobrazuje hlášení programu o chybách a varování.

5

ČVUT


Obr. 2-2: Prostředí TAC XBuilder

2.4

TAC Menta TAC Menta je jedním ze softwarových modulů balíku programů řídící centrály TAC

Vista 5. Slouží pro návrh aplikačního softwaru volně programovatelných podstanic TAC Xenta řady 280/300/401/700. Grafický přístup k programování usnadňuje zpracování technologických pravidel do podoby algoritmu řízení. TAC Menta poskytuje svým uživatelům následující výhody: •

Snadné grafické programování

•

Rozsáhlá knihovna funkcí a aplikací

•

Definice proměnných LonWorks (SNTV) jako soubor XIF

•

Offline simulace

•

Online provozní funkce

•

Dynamický online trend

•

Podpora vytváření dokumentace

•

Download aplikace do podstanice TAC Xenta

6

ČVUT


•

Plně integrován s databází TAC Vista

•

Definice struktury menu pro ovládací panel TAC Xenta Detailní popis programu a jeho funkcí se nachází v technickém manuálu softwaru [4].

2.4.1

Struktura programu Program TAC Menta má jednoduché grafické rozhraní. Po spuštění se program

nachází v takzvaném Edit Mode (Obr. 2-3), okno programu obsahuje pouze bílou pracovní plochu s horní nabídkovou lištou. Tento mód slouží k vlastnímu vytvoření programu. Veškeré bloky a spojení se přidávají z kontextového menu po pravém kliku na pracovní plochu. Klávesou F12 nebo výběrem z nabídky lze přepnout do Simulation Mode (Obr. 2-4). Ten slouží k offline simulaci vytvořeného programu.

Obr. 2-3: Ukázka Edit Mode

7

ČVUT


Obr. 2-4: Ukázka Simulation Mode

2.4.2

Programovací jazyk Program v TAC Menta je definován grafickými symboly jednotlivých funkčních bloků

(Obr. 2-5). Provedení operace jednoho bloku trvá pevný časový interval, který volí uživatel. Tento interval se nazývá program cycle. Jeho velikost je volena nahráním hotového programu do příslušné složky ve složce Control Tasks v zařízení TAC Xenta. Jednotlivé délky časových intervalů tedy jsou: •

Fast – 100 ms

•

Medium Fast – 500 ms

•

Medium – 1000 ms

•

Medium Slow – 5000 ms

•

Slow – 10000 ms

8

ČVUT


Obr. 2-5: Diagram programové struktury

Dva základní elementy každého funkčního bloku jsou jeho funkce a spojení. Funkční blok tedy zpracovává data ze vstupu a generuje výstupní signál. Podle druhu funkce může mít každý funkční blok několik různých vnitřních parametrů, které ovlivňují jeho činnost. Spojení mezi funkčními bloky je graficky reprezentováno jednoduchou čarou. Spojení je dovoleno pouze mezi vstupy/výstupy signálů stejného druhu. V TAC Menta jsou čtyři typy signálů: •

Integer – znaménkové 16 bit číslo (rozsah: -32768 až 32767)

•

Real – znaménkové 32 bit číslo ve formátu IEEE (rozsah: 3,4x10-38 až 3,4x1038)

•

Binary – 1 bit binární hodnoty (0/1 = FALSE/TRUE)

•

Analog signal – buď jako Real nebo Integer

2.4.3

Základní funkční bloky Funkční bloky v TAC Menta se dělí do tří základních skupin podle jejich funkce.

•

Simple Block – fixní počet vstupů a parametrů, generují jeden výstupní signál

•

Expression Blocks – speciální bloky s jedním parametrem, který vyjadřuje aritmetický nebo logický výraz

•

2.5

Operators – logické operátory

Grafický editor TGML Zdokonalený grafický systém Vista. Editor grafiky umožňující pomocí dodaných

symbolů (s možností tvořit vlastní symboly) vizualizovat celý systém nebo jeho jednotlivé části. Vazba na jakýkoli signál v systému Vista umožňuje dynamické chování celé vizualizace. 9

ČVUT


2.5.1

Struktura programu Grafický editor pracuje s vektorovou grafikou. Využívá kód na bázi HTML kódu

s využitím JavaSkriptu, který se nazývá TGML (TAC Graphics mark-up language). Jednotlivé základní objekty jsou zde reprezentovány jak graficky, tak programovým kódem. Z těchto základních objektů tvoříme výsledné grafické komponenty nebo celé grafické stránky. Uživatelské prostředí editoru je zobrazeno na následujícím obrázku (Obr. 2-6).

Obr. 2-6: Uživatelské prostředí editoru

Nástrojová lišta programu obsahuje klasické nabídky a umožňuje vytváření základních vektorových tvarů (mezi ně patří přímka, křivka, polygon, elipsa, atd.) a dalších prvků jako textu a vkládání obrázků. Součástí nástrojové lišty jsou tři důležitá tlačítka: •

Design – práce s dostupnými grafickými nástroji pro vytváření grafiky

•

Source – textový režim, zobrazení zdrojového TGL kódu vytvořené grafiky

•

Preview – náhled vytvořené grafiky a testování funkcí

Oblast označená číslem 1 je hlavní pracovní plocha editoru. V této oblasti se vytváří grafika či objekt nebo po přepnutí je zde zobrazen zdrojový kód či náhled. Oblast č.2 (Components) je knihovna již existujících komponentů, které je možno využít při vytváření grafické stránky. Oblast č.3 (Object) zobrazuje strom všech vložených objektů, reprezentuje 10

ČVUT


posloupnost TGML kódu. Oblast č.4 (Properties) zobrazuje vlastnosti a parametry označeného objektu na pracovní ploše (nebo v oblasti Obejcts) a umožňuje jejich editaci. Poslední oblast č.5 (Bindings) slouží k zobrazení proměnných, které obsahují jednotlivé symboly, pomocí kterých můžeme ovládat jejich chování na základě signálů z reálných periferií.

2.6

Další programy sady

2.6.1

TAC Vista Webstation Webstation umožňuje přístup do systémů TAC Vista 5 přes Internet / Intranet pomocí

standardního webového prohlížeče. Podporuje např. zobrazení grafiky (vytvořené např. v editoru TGML), čtení a zápis hodnot, zobrazení výstrah, protokolování trendů,...

2.6.2

TAC Vista ScreenMate Virtuální jednotka místnosti, umožňuje ovládání místnosti přes Intranet na PC

pracovní stanice. Např. tlumení/zapínání/vypínání světel, zobrazení teplot, ovládání rolet,...

2.6.3

Vista FM Vista FM je sada softwarových řešení vybudovaná kolem integrované databáze.

Umožňuje nahlížet do nákladů a výkonových charakteristik budov. Je plně integrována se systémem řízení TAC Vista 5. Jednotlivé části Vista FM jsou např. údržba, pracoviště podpory, dlouhodobé plánování, smlouvy, vedení, energetika, výpočet, dokumentace,...

2.6.4

Nástroj správy sítě LonMaker Nástroj správy sítě pro vytváření, instalaci a údržbu otevřených sítí LonWorks pro

vzájemnou spolupráci zařízení od více dodavatelů.

2.6.5

Generátor sestav sady TAC Vista 5 Softwarový modul pro nezávislé generování sestav a přehledů vybraných proměnných

jako např. sestavy stavů, výstrah a údržby, protokolování trendů,... Software založený na produktu Microsoft Exel. 11

ČVUT

Hardware

3

Hardware V této kapitole jsou rozebrány jednotlivé přístroje nacházející se v instalaci výrobního

závodu. Jedná se především o pracovní podstanice Xenta, multimetry, ethernetové brány a senzory. Podkapitoly 3.1 a 3.3 jsou převzaty z předcházejícího Projektu 1 [1].

3.1

Pracovní podstanice Xenta řady 700 TAC Xenta řady 700 (Obr. 3-1) jsou multifunkční řídící podstanice s vestavěným

internetovým serverem. Jsou navrženy pro použití v otevřených systémech pro řízení různých soustav, ať už topení, větrání, klimatizace nebo osvětlení a kontroly přístupu. Umožňuje vytvořit jediný systém prostřednictvím propojení do systému LonWorks ®, který představuje průmyslový standard síťové komunikace.

Obr. 3-1: TAC Xenta 731 [5]

Propojení stanic Xenta řady 700 s programovým balíkem TAC Vista 5 je realizováno standardní sítí Ethernet s protokolem TCP/IP. Použitelné sítě pro propojení stanic s přístroji nebo řídícím počítačem jsou tyto: •

Ethernet – pro internetovou prezentaci událostí a stavů, pro komunikaci s řídícím počítačem, protokol TCP/IP

•

LonWorks – zařízení Xenta plní funkci serveru pro síť LonWorks, propojení 12

ČVUT

Hardware dalších podstanic či přístrojů, ovládání zařízení HVAC (topení, větrání, klimatizace) a dalších služeb spojených se správou budov •

Modbus (pouze Xenta 731) – sériový protokol pro připojení měřících přístrojů, rozhraní RS232 nebo RS485

•

I/NET (pouze Xenta 731) – modulový systém pro přístupové a zabezpečovací systémy (dveřní čtečky karet, biometrické systémy, atd.)

•

MicroNet (pouze Xenta 731) – modulový systém pro zabezpečení a automatizaci budov s přizpůsobitelným rozsahem

Řada 700 obsahuje čtyři podstanice, lišící se parametry, které zobrazuje Tab. 3-1. Podpora

Modbus

MicroNet

I/NET

Web

I/O produk Xenta ty 280/300/401

Xenta 701

Service

10

Xenta 711

Custom

10

X

Xenta 721

Service

20

X

Custom

20

X

Xenta 731

X

X

X

Tab. 3-1: Podstanice Xenta řady 700 Service – webové stránky generovány automaticky, pouze pro správu a servisní použití Custom – plně nastavitelné web funkce pro koncové uživatele Více v katalogovém listu výrobce [6].

3.2

Moduly vstupů a výstupů Moduly řady TAC Xenta 400, tedy moduly digitálních nebo univerzálních vstupů

a digitálních nebo analogových výstupů. Všechny modely jsou napájeny 24 Vstř nebo 21,6 - 40 Vss. Komunikují pomocí sběrnice Echelon LonWorks TP/FT-10 (více kap.4.2) s protokolem LonTalk.

13

ČVUT

Hardware

Obr. 3-2: TAC Xenta 411 a 412

3.2.1

Obr. 3-3: TAC Xenta 421A a 422A

Obr. 3-4: TAC Xenta 491 a 492

TAC Xenta 411/412 TAC Xenta 411 (Obr. 3-2) je modul digitálních vstupů sloužící ke sledování binárních

stavů a počítání impulzů. Je používán pouze v kombinaci s řídícími podstanicemi TAC Xenta. Modul obsahuje 10 digitálních vstupů s minimální dobou impulzu 20 ms. Model 412 obsahuje navíc LED signalizaci jednotlivých vstupů. [7]

3.2.2

TAC Xenta 421A/422A TAC Xenta 421A (Obr. 3-3) je modul s univerzálními vstupy a digitálními výstupy.

Univerzální vstupy lze použít jako digitální, termistorové (NTC,1800 ohm nebo 10 kohm), napěťové (0 - 10 Vss) nebo proudové (0(4) - 20 mA). Použití buď jako klasické I/O moduly ( s podstanicemi TAC Xenta) nebo jako certifikované přístroje LonMark. Modul obsahuje 4 univerzální vstupy (minimální délka impulzu 20 ms) a 5 digitálních výstupů (ovládané napětí 250 Vstř, při max. 2 A). Model 422A obsahuje navíc LED signalizaci a spínače pro ruční ovládání digitálních výstupů. [7]

3.2.3

TAC Xenta 491/492 TAC Xenta 491 (Obr. 3-4) je modul analogových výstupů pro signály k pohonům.

Použití opět pouze v kombinaci s řídícími podstanicemi TAC Xenta. Modul obsahuje 8 analogových výstupů s výstupním signálem 0 - 10 Vss. Model 492 navíc obsahuje manuální přepínače analogových výstupů s potenciometry. [7]

3.3

Multimetr PM9C Řada digitálních multimetrů PM9 (Obr. 3-5) nabízí základní měření pro monitorování

elektrické instalace systému PowerLogic firmy Schneider Electric. Lze je použít k monitorování 2-, 3- a 4-vodíčových nízkonapěťových systémů. K dispozici jsou tři verze: 14

ČVUT

Hardware •

PM9 pro základní měření

•

PM9P pro základní měření s impulzním výstupem

•

PM9C pro základní měření s výstupem Modbus RS485

Obr. 3-5: Digitální multimetr PM9 [8]

V této práci je použit přístroj PM9C s výstupem Modbus RS485. Umožňuje oproti základnímu modelu navíc dálkový přenos parametrů a reset. Přístroj měří následující veličiny: •

Okamžité hodnoty: − U, I, proud středním vodičem IN, f, účiník, celkový výkon (W, var, VA) a výkon na fázi (W, var)

•

Průměrné a maximální průměrné hodnoty výkonu (W, var nebo VA) v časovém intervalu

•

Činné a jalové energie, čítač času.

Více v katalogovém listu výrobce [9].

3.4

Jistič Compact NSX Řada jističů Compact NSX100 - 630 (Obr. 3-6) integruje do jednoho přístroje jak

ochranu elektrických zařízení, tak měření a monitorování elektrických veličin. Měřené údaje mohou být zobrazeny v různých režimech jak místně (na displayi), tak dálkově (přenos protokolem Modbus (kap.4.1)).

15

ČVUT

Hardware

Obr. 3-6: Jistič Compact NSX [10]

Jističe jsou vyráběny v řadách dle jmenovitých proudů od 100 A do 630 A. Nabízejí široké spektrum výměnných jednotek spouští. To umožňuje realizovat systém jištění pro většinu aplikací. Jednotky spouští Micrologic 5/6 navíc nabízejí funkce měřících modulů a funkce na podporu provozování jističe. Přístroj tedy umožňuje měřit následující veličiny: •

Průběžné měření efektivních hodnot ◦ Proudů (I1, I2, I3, IN, průměry fází, max. hodnotu,...) ◦ Napětí (sdružená, fázová, průměry, nesymetrie,...) ◦ Frekvence ◦ Výkonů (činný, jalový, zdánlivý, účiník, cos φ)

•

Měření maxima/minima

•

Měření energie (činná, jalová, zdánlivá)

•

Odběr a maximum odběru ◦ Odebíraný proud ◦ Odebíraný výkon ◦ Výpočtové okno

•

Kvalita energie (celkové harmonické zkreslení)

Komunikace s jističem Compact NSX probíhá pomocí připraveného propojovacího 16

ČVUT

Hardware

systému a rozhraní se sítí Modbus (kap.4.1). K dispozici jsou čtyři funkční úrovně komunikace: •

Přenos stavových signálů

•

Přenos povelů

•

Přenos naměřených hodnot (s jednotkou Micrologic 5/6 přenos výše uvedených měřených veličin)

•

Přenos údajů podporujících provozování rozvodu (nastavení ochran, alarmů,...)


3.5

Ethernetová brána EGX300 Ethernetová brána EGX300 (Obr. 3-7) zajišťuje propojení mezi Modbusem RS485

a ethernetovým Modbusem TCP/IP (kap. 4.1). Jedná se o integrované ethernetové rozhraní s webovým serverem. Díky webovému serveru lze přímo pomocí internetového prohlížeče sledovat měřené veličiny z koncových připojených zařízení. Nebo jsou měřené hodnoty k dispozici zařízením s nadřazeným softwarem pro náročnější zpracování měřených hodnot.

Obr. 3-7: Ethernetová brána EGX300 [11]

Brána EGX300 podporuje zařízení komunikující protokoly Modbus RTU, Modbus ASCII, Jbus a protokoly PowerLogic. Více v katalogovém listu výrobce [11]. 17

ČVUT

Hardware

3.6

Čidlo teploty a CO2 SCR100 je infračervený bezúdržbový senzor oxidu uhličitého spojený s pasivním

senzorem teploty. Je určený pro montáž na zeď ve vnitřním prostředí, pracuje s napájením 24 V stř. Senzor CO2 pracuje na bezdisperzní infračerveném principu (NDIR), měřící v rozsahu 0 - 2000 ppm vnitřní koncentrace oxidu uhličitého. Měřenou hodnotu převádí na výstupní signál 0 - 10 V nebo 0 - 5 V s přesností ± 1 % z měřícího rozsahu, ± 5 % z naměřené hodnoty. Pasivní čidlo teploty lze zvolit dle používaného systému jako 1,8 kΩ pro výrobky Vista® NTC, 10 kΩ pro výrobky I/NET® NTC nebo 10 kΩ pro výrobky Continuum® NTC. Čidlo pracuje v rozsahu 0 - 50 °C s přesností ± 0,8 °C při 25 °C.

Obr. 3-8: Senzor CO2 a teploty SCR100 [12]


18

ČVUT

4

Síťové protokoly a sběrnice

Síťové protokoly a sběrnice V této kapitole je uveden zkrácený popis sběrnic a síťových protokolů, které jsou

využity v instalaci výrobního závodu. Podkapitola 4.1 je z větší části převzata z Projektu 1 [1].

4.1

Protokol Modbus Modbus je komunikační protokol, který byl vytvořen v roce 1979 firmou Modicon.

Pracuje na úrovni aplikační vrstvy ISO/OSI modelu. Umožňuje komunikaci typu klient-server na různých typech sítí a sběrnic. Komunikace je uskutečněna metodou požadavek-odpověď, požadovaná funkce je specifikována pomocí kódu funkce. V současné době podporuje např. sériové linky typu RS-232, RS-422 a RS-485, rádiové i optické sítě nebo síť Ethernet s protokolem TCP/IP. [13]

4.1.1

Popis protokolu Struktura zprávy protokolu se definuje na úrovni protokolu PDU (PDU – Protocol

Data Unit) nezávisle na typu komunikační vrstvy. Podle typu sítě je poté PDU rozšířeno o další části. Celek poté tvoří zprávu na aplikační úrovni ADU (ADU – Application Data Unit) viz Obr. 4-1.

Obr. 4-1: Základní tvar MODBUS zprávy [13]

Kód funkce (Function code) udává serveru jaký druh operace se má provést. Kódy funkcí jsou v rozsahu 1 až 255, přičemž kódy 128 až 255 jsou vyhrazeny pro oznámení chyby v dané funkci. Datová část zprávy (Data) obsahuje data potřebná pro uskutečnění operace dané kódem funkce. Některé funkce nemusí obsahovat datovou část. Pokud komunikace proběhne bez chyby, celá operace proběhne dle Obr. 4-2. Klient odešle požadavek s kódem funkce a daty, server vrátí požadovaná data opět s kódem funkce 19

ČVUT


jako indikace úspěšného provedení.

Obr. 4-2: MODBUS přenos bez chyby [13]

Pokud při provádění požadované funkce dojde k chybě, komunikace proběhne dle Obr. 4-3. Klient odešle požadavek s kódem funkce a daty, při zpracování funkce dojde k chybě, server jako indikaci neúspěchu odešle zpět kód funkce s nastaveným nejvyšším bitem (tedy kód funkce +80h – kódy v rozsahu 128 až 255 jak je uvedeno výše) a chybový kód (Exeption code) upřesňující důvod neúspěchu. Z důvodu možné ztráty dat je doporučeno na straně klienta implementovat časový limit pro přijetí odpovědi tak, aby nečekal na odpověď do nekonečna.

Obr. 4-3: MODBUS přenos s chybou [13]

Protokol MODBUS tedy definuje 3 základní typy zpráv (PDU): •

Požadavek (Request PDU)

20

ČVUT

Síťové protokoly a sběrnice − 1 byte Kód funkce (Function code) − n bytů dat požadavku (Data Request) •

Odpověď (Response PDU) − 1 byte Kód funkce (kopie požadavku) − m bytů dat odpovědi (Data Response)

•

Záporná odpověď (Exception Response PDU) − 1 byte Kódu funkce +80h (Exception Function code) − 1 byte Kódu chyby (Exception code)

4.1.2

Modbus na sériové lince Jak bylo řečeno na začátku kapitoly, protokol umožňuje pracovat na různých druzích

sítí. MODBUS Serial Line protokol je definován na úrovni 2 ISO/OSI modelu, na úrovni 1 mohou být tedy použita různá sériová rozhraní, např. RS-232 nebo RS-485 (viz Obr. 4-4).

Obr. 4-4: Modbus protokol a ISO/OSI model [14]

4.1.2.1

Princip protokolu

Jedná se o klasický Master/Slave protokol. Na sběrnici může být pouze jeden master v daný okamžik. Ten vždy zahajuje komunikaci. Slave nikdy nesmí vysílat bez pověření mastera. Master vysílá požadavky ve dvou režimech: 21

ČVUT

Síťové protokoly a sběrnice •

broadcast režim – požadavek všem jednotkám, nikdo neodpovídá

•

unicast režim – adresace jedné konkrétní jednotce, která odešle odpověď

4.1.2.2

Adresování

Adresní prostor zahrnuje 256 adres. 0

1 až 247

248 až 255

Broadcast adresa

Individuální adresy slave jednotek

Rezervováno

Každá slave jednotka má unikátní adresu v daném rozsahu, master žádnou specifickou adresu nemá. Na Obr. 4-5 je zobrazen celý rámec zprávy protokolu po sériové lince. Kromě standardní části MODBUS PDU obsahuje navíc adresové pole (Address field) obsahující adresu slave jednotky a CRC - kontrolní součet v závislosti na vysílacím režimu.

Obr. 4-5: MODBUS zpráva na sériové lince [14]

4.1.2.3

Vysílací režimy

Modbus protokol definuje dva sériové vysílací režimy, MODBUS RTU a MODBUS ASCII. Režim určuje v jakém formátu jsou data vysílána a dekódována. Na jedné sběrnici musí všechny jednotku komunikovat v jednotném režimu. MODBUS RTU je povinný pro každou jednotku, režim ASCII nemusí být podporován. •

MODBUS RTU V režimu RTU je každý byte zprávy reprezentován dvěma 4-bitovými hexadecimálními znaky. Mezery mezi znaky nesmí být větší než 1.5 znaku, začátek a konec zprávy se pozná podle mezery delší než 3.5 znaku. K detekci chyb slouží 16-bitové CRC pole (Obr. 4-6).

22

ČVUT


Obr. 4-6: RTU rámec zprávy [14]

•

MODBUS ASCII Oproti režimu RTU je každý byte zprávy reprezentován dvojicí ASCII znaků. Začátek zprávy je identifikován znakem „:“ a konec dvojicí řídících znaků CR a LF. K detekci chyb slouží 2 znaky LRC. (Obr. 4-7)

Obr. 4-7: ASCII rámec zprávy [14]

4.1.3

Modbus TCP/IP Principy protokolu jsou obdobné jako v předchozím případě (kap.4.1.2). Liší se

formátem zprávy ADU. Pro identifikaci MODBUS ADU je použita MBAP hlavička (MODBUS Application Protocol Header). Pro posílání MODBUS zpráv je na TCP registrovaný port 502.

Obr. 4-8: MODBUS zpráva na TCP/IP [15]

23

ČVUT


4.2

Sběrnice LonWorks Technologie LonWorks byla vyvinuta firmou Echelon ve spolupráci s firmami Toshiba

a Motorola, na trh byla uvedena v roce 1992. Technologie nabízí univerzální komunikaci po libovolném vedení. Proto je vhodná pro množství aplikací včetně řízení spotřebičů, automatizaci budov, dálkové odečty měřičů energií nebo regulaci v průmyslu. Vychází z obecné definice sítě zvané Local Operating Networks (LON), tj. místní operační síť. Ty jsou obecně složeny z inteligentních zařízení a uzlů, které jsou propojeny jedním či více různými komunikačními médii. Komunikaci zajišťuje jeden protokol. Technologie je již přijata mnoha výrobci, komponenty vyrábí a a podporuje na 4000 firem po celém světě.[16]

4.2.1

Popis sběrnice Síť LonWorks využívá peer-to-peer architektury s prioritním systémem zasílání zpráv.

Základem sítě je inteligentní uzel (node), který je založen na speciálních mikrokontrolérech (Neuron chip) na nichž běží protokol LonTalk. Komunikační model je nezávislý na fyzickém přenosovém médiu a na topologii sítě. Tranceiver zprostředkovává propojení Neuron chipu s daným fyzickým médiem. Neuron chip dokáže spolupracovat s různými druhy tranceiverů a tím vzniká nezávislost na použitém médiu. Jako přenosová média se dají použít: •

kroucený pár (twited pair wires) např. RS-485

•

radiový přenos (RF links)

•

optické vlákno

•

koaxiální kabel

•

síťové rozvody 230/400 V

•

vedení kabelové televize

•

atd.

Jednotky TAC Xenta například používají tranceivery FTT-10A a LTP-10 pro přenos po krouceném páru s Bit Rate 78 kbps. Nezávislost na topologii sítě je docílena použitím architektury peer-to-peer pro řízení přenosu a směrování paketů. Topologie sítě je tedy závislá na použitém tranceiveru a ne na 24

ČVUT


komunikačním modelu. Prioritní systém je řešen obsažením několika I/O bufferů v Neuron chipu, pro případ potřeby pozastavení vysílání aktuální zprávy s nižší prioritou z důvodu vyslání zprávy s prioritou vyšší.[16]

4.2.2

Protokol LonTalk Protokol LonTalk tvoří firmware každého Neuron chipu. Řídí přenos a směrování

paketů (zpráv) v síti. Byl navržen dle ISO OSI referenčního modelu (Obr. 4-9). To umožňuje programům běžícím na aplikačním CPU komunikovat s aplikací běžící na jiném uzlu tvořeného Neuronovým chipem kdekoliv ve stejné síti.[16]

Obr. 4-9: OSI model LonTalk protokolu [16]

4.2.2.1

Fyzická vrstva (Physical OSI layer)

Fyzická vrstva definuje propojení po fyzickém komunikačním médiu. Jak bylo řečeno výše, výhodou protokolu LonTalk je možnost přenosu po libovolném médiu, ke kterému existuje tranciever. Ten tedy s Neuron chipem tvoří uzel sítě. Napojení segmentů sítí s různými druhy přenosového média je možno pomocí routeru. [16]

25

ČVUT


4.2.2.2

Linková vrstva (Data Link OSI layer)

Linková vrstva ovládá a řídí přístup na fyzické médium. Pro přístup k médiu se využívá metoda CSMA/CA. Všechny uzly tedy sledují komunikaci na síti a vysílají pouze, pokud je na síti klid. Schéma přístupu uzlu na sběrnici je zobrazeno na Obr. 4-10.

Obr. 4-10: Schéma přístupu uzlu na sběrnici [16]

Vysílání

každého

uzlu

je

ukončeno

synchronizačním

bitem

(end-of-frame

Synchronization), který ukončuje vysílací rámec. Poté každý uzel odpočítává čas pro prioritní vysílání (priority time slots). V této době mohou vysílat uzly vyšší prioritou než ostatní. Poté se odpočítává náhodně vygenerovaná doba (radomly allocated time slots), pokud se během této doby neobjeví na sběrnici komunikace, může daný uzel vysílat. Je možné využít i metodu detekce kolize, ale musí ji podporovat všechny trancievery zapojené v síti. [16]

4.2.2.3

Síťová vrstva (Network OSI layer)

Síťová vrstva určuje adresaci uzlů v síti. Protokol LonTalk využívá 3-úrovňovou adresaci k identifikaci každého uzlu. •

První úroveň – doména (domain), v doméně až 255 podsítí

•

Druhá úroveň – podsíť (subnet), v podsíti až 127 uzlů

•

Třetí úroveň – samotný uzel (neuron) který je adresován 48-bitovým identifikačním číslem (Neuron ID)

Dle [16].

26

ČVUT


Obr. 4-11: Adresování uzlů v síti [16]

4.2.2.4

Transportní vrstva (Transport OSI layer)

Transportní vrstva zaručuje spolehlivost doručování paketů v síti. Provádí tedy kontrolu správného přenosu, zajišťuje potvrzování doručení, ničí duplikáty, atd.. Čtyři základní služby jsou: •

Služba potvrzování došlého paketu (zprávy) – po odeslání zprávy se vždy očekává potvrzení o doručení od každého uzlu

•

Služba Žádost/Odpověď – k vyslání zprávy na kterou se čeká konkrétní odpověď

•

Služba zasílání zpráv typu broadcast – pro hromadné zasílání zpráv velkému počtu uzlů

•

Služba nepotvrzeného zasílání zpráv – pro zaslání zprávy na kterou se nečeká odpověď ani potvrzení o přijetí

Dle [16].

4.2.2.5

Relační vrstva (Session OSI layer)

Definuje standardní kódy zpráv pro síťový managment (network managment messages) a diagnostiku (network diagnostic messages). •

Network management messages – usnadňují instalaci a řízení sítě, příkazy umožňují měnit nastavení a konfiguraci neuron chipů

•

Network diagnostic messages – zajišťují diagnostiku a případné opravy

Vrstva také definuje ověřovací protokol zabraňující neoprávněnému přístupu na uzel 27

ČVUT


a do aplikace. [16]

4.2.2.6

Prezentační vrstva (Presentation OSI layer)

Prezentační vrstva provádí vyměňování zpráv mezi aplikacemi. Došlý paket interpretuje jako síťovou proměnnou, explicitní zprávu nebo cizí rámec.[16] •

Síťové proměnné – nejobvyklejší způsob, data přiřazeny do určité skupiny dle jejich fyzikálního významu i s příslušnou jednotkou, v LonTalk definováno několik standardních proměnných (Standard Network Variable Types – SNVT)

•

Explicitní zprávy – data nehodící se do žádného typu síťových proměnných, dvě části – kód (definuje interpretaci dat) a samotný obsah (data)

•

Cizí rámce – rámce, které mají být přeneseny do cílové aplikace bez bližší specifkace

Dle [16].

4.2.2.7

Aplikační vrstva (Application OSI layer)

V aplikační vrstvě běží samotný aplikační program. Ten sám deklaruje používané typy síťových proměnných, kódy explicitních zpráv apod. [16]

28

ČVUT

Čtvrthodinové maximum

5

Čtvrthodinové maximum Text této kapitoly je převzat z předcházejícího Projektu 2 [2], doplněn o nové grafy. Odběr elektrické energie z rozvodné sítě podléhá mnoha technickým, provozním

a ekonomickým požadavkům. Kromě běžně vnímaného odběru množství činné energie, je jedním z pravidel dodržování nasmlouvaného čtvrthodinového maxima. Jedná se o smluvně určenou maximální hodnotu odebíraného příkonu za sledovaný časový úsek. Nutnost regulace čtvrthodinového maxima vyplývá z problematiky energetických špiček, které ovlivňují parametry dodávané energie a stabilitu distribuční sítě. Za tímto účelem se používají tzv. regulátory čtvrthodinového maxima. Ty dokážou podle vnitřních algoritmů regulovat (odepínat a připínat) připojenou zátěž tak, aby nedošlo k překročení nasmlouvaného maxima. Překročení smluvního limitu je dodavatelem tvrdě penalizováno. Regulátory čtvrthodinového maxima tedy pracují podle několika základních algoritmů:

5.1

Hladinový režim Hladinový režim pracuje na principu hlídání překročení pevně nastavených hladin

činné práce nebo příkonu. Po překročení nastavené hladiny regulátor vypíná příslušný kanál. Na každém kanálu jsou připojeny řízené spotřebiče, jejichž připojováním a odpojováním se reguluje odebíraný výkon. S hladinovými algoritmy pracují nejednodušší regulátory.

5.1.1

Algoritmus s vyhodnocením činné práce Vyhodnocuje činnou práci odebranou od začátku čtvrthodinového intervalu. V tomto

případě jsou odpojené spotřebiče vypnuty až do konce intervalu.

29

ČVUT


3. kanál odpojit maximum (3.kanál)

činná práce (kWh)

2.výstraha (2.kanál) 1.výstraha (1.kanál)

2. výstraha (2. kanál odpojit)


Řady3 maximum Řady1 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

čas (min)

Obr. 5-1: Hladinový režim s vyhodnocením činné práce (podle [17])

5.1.2

Algoritmus s vyhodnocením příkonu Vyhodnocuje aktuální průměrný výkon, který je měřen a počítán od minulého kroku.

Poté je porovnán s hodnotami čtvrhodinového maxima a podle velikosti rozhoduje o odpojení či připojení kanálů. Při poklesu odběru lze tedy odpojené spotřebiče opět připojit. Příkon se počítá v každém kroku čtvrthodinového intervalu. Krok se obvykle volí 30 s.

30

ČVUT


3. kanál odpojit maximum (3.kanál)

příkon (kW)

2.výstraha (2.kanál) 1.výstraha (1.kanál) 3. kanál připojit 1. výstraha (1. kanál odpojit)



zrušit 1. výstrahu (1. kanál připojit)

Řady3 maximum Řady1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

čas (min)

Obr. 5-2: Hladinový režim s vyhodnocením příkonu (podle [17])

5.2

Kompenzační režim Spočívá v měření činné práce od začátku intervalu. Vytvoří se ideální přímka odběru

v čtvrhodinovém intervalu, která reprezentuje konstantní příkon po celou dobu intervalu. Pokud aktuální činná práce odebraná od začátku intervalu je vyšší než ideální přímka odběru, odpojí se první kanál, pokud je vyšší i v dalším kroku (opět krok obvykle 30 s), odpojí se druhý kanál atd. V opačném případě, tedy pokud je odběr pod ideální přímkou, lze dříve odpojené kanály připojovat. Často se tento algoritmus doplňuje o pásmo necitlivosti, které se postupně zužuje ke konci intervalu. Připojování a odpojování kanálů probíhá na hranici pásma necitlivosti. Pásmo zajistí lepší stabilitu, klidnější průběhy a to, že kanály na začátku intervalu nejsou zbytečně odpojovány.

31

ČVUT


maximum


5. kanál připojit

5. kanál odpojit

spotřeba na konci intervalu

4. kanál odpojit 3. kanál odpojit 2. kanál odpojit 4. kanál připojit 1. kanál odpojit

3. kanál připojit ideální spotřeba Řady3 maximum

skutečná spotřeba

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

hlavni 11

12

13

14

15

16

čas (min)

Obr. 5-3: Kompenzační režim bez pásma necitlivosti (podle [17])

maximum


spotřeba na konci intervalu

3. kanál odpojit 2. kanál odpojit

2. kanál připojit

1. kanál odpojit 3. kanál připojit

odepínací přímka

zapínací přímka Řady3

ideální spotřeba

Řady5

skutečná spotřeba

maximu m 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

čas (min)

Obr. 5-4: Kompenzační režim s pásmem necitlivosti (podle [17])

32

ČVUT


5.3

Trendový (predikační) režim Trendový režim pracuje na principu predikace aktuální spotřeby. Algoritmem je tedy

dopočítána předpokládaná spotřeba na konci intervalu pro aktuální sklon odběrové křivky. Podle velikosti dopočítané spotřeby se rozhoduje o odpojování nebo připojování regulovaných kanálů. Předpoklad pro použití trendového režimu je deterministické chování celé soustavy. p7: Kanál 2 odpojit

p6: Kanál 1 odpojit

maximum


spotřeba na konci intervalu p5: nic p3: nic p4: nic p2: nic

Řady3

ideální spotřeba skutečná spotřeba

p1: nic

Řady5 maximu m

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

čas (min)

Obr. 5-5: Trendový režim (podle [17])

33

ČVUT


5.4

Kombinovaný režim Kvalitní regulátory pracují většinou s kombinací výše uvedených režimů. Například na

počátku intervalu je pásmo bez regulace, většinu intervalu je poté aktivní kompenzační režim s pásmem necitlivosti a na konci intervalu se zapíná trendový režim jako pojistka před náhlým nárůstem spotřeby. Mimo to je celou dobu aktivní hladinový režim jako pojistka před překročením maxima.

sjednané max. rezerva


nastavené max. spotřeba na konci intervalu

3. kanál odpojit 2. kanál odpojit

2. kanál připojit

1. kanál odpojit

3. kanál připojit

odepínací přímka

zapínací přímka ideální spotřeba skutečná spotřeba 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Řady3 11

12

13

14

čas (min)

pásmo bez regulace

kompenzační režim

15

16

Řady5 maximu m hlavni

trendový režim

Obr. 5-6: Kombinovaný režim (podle [17])

34

ČVUT

6

Výrobní závod SE Písek

Výrobní závod SE Písek V následující kapitole bude stručně uveden současný stav budovy výrobního závodu,

hardwarové instalace MaR a dosavadní spotřeby elektrické energie při současném způsobu řízení vzduchotechniky.

6.1

Výrobní závod Jedná se o výrobní závod ležící na okraji města Písek. Byl dokončen v roce 1998, po

přístavbách v letech 2002 a 2003 zaujímá celkovou plochu 14 000 m2 s 8 000 m2 výrobních ploch. Zaměstnává 600 zaměstnanců. Závod se zaměřuje na výrobu stykačů, tepelných relé, motorových spouštěčů, spínačů, tlačítkových ovladačů a pojistkových odpojovačů.

Obr. 6-1: Pohled na výrobní závod

6.1.1

Půdorys a technologie Objekt závodu je rozdělen na dvě výrobní haly, sklady a zázemí s kancelářemi

a kuchyní s jídelnou. Výrobní hala č.1 je vytápěna 6-ti vzduchotechnickými jednotkami s cirkulací, dohřev či chlazení přiváděného vzduchu probíhá přes výměníky tepla s kvalitativní regulací topné či chladící vody. Stav vnitřního prostředí monitoruje 6 kombinovaných čidel teploty a CO2. Dále je k dispozici elektroměr měřící celkový odběr vzduchotechnických jednotek v hale.

35

ČVUT

Výrobní závod SE Písek Výrobní hala č.2 je vytápěna třemi jednotkami RTU (Rooftop unit). Každá z jednotek

je ovládána vlastním řídícím algoritmem. Každá jednotka umožňuje pouze vypnutí, zapnutí nebo běh dle časového programu, nastavení žádané teploty a nastavení minimálního otevření přívodní vzduchové klapky. V hale jsou k dispozici tři kombinovaná čidla teploty a CO2. Dále je k dispozici elektroměr měřící celkový odběr vzduchotechnických jednotek v hale.

Obr. 6-2: Půdorys výrobního závodu

Vytápění a chlazení ostatních prostor (kanceláří, skladů, kuchyně,...) obstarávají podružné vzduchotechnické jednotky, fancoil jednotky a otopná tělesa. Veškerou přípravu otopné vody pro tělesa a vzduchotechnické jednotky zajišťují dva plynové kotle. Pro přípravu teplé užitkové vody je v závodě využito odpadního tepla kompresorů zajišťujících stlačený vzduch pro výrobní linky. Teplá voda od kompresorů nahřívá pomocný zásobník, který přes výměník ohřívá vodu v hlavním zásobníku teplé užitkové vody. Dohřátí na potřebnou teplotu v hlavním zásobníku zajišťuje teplá voda od plynových kotlů.

36

ČVUT


6.2

Hardwarová instalace MaR Hardwarová instalace systému měření a regulace má v současné době podobu

zobrazenou na Obr. 6-3. Skládá se tedy z 6 řídících podstanic TAC Xenta řady 700 (kap. 3.1). Dále ze 72 modulů vstupů a výstupů TAC Xenta řady 400 (kap. 3.2). Měřící zařízení jsou dva multimetry PM9C a jistič Compact NSX (kap. 3.3 a 3.4). Pro jejich připojení k síti je využita ethernetová brána EGX300 (kap.3.5). Pracovní podstanice jsou připojeny do vnitřní sítě firmy Schneider Electric. Každá pracovní podstanice řídí určitý celek výrobního závodu.

6.2.1

EXT_I_DT1 TAC Xenta 721, pomocí 10-ti vstupních a výstupních modulů monitoruje hodnoty

stavu prostředí a řídí vzduchotechniku pro sklady, kanceláře skladů, místnost údržby a pánské šatny.

6.2.2

EXT_I_DT2 TAC Xenta 701, pomocí čtyř modulů I/O monitoruje hodnoty stavu prostředí a řídí

vzduchotechniku v dámských šatnách.

6.2.3

KOT_R2_04 TAC Xenta 721, spravuje 17 vstupních a výstupních modulů, pomocí nichž řídí chod

kotelny, přípravu teplé vody, chlazení, vzduchotechniky kotelny, vzduchotechniky šaten a řídí ekvitermní regulaci.

6.2.4

KUCH_R1_02 TAC Xenta 701, řídí a monitoruje vzduchotechniky v kuchyni a jídelně pomocí 6-ti

I/O modulů.

6.2.5

VZT_R2_02 TAC Xenta 721, řídí šest vzduchotechnik výrobní haly č.1 a sbírá údaje z vnitřních

čidel, pomocí 17-ti I/O modulů.

37

ČVUT

6.2.6


EXT_II_B1 TAC Xenta 731, přes síťový protokol LonWorks komunikuje s 18 I/O moduly, pomocí

nichž řídí a monitoruje šest jednotek Fancoil, vzduchotechniku ve zkušebně, skladu a místnosti údržby. Dále monitoruje stav prostředí ve výrobní hale č.2. Přes protokol Modbus RS232 komunikuje s třemi Rooftop jednotkami výrobní haly č.2. Pomocí ethernetové brány EGX300 připojené na TCP/IP port, komunikuje se dvěma multimetry PM9C (jeden měří spotřebu kompresorů pro výrobu stlačeného vzduchu ve výrobním provozu a druhý celkovou spotřebu elektrické energie vzduchotechniky ve výrobní hale č.1), jističem Compact NSX (pomocí kterého měří celkovou spotřebu elektrické energie Rooftop jednotek ve výrobní hale č.2) a zařízením pro přenos údajů (značeno Pisek_HVAC 1) z MaR do systému ION Enterprise (energetika).

38

ČVUT


Obr. 6-3: Schéma zapojení MaR

39

ČVUT

Výrobní hala č.2

7

Výrobní hala č.2 Následující kapitola se zabývá popisem výrobní haly č.2, která je předmětem této

diplomové práce. Hala byla přistavěna v roce 2003 v rámci II. Extenze výrobního závodu. V současnosti řízení vzduchotechniky v této hale běží stále ve zkušebním provozu a není plně optimalizováno. Kapitola se zaměřuje na popis jednotlivých konstrukcí haly a jejich tepelné vlastnosti. Výpočet tepelných ztrát je proveden dle dvou přístupů: v první řadě dle ČSN 73 0540 s ohledem na normové požadavky Sbírky zákonů č. 178/2001 Sb. na nucené větrání prostorů a v druhé

s využitím

prováděcí

vyhlášky

č. 268/2009 Sb.

ke

stavebnímu

zákonu

č. 183/2006 Sb.. V poslední části kapitoly je uveden popis instalovaných klimatizačních jednotek a popis rozmístění kombinovaných čidel CO2 a teploty.

7.1

Stavební konstrukce haly Výrobní hala č.2 se nachází v jižní části výrobního závodu. Ze severní strany je

napojena na původní výrobní halu č.1 a na místnosti údržby. Západní a část jižní strany obklopuje blok kanceláří administrativy. Východní a většina jižní strany tvoří obvodové části spojené s venkovním prostředím.

7.1.1

Nosná konstrukce Hala je tvořena nosnou ocelovou konstrukcí o vnějších rozměrech 36 x 90 m. Světlá

výška haly pod stropní konstrukci je 5,9 – 6,6 m. Na nosnou konstrukci jsou uchyceny moduly vnějších a vnitřních stěn (viz níže) a stropní konstrukce.

7.1.2

Vnější stěny Stěny haly v kontaktu s vnějším prostředím jsou tvořeny systémovým řešením firmy

PFLAUM BAUSYSTEME, konkrétně systémem Linear Facade System. Vnější stěna je složena z těchto vrstev (od vnitřního prostředí): •

vnitřní plech

•

tepelná izolace (100 mm)

40

ČVUT

Výrobní hala č.2 •

distanční svislý profil

•

fasádní plech

Vnější stěny obsahují okna o celkové ploše 70,5 m2 (18 m2 na východ a 52,5 m2 na jih). Okna jsou výrobek firmy PLANIBEL, jedná se o atypické okenní prvky s fixním zasklením s izolačním dvojsklem.

7.1.3

Vnitřní stěny Vnitřní stěny tvoří hranici mezi výrobní halou a kancelářemi administrativy a mezi

výrobní halou a chodbou k místnostem údržby. Jsou tvořeny systémovými příčkami firmy LIKO-S o tloušťce 100 mm. Příčky mezi výrobní halou a kancelářemi tvoří moduly se zvukově izolačním bezpečnostním dvojsklem. Příčky mezi výrobní halou a chodbou k místnostem údržby jsou bez skel do výšky 3,5 m, zbytek výšky pod střešní konstrukci tvoří sádrokartonová příčka.

7.1.4

Stropní konstrukce Stropní konstrukce výrobní haly je tvořena následující skladbou (od vnitřního

prostředí): •

trapézové plechy

•

parozábrana

•

tepelná izolace (140 mm)

•

dvě vrstvy asfaltové hydroizolace

Ve stropní konstrukci se nachází celkem 21 světlíků o celkové ploše 285 m2.

7.1.5

Podlaha Podlaha výrobní haly o celkové výměře 3240 m2 je tvořena skladbou (od vnitřního

prostředí): •

železobetonová deska (150 mm)

•

hydroizolace 41

ČVUT

Výrobní hala č.2 •

ochranná vrstva

•

jemná vysívka

V okrajových částech haly (do 2,5 m od vnější konstrukce) je skladba doplněna o tepelnou izolaci o tloušťce 60 mm kladenou pod hydroizolaci.

7.2

Tepelné vlastnosti

7.2.1

Okrajové podmínky Výrobní závod se nachází v Písku, v nadmořské výšce 394 m n.m. v teplotní oblasti 3. •

Návrhová venkovní teplota v zimním období dle ČSN 730540 θae = -17°C

•

Návrhová venkovní teplota v letním období dle ČSN 730540 θae = 30°C

•

Návrhová vnitřní teplota v zimním období θi = 19°C

•

Návrhová vnitřní teplota v letním období θi = 26°C

V objektu výrobní haly č.2 se nachází maximálně 130 osob (údaj z požární zprávy). Vykonávají práci třídy IIa (dle Sbírky zákonů č. 178/2001 Sb.), při stupni aktivity II jsou tepelné zisky od jedné osoby Q = 160 W. Norma (ČSN 730540-2) požaduje minimální množství čerstvého (venkovního) vzduchu přiváděného na pracoviště 70 m3/h na osobu pro práci převážně ve stoje a chůzi. Toto minimální množství může být zmenšeno až na polovinu při venkovních teplotách vyšších než 26°C a nižších než 0°C. Zároveň podíl čerstvého vzduchu nesmí poklesnout pod 15% celkového množství přiváděného vzduchu (nebo pod 7,5% při extrémních podmínkách). Vzhledem k tomu, že v hale jsou k dispozici čidla CO2, lze využít předpis definující požadavky na větrání v obytném prostředí prováděcí vyhlášky č. 268/2009 Sb. ke stavebnímu zákonu č. 183/2006 Sb. který definuje maximální koncentraci CO 2 v obytném prostoru na 1000 ppm.

7.2.2

Tepelné ztráty výrobní haly Celková tepelná ztráta prostoru se skládá z tepelné ztráty prostupem a tepelné ztráty

větráním.

42

ČVUT

Výrobní hala č.2

7.2.2.1

Tepelná ztráta prostupem

Pro jednotlivé konstrukce (průsvitné i neprůsvitné) v kontaktu s vnějším prostředím byl spočítám nebo určen součinitel prostupu tepla U [W/(m2K)] pomocí sady programů Stavební Fyzika 2010. Protokoly jednotlivých neprůsvitných konstrukcí jsou v příloze práce. •

Vnější stěny (kapitola 7.1.2): A = 759,31 m2; U = 0,51 W/(m2K)

•

Stropní konstrukce (kapitola 7.1.4): A = 2955 m2; U = 0,4 W/(m2K)

•

Podlaha (kapitola 7.1.5): A = 3240 m2; U = 0,098 W/(m2K) (celkové s ohledem na okrajovou tepelnou izolaci)

•

Okna: A = 70,5 m2; U = 1,3 W/(m2K)

•

Světlíky: A = 285 m2; U = 2,2 W/(m2K)

•

Dveře: A = 5,09 m2; U = 2,6 W/(m2K)

Ze vztahu (2) byla určena měrná tepelná ztráta prostupem celé haly. Vliv tepelných vazeb byl zahrnut přibližně, pro referenční podmínky dle zvláštního předpisu je pro budovu s běžnými tepelnými vazbami mezi konstrukcemi roven ΔUtbm = 0,1 W/(m2K). Souhrn výsledků je v Tab. 7-1.

H T =∑ ( A j⋅U j⋅b j ) + A⋅Δ U tbm

(2)

j

kde

Aj

je plocha j-té konstrukce [m2]

Uj

je součinitel prostupu tepla j-té konstrukce [W/(m2K)]

bj

je činitel teplotní redukce j-té konstrukce [-]

A

je plocha všech ochlazovaných konstrukcí [m2]

ΔUtbm je průměrný vliv tepelných vazeb [W/(m2K)]

43

ČVUT

Výrobní hala č.2

Měrné tepelné ztráty prostupem [W/K] 13; 0%

387; 14%

826; 30% Stěny Střecha Podlaha Okna Dveře

344; 13%

1182; 43%

Obr. 7-1: Rozdělení měrných tepelných ztrát prostupem

Obr. 7-2: Shrnutí výpočtů měrné tepelné ztráty prostupem

Měrná tepelná ztráta prostupem celé haly je tedy HT =3459,9 W/K. Pomocí vztahu (3) po dosazení návrhových okrajových podmínek dostaneme celkovou tepelnou ztrátu prostupem Qp = 125 kW.

44

ČVUT

Výrobní hala č.2 Q p=H T⋅(θ i −θ ae ) kde

HT

je měrná tepelná ztráta prostupem [W/K]

θi

je vnitřní návrhová teplota [°C]

θae

je vnější návrhová teplota [°C]

7.2.2.2

(3)

Tepelná ztráta větráním

Tepelná ztráta větráním pro konkrétní případ zkoumané haly se spočte dle vztahu (4). Závisí na objemovém průtoku vzduchu a rozdílu teplot vnitřního prostředí a vzduchu přiváděného do místnosti po smísení ve vzduchotechnické jednotce.

Qv =

kde

˙ V⋅ρ⋅c ⋅(θ i −θ sm ) 3600

V˙

je objemový průtok vzduchu [m3/s]

ρ

je hustota vzduchu [kg/m3]

c

je měrná tepelná kapacita vzduchu [J/(kgK)]

θi

je vnitřní návrhová teplota [°C]

θsm

je teplota po smísení [°C]

(4)

Teplota vzduchu po smísení ve vzduchotechnické jednotce se spočte dle vztahu (5). Jedná se výslednou teplotu vzduchu, který vznikne smísením oběhového vzduchu z haly a venkovního vzduchu. Vzduch o této teplotě je poté jednotkou dohříván na požadovanou teplotu vnitřního prostředí v hale.

θ sm=

kde

θ i⋅V i+θ e⋅V e V i +V e

θi

je teplota vnitřního vzduchu [°C]

θe

je teplota vnějšího přiváděného vzduchu [°C]

Vi

je objem vnitřního vzduchu [m3]

Ve

je objem vnějšího přiváděného vzduchu [m3]

(5)

45

ČVUT

Výrobní hala č.2

Stanovení množství větracího vzduchu dle ČSN 730540 První přístup stanovení potřebného množství větracího vzduchu dle normy ČSN 730540 (jak je uvedeno v kapitole 7.2.1), je minimální množství přiváděného čerstvého vzduchu 70 m3/h na osobu, při 130-ti osobách tedy 9100 m3/h (nebo 4550 m3/h při extrémních podmínkách). Po výpočtu s použitím uvedených vztahů (4) a (5) jsou výsledky uvedeny v Tab. 7-1.

Tab. 7-1: Tabulka výsledných tepelných ztrát větráním dle ČSN 730540 Jak je vidět z předchozí tabulky, ať už jsou v provozu jedna nebo všechny jednotky, v každém režimu zůstávají ztráty větráním stejné. Mění se množství cirkulovaného vzduchu z haly a tím poměr mezi ním a vzduchem čerstvým. Při třech aktivních jednotkách již není splněn doplňkový požadavek normy na minimální podíl čerstvého vzduchu > 15% (nebo > 7,5% ve sníženém režimu) z celkového množství přiváděného vzduchu. V těchto případech by bylo nutno přivádět 10800 m3/h, čímž by se ztráty zvýšily na 131 kW (resp. přivádět 5400 m3/h při ztrátách 65 kW ve sníženém režimu). Celková tepelná ztráta větráním je tedy QV = 110 kW pro teploty v rozsahu 0°C až 26°C, nebo QV = 55 kW pro teploty mimo rozsah 0°C až 26°C (pro aktivní maximálně dvě jednotky). Menší ztráty větrání při extrémních teplotách je zapříčiněna poloviční potřebou čerstvého studeného vzduchu, který je třeba dodat.

Stanovení množství větracího vzduchu dle vyhlášky č. 268/2009 Sb. Druhý přístup stanovení potřebného množství čerstvého vzduchu dle vyhlášky č. 268/2009 Sb. je regulovat kvalitu vnitřního prostředí dle stavu CO 2. V tomto případě lze dle

46

ČVUT

Výrobní hala č.2

vzorce (6) spočítat potřebné množství čerstvého vzduchu na osobu pro udržení přípustné koncentrace oxidu uhličitého.

V˙ =

kde

V˙

S k −k p

(6)

je potřebné množství čerstvého vzduchu pro udržení nejvýše přípustné koncentrace CO2 [m3/h]

S

je produkce CO2 dýcháním [l/(h*os)]

kp

je koncentrace CO2 ve venkovním přiváděném vzduchu [ppm]

k

je koncentrace CO2 v interiéru [ppm]

Produkce CO2 dýcháním je zhruba 19 l/(h*os) a koncentrace CO2 ve venkovním vzduchu je 350 ppm. Za těchto předpokladů je dle vzorce (6) potřebné množství čerstvého vzduchu na osobu 0,03 m3/h, při 130 osobách tedy 3,9 m3/h. Tepelné ztráty větráním by se při této výměně vzduchu značně minimalizovaly, jak uvádí Tab. 7-2 i při zvýšení potřebného množství čerstvého vzduchu na 5 m3/h.

Tab. 7-2: Tabulka výsledných tepelných ztrát větráním dle vyhlášky č. 268/2009 Sb.

7.2.2.3

Celkové tepelné ztráty

Jak již bylo řečeno výše, celková tepelná ztráta prostoru se spočte jako součet tepelných ztrát prostupem a tepelných ztrát větráním (1).

Q ztr , celk =Q p+Q v kde

Qp

je tepelná ztráta prostupem [W]

Qv

je tepelná ztráta větráním [W]

(1)

47

ČVUT

Výrobní hala č.2 Dle vztahu (1) a dílčích výpočtů dle kapitol 7.2.2.1 a 7.2.2.2 byly celkové tepelné

ztráty výrobní haly stanoveny dle dvou legislativních přístupů (dle normy ČSN 730540 a dle vyhlášky č. 268/2009 Sb.) jak je uvedeno v Tab. 7-3.

Tab. 7-3: Tabulka celkových tepelných ztrát

Obr. 7-3: Celkové tepelné ztráty haly

48

ČVUT

Výrobní hala č.2

7.3

Jednotky Rooftop units (RTU) Jedná se o nástřešní klimatizační jednotky francouzské firmy ETT (Energie Transfert

Thermique), které jsou řešeny jako Custom, tedy dle požadavků zákazníka. Dodávka byla zajištěna firmou CITOS ČR, s.r.o.. Tři tyto jednotky zajišťují vytápění/chlazení/větrání výrobní haly č.2. Konkrétně se jedná o typ ETT FR360/GAC 120/SP. Každá jednotka je řízena PLC Twido, v tomto případě jde o nestandardní řešení dodavatele. Programové vybavení bylo napsáno přímo u výrobce ve Francii a není k němu přístup. Základní parametry jednotky jsou: •

průtok vzduchu (Air Flow) – 24 000 m3/h

•

topný výkon (Heating Capacity) – 120 kW

•

chladící výkon (Cooling Capacity) – 132 kW

Obr. 7-4: Nástřešní jednotka RTU

Jednotky neobsahují systém zpětného získávání tepla (ZZT). Oběhový vzduch z haly se tedy přímo mísí s chladným venkovním vzduchem, tím se více ochlazuje a je potřeba vyššího výkonu hořáku jednotky (vyšší spotřeby plynu) na dohřátí vzduchu na požadovanou teplotu. Teplota vzduchu před dohřátím se spočte dle vzorce (5) ze strany 45. Měření spotřeby 49

ČVUT

Výrobní hala č.2

plynu ještě není v závodě k dispozici (více kapitola 8.3.2). Ze systému MaR jsou možnosti řízení jednotky velmi omezené. Lze řídit režim chodu (vypnuto/zapnuto/časový program). Dále jednotce předáváme hodnoty teplot vnitřního prostředí a žádané teploty, dle kterých vnitřní regulátor řídí chod jednotky. Poslední možností je nastavení minimálního otevření klapky přívodního vzduchu, čímž lze regulovat množství přiváděného čerstvého venkovního vzduchu. Tímto lze zajistit v hale požadovanou kvalitu vzduchu dle normy nebo vnitřní koncentrace CO2. Každá jednotka RTU vytápí/chladí jednu třetinu haly. Vzduchotechnické potrubí z jedné jednotky tedy přivádí čerstvý/oběhový vzduch pouze do jedné třetiny haly (Obr. 7-6).

7.4

Rozmístění čidel teploty a CO2 Jak již bylo řečeno v kapitole 6.1.1 v hale jsou k dispozici 3 kombinovaná čidla

teploty a CO2 (kapitola 3.6). Každé čidlo snímá stav vnitřního prostředí v jedné zóně (pod jednou klimatizační jednotkou (Obr. 7-6). Čidla jsou umístěna ve volném prostoru na nosných sloupech konstrukce ve výšce 1,5 m na podlahou. Zóna pobytu člověka je 0 - 2 m, umístění čidel v je tedy v rovině hodnotících kritérií (Obr. 7-5).

Obr. 7-5: Zóny vlivu na řešení otopných soustav v průmyslové hale [18] 1 – zóna pobytu člověka, 2 – rovina hodnotících kritérií prostředí, 3 – neutrální zóna, 4 – zóna energetické náročnosti objektu, 5 – druhotná „otopná“ plocha

50

ČVUT

Výrobní hala č.2

Obr. 7-6: Rozmístění kombinovaných čidel

Z čidel dostáváme tři hodnoty teploty (pro každou zónu) a tři hodnoty kvality vzduchu. Pro regulaci vzduchotechnických jednotek je použita celková hodnota teploty vypočtená jako aritmetický průměr hodnot z jednotlivých čidel. Stejným způsobem je i vypočtena celková kvalita vnitřního vzduchu, která slouží pro regulaci minimálního otevření klapek přívodního čerstvého venkovního vzduchu. Regulace minimálního otevření klapek zaručuje požadovanou kvalitu vnitřního prostředí pomocí regulace množství přiváděného čerstvého vzduchu. Je řešena regulátorem vytvořeným v TAC Menta jako program pro řídící systém TAC Vista 5.

51

ČVUT

8

Návrh modelu řízení

Návrh modelu řízení V následující kapitole je uvedeno zhodnocení teoretických požadavků norem a zákonů

na kvalitu vnitřního prostředí v konkrétním provozu. Jsou zde uvedeny návrhy na zefektivnění provozu jednotek, zhodnocení vhodnosti instalace a výhled do budoucnosti. Situaci ve výrobní hale ukazuje následující obrázek (Obr. 8-1). Každá jednotka RTU má rozvedeno své vzduchotechnické potrubí pouze v jedné třetině haly. Oblast působení jednotek 2 a 3 je do značné části ovlivněna přisáváním upraveného vzduchu z výrobní haly č. 1 přes volný prostor o velikosti 48 x 7 m a přilehlých vytápěných místností. Naopak v oblasti působení RTU1 vznikají největší ztráty prostupem, díky největší ploše konstrukcí v kontaktu s vnějším prostředím.

Obr. 8-1: Situace ve výrobní hale č. 2

V současném stavu instalace a programové sady máme k dispozici pouze data z uplynulého týdne, která se nijak nearchivují. Jedná se o data z kombinovaných teplotních a CO2 čidel a ze vstupně/výstupních modulů zpracovávajících signály z jednotek RTU o její činnosti a poloze klapky řídící přívod čerstvého vzduchu a ze vzduchotechnických jednotek 52

ČVUT


v hale č. 1. Všechna data jsou v podobě objektů trend-log (více v předcházejícím Projektu 2 [h]), které v 15 minutových intervalech ukládají měřenou hodnotu do kruhového zásobníku o velikosti jednoho týdne. Zaznamenávají se tedy tyto údaje: •

Teplota vnitřního prostředí v hale č. 1 a č. 2 (jako aritmetický průměr teplot ze tří nebo šesti čidel v halách)

•

Žádaná teplota vnitřního prostředí v hale č. 1 a č. 2

•

Koncentrace CO2 v hale č. 1 a č. 2 (jako aritmetický průměr kvality vzduchu ze tří nebo šesti čidel v halách)

•

Žádaná koncentrace CO2 v hale č. 1 a č. 2

•

Počet běžících vzduchotechnických jednotek v hale č. 1 a č. 2

•

Stav otevření přívodních klapek pro každou jednotku v hale č. 1 a jako jednu hodnotu pro jednotky v hale č. 2

•

Výkon frekvenčního měniče pro vzduchotechniky v hale č. 1

Venkovní teplota není zaznamenávána v žádném logu, v grafech jsou použity data z meteorologické stanice v písku z webu http://www.amut.net/index.php se souhlasem autora.

8.1

Vytápění haly Pro posouzení potřebného topného výkonu jednotek pro pokrytí tepelných ztrát haly,

vyjádříme ztráty haly v závislosti na venkovní teplotě během otopného období. Pokud vyjádříme celkové tepelné ztráty zkoumané haly v závislosti na venkovní teplotě a za předpokladu, že budeme dle normy ČSN 730540 využívat možnosti snížení čerstvého přívodního vzduchu na polovinu od vnější teploty menší než -5 °C, při porovnání s vyhláškou č. 268/2009 Sb. dostaneme následující graf (Obr. 8-2).

53

ČVUT


Obr. 8-2: Tepelné ztráty haly v závislosti na venkovní teplotě

Z grafu (Obr. 8-2) je vidět kolik tepelného výkonu vzduchotechnických jednotek je třeba na pokrytí tepelných ztrát haly, při různých venkovních teplotách. Při přístupu k větrání dle normy je třeba až o 52 % více výkonu (při teplotě -4 °C). Řízení dle normy bez ohledu na koncentraci CO 2 by bylo tedy značně nevýhodné, zvláště když jsou k dispozici čidla CO2. Podle výpočtu potřeby čerstvého vzduchu (vzorec (6)) i dle praktických zkušeností (Obr. 8-4) by v hale vznikalo až zbytečně čisté prostředí, které by bylo vykoupeno příliš velkými nároky na vytápění. Dále je z grafu vidět, že celý systém vzduchotechnických jednotek je značně předimenzovaný. Všechny jednotky dohromady jsou schopné pokrýt ztráty až 360 kW. Přitom dle výpočtů by měla být schopna pokrýt tepelné ztráty haly jedna jednotka už od venkovní teploty -14 °C při řízení větrání dle vyhlášky nebo od 3 °C při řízení větrání dle normy. V obou případech na pokrytí ztrát při extrémních případech postačují jednotky dvě. Cestou ke snížení spotřeby elektrické energie je pokrýt ztráty co nejmenším počtem běžících jednotek. Každá běžící jednotka přivádí do prostoru 24 000 m3/h vzduchu (oběhového + čerstvého) pomocí vnitřního ventilátoru, který nelze regulovat. Běh motoru o výkonu 7,5 kW pohánějícího ventilátor představuje největší podíl spotřeby elektrické 54

ČVUT


energie jednotky a informace o spotřebě zemního plynu zatím není k dispozici. Vzhledem k rozmístění jednotek a celkové situaci v hale č. 2 (Obr. 8-1) je patrné, že největší ztráty haly budou v oblasti působení RTU1 a tato oblast bude zároveň nejméně ovlivněná vzduchem z haly č. 1. Nejvíce využívaná by měla být jednotka RTU1, aby v hale nevznikaly příliš velké teplotní rozdíly.

Obr. 8-3: Porovnání průběhů teplot nové a staré haly

Obr. 8-3 porovnává průběh teplot ve výrobních halách.

8.2

Větrání haly Původní stavební projekt vzduchotechniky nové výrobní haly počítal s řízením

jednotek dle normy ČSN 730540. Tedy přivádět do haly trvale 20 % čerstvého vzduchu v běžném režimu (při teplotách 0 - 26 °C) nebo 10 % ve sníženém režimu při teplotách menších jak 0 °C nebo vyšších jak 26 °C. Jak je vidět z tabulky a grafu (Tab. 7-3 a Obr. 7-3) tepelné ztráty větráním se diametrálně liší dle toho, zda postupovat podle doporučení normy (s čímž počítá i původní projekt) nebo dle prováděcí vyhlášky ke stavebnímu zákonu. Ztráty větráním závisí především na množství přiváděného čerstvého vzduchu, který se musí v jednotkách dohřívat. Jelikož jsou v hale k dispozici čidla CO2 (kapitola 7.4) je ideální řídit množství přiváděného vzduchu dle stavu koncentrace CO 2 v hale, jak říká prováděcí vyhláška č. 268/2009 Sb.. Dle vzorce (6) je potřeba přivádět 3,9 m3/h čerstvého vzduchu na vyrovnání produkce CO2 od přítomných osob (při plném obsazení haly 130 55

ČVUT


osobami), což je mnohem méně než dle normy (9100 m3/h nebo 4550 m3/h). Množství přiváděného čerstvého vzduchu lze řídit nastavením minimálního otevření klapky přívodního vzduchu každé jednotky (kapitola 7.3). To je realizováno vnitřním programem vytvořeným v TAC Menta běžícím na pracovní podstanici TAC Xenta 731 (EXT_II_B1, kapitola 6.2.6). Program pomocí PI regulátoru nastavuje minimální otevření klapky při koncentraci CO2 blížící se 1000 ppm jako maximální hodnoty, kterou požaduje zákon.

Obr. 8-4: Porovnání koncentrace CO2 v nové a staré výrobní hale

Z předchozího grafu (Obr. 8-4) je patrné, že i při zavřených přívodních klapkách (není přiváděn žádný čerstvý venkovní vzduch) se podařilo udržet koncentraci oxidu uhličitého pod požadovanou hranicí. Jak již bylo napsáno výše, stav vnitřního prostředí v nové hale značně ovlivňuje klimatizace starší výrobní haly, se kterou je spojena volným otvorem o rozměrech 48 x 7 m (Obr. 8-1). Přisávání upraveného vzduchu ze staré výrobní haly dokázalo udržet koncentraci oxidu uhličitého pod maximální přípustnou hranicí. Regulace 6-ti vzduchotechnických jednotek staré haly funguje dle představ firmy a není vhodné do ní zasahovat. Jelikož ve starší hale vzniká přetlak (poddimenzované odvodní ventilátory) je část vzduchu přisávána do nové haly. V nové hale navíc neustále běží odvodní ventilátory od technologií (2 x 1500 m3/h), takže naopak vzniká podtlak, který napomáhá přisávání vzduchu ze staré haly.

56

ČVUT

8.3


Výhled do budoucnosti V následují podkapitole jsou uvedeny náměty pro budoucí zlepšení systému MaR

s ohledem na plány firmy v této oblasti.

8.3.1

Měření teplot a CO2 Pro lepší popis chování stavu vnitřního prostředí výrobních hal by se měl vylepšit celý

systém zaznamenávání hodnot použitých čidel. Systém TAC Vista 5 umožňuje logování veškerých veličin nacházejících se v řízeném systému. Pomocí vnitřního systému Reportů ukládat měřené hodnoty pro pozdější vyhodnocení. Touto problematikou se zabývá podrobně Projekt 2 [h] předcházející této práci. V rámci lepšího monitorování stavu vnitřního prostředí haly č. 2 je potřeba zaznamenávat teploty a stav CO2 z jednotlivých čidel rozmístěných pod každou jednotkou RTU (Obr. 7-6) a ne pouze jako celkovou hodnotu pro celou halu, která se využívá pro regulaci jednotek. Z těchto dat by se daly lépe posoudit vlivy jednotlivých jednotek na celkový stav prostředí. Z kapitol 8.1 a 8.2 jasně vyplývá, že nikdy by neměly běžet všechny tři jednotky najednou a tudíž znalost rozdílu teplot koncentrací CO 2 v jednotlivých oblastech určitě přispěje k zlepšení modelu řízení.

8.3.2

Měření spotřeby plynu Vzduchotechnické jednotky v nové hale využívají k ohřevu přiváděného vzduchu

zemní plyn. Měření spotřeby plynu jednotkami pro porovnání potřebného množství plynu na dohřev přiváděného vzduchu k udržení požadované teploty jednou nebo více jednotkami bude jistě také užitečný podklad pro plánování provozu jednotek. V době psaní této práce není systém měření spotřeby plynu ještě k dispozici, ale do budoucna se s ním počítá.

8.3.3

Měření spotřeby elektrické energie Jak ji bylo řečeno v kapitole 6.2.6 pro systém TAC Vista 5 jsou k dispozici v objektu

tři přístroje měřící spotřebu elektrické energie. Jeden měří spotřebu kompresorů pro výrobu stlačeného vzduchu pro výrobní linky a zbylé dva celkovou spotřebu vzduchotechnických jednotek ve výrobních halách (PM9C (kapitola 3.3) pro halu č. 1 a jistič Compact NSX

57

ČVUT


(kapitola 3.4) pro halu č. 2). Do budoucna se nepočítá s přidání dalších přístrojů pro měření spotřeby elektrické energie. Nicméně podrobnější sledování a záznam (v podobě reportů) spotřeb jednotlivých hal již v tomto stavu instalace, by poskytl cenné údaje např. o spotřebách jednotek v nové hale při náběhu či při běhu odvodních ventilátorů (kapitola 8.3.4).

8.3.4

Ovládání odvodních ventilátorů Ve výrobní hale č. 2 se dále nachází 5 odvodních střešních ventilátorů, které nejsou

spojeny se systémem TAC Vista 5. Jedná se o dva ventilátory s dvoustupňovou regulací (7400/3700 m3/h) a tři ventilátory s pevným chodem (18400 m3/h). V současné době se dají ovládat pouze manuálně, bez návaznosti na systém MaR. Po jejich napojení na řídící systém TAC Vista 5, by jejich využití bylo spíše v letním období např. pro free-cooling (přívod 100 % čerstvého vzduchu). V zimním období většinu vzduchu cirkulujeme (jak vyplývá z předešlých kapitol), tudíž není potřeba odvádět větší množství vzduchu z haly, který by musel nahradit vzduch venkovní.

58

ČVUT

Závěr

9

Závěr Předmětem práce byl návrh úsporných opatření pro řízení technologií ovládaných

systémem MaR ve výrobním závodě firmy Schneider Electric v Písku. V průběhu práce bylo rozhodnuto, že předmětem zájmu bude nově přistavěná výrobní hala a ovládání nainstalovaných klimatizačních jednotek. Za tímto účelem byly nastudovány příslušné normy a zákony týkající se vnitřního prostředí budov a dále také veškerá dostupná technická dokumentace haly a jednotek. Jedním z požadavků zadaní bylo také posouzení vhodnosti instalace regulátoru čtvrthodinového maxima. Jak je již uvedeno v úvodu, práce se zabývá řízením vzduchotechnických jednotek, jejichž řízení je velmi omezené a časté vypínání a zapínání způsobuje problémy v komunikaci, je tedy použití regulátoru čtvrthodinového maxima v tomto případě nevhodné. Dle příslušných norem a zákonů byly spočteny tepelné ztráty haly a bylo zjištěno, že celá vzduchotechnická instalace je značně předimenzovaná. K pokrytí tepelných ztrát při návrhu větrání dle ČSN 730540 postačí do teploty 3°C v provozu dvě jednotky nebo dle prováděcí vyhlášky č. 268/2009 Sb. ke stavebnímu zákonu jedna jednotka při teplotách vyšších než -14°C. Vzhledem ke přítomnosti čidel koncentrace CO 2 je doporučeno řídit provoz vzduchotechnických jednotek dle vyhlášky tak, aby se dodržela koncentrace oxidu uhličitého pod 1000 ppm, jak požaduje zákon. Provozem co nejmenšího počtu jednotek dosáhneme snížení spotřeby elektrické energie. Spotřeba zemního plynu pro dohřev přiváděného vzduchu se bude moci lépe analyzovat až po zprovoznění systému měření spotřeby zemního plynu. V současné době jsou k dispozici pouze měsíční odečty pro celý závod. K potvrzení teoretických předpokladů pro řízení je potřeba více naměřených dat, které nám dají obraz o chování budovy během celého roku. V současné době tyto údaje nejsou k dispozici. Jak je uvedeno v předchozí kapitole jednou z priorit do budoucna by mělo být tedy dokončení systému archivace měřených dat v systému TAC Vista 5, k jejich pozdější analýze. Hodnoty stavu vnitřního prostředí spolu se záznamy spotřeby zemního plynu v budoucnu poskytnou cenné informace o chování výrobní haly během roku. Dále je třeba se přesvědčit o působení starší výrobní haly a okolních kanceláří na stav vnitřního prostředí 59

ČVUT

Závěr

v hale, vzhledem ke stavu koncentrace CO2 a potřeby větrání a provozu vzduchotechnických jednotek.

60

ČVUT

10 [1]

Literatura

Literatura GÁBOR, Patrik. Projekt 1: Systém úspory energií (Power monitoring v rámci MaR). Praha, 2011. Semestrální práce. ČVUT. Vedoucí práce doc. Ing. Antonín Platil, Ph.D.

[2]

GÁBOR, Patrik. Projekt 2: Systém úspory energií (Power monitoring v rámci MaR). Praha, 2011. Semestrální práce. ČVUT. Vedoucí práce doc. Ing. Antonín Platil, Ph.D.

[3]

SCHNEIDER ELECTRIC. Riešenia pre inteligentné budovy [online]. 2009 [cit. 201202-21]. Dostupné z: www.schneider-electric.sk

[4]

TAC AB. TAC Menta: Technical manual [online]. 2008 [cit. 2012-02-21]. Dostupné z: www.tac.com

[5]

TAC AB. TAC Xenta 711/731 [online]. 2007 [cit. 2012-02-21]. Dostupné z: www.tac.com

[6]

TAC AB. TAC Xenta 711/731: Operating manual [online]. 2007 [cit. 2012-02-21]. Dostupné z: www.tac.com

[7]

TAC AB. TAC Xenta: TAC Xenta 400 I/O Modules [online]. 2003 [cit. 2012-02-21]. Dostupné z: www.tac.com

[8]

SCHNEIDER ELECTRIC. PowerLogic System: Catalogue [online]. 2006 [cit. 201202-21]. Dostupné z: www.schneider-electric.com

[9]

SCHNEIDER ELECTRIC. PM9C [online]. 2011 [cit. 2012-02-21]. Dostupné z: www.schneider-electric.com

[10]

SCHNEIDER ELECTRIC. Modbus Compact NSX: User manual [online]. 2009 [cit. 2012-02-21]. Dostupné z: www.schneider-electric.com

[11]

SCHNEIDER ELECTRIC. PowerLogic EGX300: integrated gateway-server [online]. 2008 [cit. 2012-02-21]. Dostupné z: www.schneider-electric.com

[12]

SCHNEIDER ELECTRIC. SCR100 [online]. 2009 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: www.schneider-electric.com

[13]

Modbus application protocol specification [online]. 2006 [cit. 2012-02-21]. Dostupné z: www.Modbus-IDA.org

[14]

Modbus over Serial Line: Specification and Implementation Guide [online]. 2006 [cit. 2012-02-21]. Dostupné z: www.modbus.org

[15]

Modbus Messaging on TCP/IP Implementation Guide [online]. 2004 [cit. 2012-0227]. Dostupné z: www.Modbus-IDA.org 61

ČVUT [16]

Literatura VOJÁČEK, Antonín. Sběrnice LonWorks. Automatizace.hw.cz [online]. 2005[cit. 2012-02-27]. Dostupné z: http://automatizace.hw.cz/clanek/2005040501

[17]

ČERNÝ CSC., Prof. Ing. Václav, et al. Ročenka Elektro : Elektrotechnická příručka. Praha : FCC Public, 1995. 236 s.

[18]

KOTRBATÝ, Ing. Miroslav. Vytápění průmyslových a velkoprostorových objektů: I XIV. TZB-info [online]. 2006 [cit. 2012-05-08]. Dostupné z: www.tzb-info.cz

62

Příloha A Kompletní půdorys výrobního závodu

Příloha B Protokoly výpočtů jednotlivých neprůsvitných konstrukcí

ZÁKLADNÍ KOMPLEXNÍ TEPELNĚ TECHNICKÉ POSOUZENÍ STAVEBNÍ KONSTRUKCE podle ČSN EN ISO 13788, ČSN EN ISO 6946, ČSN 730540 a STN 730540 Teplo 2010

Název úlohy : Zpracovatel : Zakázka : Datum :

Vnější stěna Patrik Gábor Písek 20.3.2012

KONTROLNÍ TISK VSTUPNÍCH DAT : Typ hodnocené konstrukce : Korekce součinitele prostupu dU :

Stěna 0.100 W/m2K

Skladba konstrukce (od interiéru) : Číslo

1 2 3 4

Název

D[m]

Trapézové plec Nobasid Zinek Trapézové plec

L[W/mK]

0.0008 0.1000 0.0010 0.0006

50.0000 0.0440 110.0000 50.0000

C[J/kgK]

870.0 840.0 380.0 870.0

Ro[kg/m3]

7850.0 175.0 7200.0 7850.0

Mi[-]

1720.0 1.9 1000000.0 1720.0

Okrajové podmínky výpočtu : Tepelný odpor při přestupu tepla v interiéru Rsi : dtto pro výpočet kondenzace a povrch. teplot Rsi : Tepelný odpor při přestupu tepla v exteriéru Rse : dtto pro výpočet kondenzace a povrch. teplot Rse :

0.13 m2K/W 0.25 m2K/W 0.04 m2K/W 0.04 m2K/W

Návrhová venkovní teplota Te : Návrhová teplota vnitřního vzduchu Tai : Návrhová relativní vlhkost venkovního vzduchu RHe : Návrhová relativní vlhkost vnitřního vzduchu RHi :

-17.0 C 20.5 C 85.0 % 55.0 %

Měsíc

Délka[dny]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

Tai[C]

20.5 20.5 20.5 21.5 22.5 22.5 22.5 22.5 22.5 21.5 20.5 20.5

RHi[%]

55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0

Pi[Pa]

1325.6 1325.6 1325.6 1409.6 1498.2 1498.2 1498.2 1498.2 1498.2 1409.6 1325.6 1325.6

Te[C]

-2.2 -0.7 3.1 7.6 12.7 16.0 17.6 16.9 13.3 8.1 3.0 -0.6

RHe[%]

81.2 80.7 79.5 77.5 74.5 71.9 70.3 71.0 74.1 77.3 79.5 80.7

Pe[Pa]

412.9 465.0 606.4 808.6 1093.5 1306.6 1414.1 1366.3 1131.2 834.5 602.1 468.9

Pro vnitřní prostředí byla uplatněna přirážka k vnitřní relativní vlhkosti : 5.0 % Výchozí měsíc výpočtu bilance se stanovuje výpočtem dle ČSN EN ISO 13788. Počet hodnocených let : 1

TISK VÝSLEDKŮ VYŠETŘOVÁNÍ : Tepelný odpor a součinitel prostupu tepla dle ČSN EN ISO 6946: Tepelný odpor konstrukce R : Součinitel prostupu tepla konstrukce U : Součinitel prostupu zabudované kce U,kc :

1.79 m2K/W 0.509 W/m2K 0.53 / 0.56 / 0.61 / 0.71 W/m2K

Uvedené orientační hodnoty platí pro různou kvalitu řešení tep. mostů vyjádřenou přibližnou přirážkou dle poznámek k čl. B.9.2 v ČSN 730540-4.

Ma[kg/m2]

0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Difuzní odpor konstrukce ZpT : Teplotní útlum konstrukce Ny* : Fázový posun teplotního kmitu Psi* :

5.3E+0012 m/s 19.7 2.0 h

Teplota vnitřního povrchu a teplotní faktor dle ČSN 730540 a ČSN EN ISO 13788: Vnitřní povrchová teplota v návrhových podmínkách Tsi,p : Teplotní faktor v návrhových podmínkách f,Rsi,p :

16.00 C 0.880

Číslo měsíce

Vypočtené hodnoty

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Minimální požadované hodnoty při max. rel. vlhkosti na vnitřním povrchu: --------- 80% --------- -------- 100% --------Tsi,m[C]

f,Rsi,m

Tsi,m[C]

f,Rsi,m

Tsi[C]

14.6 14.6 14.6 15.5 16.5 16.5 16.5 16.5 16.5 15.5 14.6 14.6

0.738 0.720 0.659 0.570 0.385 0.073 ----------0.345 0.554 0.661 0.719

11.2 11.2 11.2 12.1 13.0 13.0 13.0 13.0 13.0 12.1 11.2 11.2

0.588 0.559 0.463 0.323 0.032 --------------------0.297 0.466 0.557

17.8 18.0 18.4 19.8 21.3 21.7 21.9 21.8 21.4 19.9 18.4 18.0

Poznámka:

f,Rsi

0.880 0.880 0.880 0.880 0.880 0.880 0.880 0.880 0.880 0.880 0.880 0.880

RHsi[%]

65.2 64.4 62.6 61.0 59.1 57.7 57.0 57.3 58.8 60.7 62.7 64.4

RHsi je relativní vlhkost na vnitřním povrchu, Tsi je vnitřní povrchová teplota a f,Rsi je teplotní faktor.

Difuze vodní páry v návrhových podmínkách a bilance vlhkosti dle ČSN 730540: (bez vlivu zabudované vlhkosti a sluneční radiace) Průběh teplot a tlaků v návrhových okrajových podmínkách: rozhraní:

tepl.[C]: p [Pa]: p,sat [Pa]:

i

16.8 1326 1917

1-2

2-3

3-4

16.8 -16.4 -16.4 1324 1324 118 1917 144 144

e

-16.4 116 144

Při venkovní návrhové teplotě dochází v konstrukci ke kondenzaci vodní páry. Kond.zóna číslo

1

Hranice kondenzační zóny levá [m] pravá

0.1007

0.1007

Kondenzující množství vodní páry [kg/m2s]

1.596E-0007

Celoroční bilance vlhkosti: Množství zkondenzované vodní páry Mc,a: 1.584 kg/m2,rok Množství vypařitelné vodní páry Mev,a: 0.690 kg/m2,rok Ke kondenzaci dochází při venkovní teplotě nižší než 15.0 C. Bilance zkondenzované a vypařené vlhkosti dle ČSN EN ISO 13788: Roční cyklus č. 1 V konstrukci dochází během modelového roku ke kondenzaci. Kondenzační zóna č. 1 Hranice kondenzační zóny Měsíc levá [m] pravá

10 11 12 1 2 3 4 5 6 7

0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007

0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007 0.1007

Akt.kond./vypař. Gc [kg/m2s]

4.25E-0008 7.48E-0008 9.84E-0008 1.08E-0007 9.91E-0008 7.40E-0008 4.73E-0008 2.03E-0009 -4.48E-0008 -7.08E-0008

Akumul.vlhkost Ma [kg/m2]

0.1137 0.3075 0.5712 0.8613 1.1010 1.2993 1.4220 1.4274 1.3113 1.1216

8 9

0.1007 0.1007

0.1007 0.1007

Maximální množství kondenzátu Mc,a:

-5.92E-0008 -5.86E-0009

0.9632 0.9480

1.4274 kg/m2

Na konci modelového roku je zóna stále vlhká (tj. Mc,a > Mev,a). Poznámka: Hodnocení difuze vodní páry bylo provedeno pro předpoklad 1D šíření vodní páry převažující skladbou konstrukce. Pro konstrukce s výraznými systematickými tepelnými mosty je výsledek výpočtu jen orientační. Přesnější výsledky lze získat s pomocí 2D analýzy.

STOP, Teplo 2010



Stropní konstrukce Patrik Gábor Písek 20.3.2012


Stěna 0.100 W/m2K


1 2 3 4 5

Název

D[m]

Trapézové plec Al folie 1 Rockwool Spodr Rockwool Dachr Asfaltový nátě

L[W/mK]

0.0007 0.0000 0.0800 0.0600 0.0000

C[J/kgK]

50.0000 870.0 204.0000 870.0 0.0430 840.0 0.0450 840.0 0.2100 1470.0

Ro[kg/m3]

7850.0 2700.0 138.0 175.0 1400.0

Mi[-]

1720.0 500000.0 4.0 4.0 280.0

Okrajové podmínky výpočtu : Tepelný odpor při přestupu tepla v interiéru Rsi : dtto pro výpočet kondenzace a povrch. teplot Rsi : Tepelný odpor při přestupu tepla v exteriéru Rse : dtto pro výpočet kondenzace a povrch. teplot Rse :

0.13 m2K/W 0.25 m2K/W 0.04 m2K/W 0.04 m2K/W


-17.0 C 20.5 C 85.0 % 55.0 %

Měsíc

Délka[dny]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

Tai[C]

21.0 21.0 21.0 22.0 23.0 23.0 23.0 23.0 23.0 22.0 21.0 21.0

RHi[%]

55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0 55.0

Pi[Pa]

1367.1 1367.1 1367.1 1453.3 1544.3 1544.3 1544.3 1544.3 1544.3 1453.3 1367.1 1367.1

Te[C]

-2.2 -0.7 3.1 7.6 12.7 16.0 17.6 16.9 13.3 8.1 3.0 -0.6

RHe[%]

81.2 80.7 79.5 77.5 74.5 71.9 70.3 71.0 74.1 77.3 79.5 80.7

Pe[Pa]

412.9 465.0 606.4 808.6 1093.5 1306.6 1414.1 1366.3 1131.2 834.5 602.1 468.9

Pro vnitřní prostředí byla uplatněna přirážka k vnitřní relativní vlhkosti : 5.0 % Výchozí měsíc výpočtu bilance se stanovuje výpočtem dle ČSN EN ISO 13788. Počet hodnocených let : 1


2.35 m2K/W 0.397 W/m2K 0.42 / 0.45 / 0.50 / 0.60 W/m2K

Uvedené orientační hodnoty platí pro různou kvalitu řešení tep. mostů vyjádřenou přibližnou

Ma[kg/m2]

0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

přirážkou dle poznámek k čl. B.9.2 v ČSN 730540-4.

Difuzní odpor konstrukce ZpT : Teplotní útlum konstrukce Ny* : Fázový posun teplotního kmitu Psi* :

1.4E+0011 m/s 28.8 3.0 h

Teplota vnitřního povrchu a teplotní faktor dle ČSN 730540 a ČSN EN ISO 13788: Vnitřní povrchová teplota v návrhových podmínkách Tsi,p : Teplotní faktor v návrhových podmínkách f,Rsi,p :

16.95 C 0.905

Číslo měsíce

Vypočtené hodnoty

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Minimální požadované hodnoty při max. rel. vlhkosti na vnitřním povrchu: --------- 80% --------- -------- 100% --------Tsi,m[C]

f,Rsi,m

Tsi,m[C]

f,Rsi,m

Tsi[C]

15.0 15.0 15.0 16.0 16.9 16.9 16.9 16.9 16.9 16.0 15.0 15.0

0.743 0.725 0.667 0.583 0.413 0.136 -----0.008 0.376 0.568 0.669 0.724

11.6 11.6 11.6 12.5 13.5 13.5 13.5 13.5 13.5 12.5 11.6 11.6

0.596 0.568 0.476 0.344 0.075 ---------------0.018 0.320 0.479 0.566

18.8 18.9 19.3 20.6 22.0 22.3 22.5 22.4 22.1 20.7 19.3 19.0

Poznámka:

f,Rsi

0.905 0.905 0.905 0.905 0.905 0.905 0.905 0.905 0.905 0.905 0.905 0.905

RHsi[%]

63.0 62.5 61.1 59.8 58.4 57.3 56.7 57.0 58.2 59.6 61.1 62.4

RHsi je relativní vlhkost na vnitřním povrchu, Tsi je vnitřní povrchová teplota a f,Rsi je teplotní faktor.

Difuze vodní páry v návrhových podmínkách a bilance vlhkosti dle ČSN 730540: (bez vlivu zabudované vlhkosti a sluneční radiace) Průběh teplot a tlaků v návrhových okrajových podmínkách: rozhraní:

tepl.[C]: p [Pa]: p,sat [Pa]:

i

17.8 1326 2038

1-2

2-3

3-4

4-5

e

17.8 1271 2038

17.8 142 2038

-2.2 127 508

-16.6 116 142

-16.6 116 142

Při venkovní návrhové teplotě nedochází v konstrukci ke kondenzaci vodní páry. Množství difundující vodní páry Gd : 9.037E-0009 kg/m2s Bilance zkondenzované a vypařené vlhkosti dle ČSN EN ISO 13788: Roční cyklus č. 1 V konstrukci nedochází během modelového roku ke kondenzaci. Poznámka: Hodnocení difuze vodní páry bylo provedeno pro předpoklad 1D šíření vodní páry převažující skladbou konstrukce. Pro konstrukce s výraznými systematickými tepelnými mosty je výsledek výpočtu jen orientační. Přesnější výsledky lze získat s pomocí 2D analýzy.

STOP, Teplo 2010



Podlaha Patrik Gábor Písek 20.3.2012


Podlaha - výpočet poklesu dotykové teploty 0.100 W/m2K


1 2 3

Název

Železobeton 2 IPA Hlína suchá

D[m]

0.1500 0.0050 0.0300

L[W/mK]

1.5800 0.2100 0.7000

C[J/kgK]

1020.0 1470.0 750.0

Ro[kg/m3]

2400.0 1280.0 1600.0

Mi[-]

29.0 18570.0 1.5

Okrajové podmínky výpočtu : Tepelný odpor při přestupu tepla v interiéru Rsi : Tepelný odpor při přestupu tepla v exteriéru Rse :

0.17 m2K/W 0.00 m2K/W


5.0 C 20.5 C 85.0 % 55.0 %


0.15 m2K/W 3.115 W/m2K 3.13 / 3.16 / 3.21 / 3.31 W/m2K


Difuzní odpor konstrukce ZpT :

5.2E+0011 m/s

Teplota vnitřního povrchu a teplotní faktor dle ČSN 730540 a ČSN EN ISO 13788: Vnitřní povrchová teplota v návrhových podmínkách Tsi,p : Teplotní faktor v návrhových podmínkách f,Rsi,p : Pokles dotykové teploty podlahy dle ČSN 730540: Tepelná jímavost podlahové konstrukce B : Pokles dotykové teploty podlahy DeltaT : STOP, Teplo 2010

1966.68 Ws/m2K 13.04 C

11.71 C 0.433

Ma[kg/m2]

0.0000 0.0000 0.0000



Podlaha s doplňkovou izolací Patrik Gábor Písek 23.3.2012


Podlaha - výpočet poklesu dotykové teploty 0.100 W/m2K


1 2 3 4

Název

Železobeton 2 IPA Extrudovaný po Hlína suchá

D[m]

0.1500 0.0051 0.0600 0.0300

L[W/mK]

1.5800 0.2100 0.0340 0.7000

C[J/kgK]

1020.0 1470.0 2060.0 750.0

Ro[kg/m3]

2400.0 1280.0 30.0 1600.0

Mi[-]

29.0 18570.0 100.0 1.5

Okrajové podmínky výpočtu : Tepelný odpor při přestupu tepla v interiéru Rsi : Tepelný odpor při přestupu tepla v exteriéru Rse :

0.17 m2K/W 0.00 m2K/W


-17.0 C 20.5 C 85.0 % 55.0 %


1.56 m2K/W 0.577 W/m2K 0.60 / 0.63 / 0.68 / 0.78 W/m2K


Difuzní odpor konstrukce ZpT :

5.6E+0011 m/s

Teplota vnitřního povrchu a teplotní faktor dle ČSN 730540 a ČSN EN ISO 13788: Vnitřní povrchová teplota v návrhových podmínkách Tsi,p : Teplotní faktor v návrhových podmínkách f,Rsi,p : Pokles dotykové teploty podlahy dle ČSN 730540: Tepelná jímavost podlahové konstrukce B : Pokles dotykové teploty podlahy DeltaT : STOP, Teplo 2010

1966.68 Ws/m2K 9.91 C

15.44 C 0.865

Ma[kg/m2]

0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Systém úspory energií (Power monitoring v rámci MaR)

Recommend Documents