Системы кондиционирования воздуха

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное учреждение высшего профессионального  образования

Пермский научный исследовательский  политехнический университет

Реферат

 по дисциплине «Теория управления»

на тему:

«Системы кондиционирования воздуха»

Выполнил:

студент ГНФ группы БЖт-10-1з

Сироткина И.А

Проверил:

Трефилов В.А

г. Пермь, 2013

Содержание

1. Системы кондиционирования воздуха и их виды
2. Автоматический контроль и управление системами вентиляции и кондиционирования воздуха
3. Расчет систем кондиционирования воздуха с центральными кондиционерами и фэнкойлами
4. Литература
5. Приложение

1. Системы кондиционирования воздуха и их виды

Само понятие «кондиционирование»  включает в себя создание и поддержание  в более-менее автоматизированном режиме заданных температурных параметров воздуха в закрытых (от воздействия  «уличного» воздуха) помещениях для  создания оптимальных условий для  обеспечения:

- жизнедеятельности людей;

- условий для нормальной  работы оборудования;

- сохранности материалов.

Сюда же, с известной  долей условности, можно отнести  и влажностные параметры (в зависимости  от характеристик используемых систем) воздуха, а также чистоту и  скорость перемещения воздуха.

Различаются два принципиально  различных вида кондиционирования:

1. комфортное — осуществляется для создания и поддержания оптимальных, или, скажем так, нормальных температурно-влажностных условий (параметры определяются СНиП, индивидуальными потребностями);
2. технологическое — применяется при создании искусственных условий для обеспечения определенного технологического процесса, либо для хранения определенных материалов.

Исходя из поставленных задач, типа и особенностей расположения кондиционируемых помещений, имеющихся материальных ресурсов кондиционирование осуществляется рассчитанным специально под конкретную задачу и исходя из имеющихся возможностей типом кондиционеров.

Спектр видов и типов  кондиционеров довольно широк. И  хотя границы, разделяющие различные  модели кондиционеров порой весьма условны, тем не менее, они существуют.

По производительности кондиционеры обычно делят на три группы.

1. Для кондиционирования  небольших помещений используются  бытовые кондиционеры — категория  RAC (Room Air Condition). К бытовым кондиционерам принято относить моно и сплит-системы производительностью до 6—8 кВт.

Как правило, бытовыми сплит-системами  называют настенные модели кондиционеров, хотя на рынке присутствуют в достаточном  количестве и кассетные и канальные  и универсальные модели указанной  мощности.

2. Для кондиционирования  помещений площадью от 60—80 м²  до 200—300 м² применяют полупромышленные  кондиционеры — класс PAC (Packaged Air Condition).

К этим системам кондиционирования  обычно относят все сплит-системы  канального, кассетного, напольно-потолочного  и настенного типа мощностью более 6 кВт (по некоторым классификаторам  — более 8 кВт).

Раз мощность кондиционеров  выше, значит, есть возможность удалить  внешний блок на достаточное расстояние; многие модели (штатно) оборудованы  также устройствами защиты для кондиционирования  при отрицательных внешних температурах

3. Для централизованного  кондиционирования помещений большой  площади (зданий или целого  ряда помещений) с помощью одной  системы кондиционирования и  вентиляции (СКВ) применяют промышленные  модели кондиционеров (Unitary). К ним относят системы мощностью свыше 20—25 кВт.

Бытовые и полупромышленные системы кондиционирования воздуха  делятся, помимо мощности (производительности) и способа управления, по конструктивному  исполнению на моноблоки и сплит-системы.

Остановимся на них подробней.

Моноблоки

К бытовым и полупромышленным моноблокам относятся оконные и  мобильные (напольные) кондиционеры.

Оконные кондиционеры

Оба теплообменника (конденсатор  и испаритель) и компрессор размещены  в одном компактном блоке. Холодильный  контур герметичен. Устанавливается, как  правило, в окно, отсюда и название, хотя можно вставить в любой проём, более или менее подходящий по размерам. Можно и в достаточно тонкой стене подходящее по размерам отверстие пробить.

Монтаж, при наличии элементарных плотницко-столярных навыков и минимума инструментов, достаточно прост.

И если по цене оконный кондиционер, скажем так, наиболее демократичен, есть у этой системы кондиционирования  и недостатки.

Поскольку компрессор размещен в блоке (а блок — в помещении), уровень шума значительно повышен, да и внешний вид не всегда соответствует  требованиям взыскательного клиента.

При монтаже оконника в оконном проеме опять же возникают проблемы: уменьшается освещенность, нельзя закрыть окно плотной шторкой или жалюзи — иначе кондиционер начнет холодить именно то пространство, которое Вы этой шторкой огородили. При монтаже оконного кондиционера в окно, оснащенное стеклопакетом, возникают дополнительные сложности.

Мобильные (напольные) кондиционеры

Как и предыдущая модель, состоит из одного блока, теплый воздух от конденсатора кондиционера выводится  из помещения в специально приготовленное отверстие или форточку (дверь) на улицу, обычно с помощью гофрированного воздуховода диаметром до 200 мм. Уровень  шума повышен, так как компрессор находится тут же — в блоке. Производительность тоже невысока —  вытяжной воздуховод, как правило, не теплоизолирован, да и через приоткрытую форточку (дверь) свободно поступает теплый воздух «с улицы», поэтому при кондиционировании приходится частично «охлаждать атмосферу».

Иногда (при мощности свыше 3—4 кВт) в мобильных кондиционерах  используется стационарный выносной конденсатор, тогда мобильный кондиционер, строго говоря, перестает быть моноблоком, однако остается мобильным, так как вместо жесткой медной трассы соединен с конденсатором гибкими соединительными шлангами с защелками.

Стоимость мобильного кондиционера значительно выше оконного.

То есть,  с одной  стороны, моноблоки являются единственными  системами кондиционирования, которые  можно смонтировать без использования  специального оборудования, не имея специальных  навыков. С другой стороны, кондиционирование  воздуха с использованием оконных  и мобильных кондиционеров, наряду с уже упомянутой легкостью монтажа, относительно недорогой ценой и  известной степенью мобильности, имеет  свои, на наш взгляд серьезные недостатки.

Сплит-системы

В быту сплит-системами называют обычно настенные кондиционеры, хотя, строго говоря, сплит-системой называется любой кондиционер, состоящий из двух блоков — внутреннего и внешнего.

Эти системы кондиционирования  получили свое название от английского  слова «split», смысловой перевод — «раздельный». Состоят из двух блоков — внутреннего, расположенного в помещении и наружного (внешнего), вынесенного на улицу (очень редко — в другое помещение). Компрессор находится во внешнем блоке, поэтому, по сравнению с моноблоками, уровень шума значительно ниже. Блоки соединены между собой электрическим кабелем управления (и электропитания) и медными трубами, по которым циркулирует фреон.

Принцип охлаждения, или, собственно, кондиционирования, основан на испарении  фреона в теплообменнике внутреннего  блока кондиционера (испарителе) —  при этом и происходит охлаждение — и конденсации фреона в теплообменнике наружного (внешнего) блока — конденсаторе.

Если внутренних блоков два  и более — это мульти сплит-система.

По типу внутреннего блока  сплит-системы бывают:

1. настенные;
2. кассетные;
3. канальные;
4. универсальные (напольно-потолочные, настенно-потолочные, потолочные, угловые кондиционеры; различия есть, но условно их можно назвать универсальными);
5. колонные.

Сплит-системы, в свою очередь, бывают обычными и инверторными.

В обычном кондиционере, при постоянно работающем внутреннем блоке, компрессор включается при превышении величины температуры поступающего во внутренний блок воздуха над заданным с пульта управления (ПДУ) значением.

Как только температура поступающего на внутренний блок воздуха достигает  заданного на пульте управления значения, компрессор, по команде с платы  управления внутреннего блока, отключается.

То есть, кондиционер или  холодит, или не холодит. Кондиционирование  происходит при включении компрессора. Температура воздуха, охлаждаемого внутренним блоком (при кондиционировании), величина постоянная и почти не зависит  от значения, заданного на ПДУ (лишь бы оно было меньше температуры в  помещении), а лишь от времени, за которое  кондиционер «войдет в режим» (и от температуры воздуха в  помещении).

Т.е., зададим ли мы на ПДУ  значение +16ºС или +25ºС, при температуре  в помещении +30ºС, эффект будет одинаков.

Кондиционер считается исправным, если разница между воздухом, забираемым во внутренний блок кондиционера и  охлажденным, составляет не менее 10ºС. На практике, в зависимости от типа и модели кондиционера, особенностей монтажа и настройки, разница  может составлять и 20ºС и более.

С инверторными моделями дело обстоит несколько иначе. Название свое они получили от слова «инвертор» — преобразователь. Переменный ток преобразуется в постоянный, компрессор работает от постоянного тока.

Схема управления в инверторе  более сложная, благодаря чему компрессор работает с переменной производительностью. Процесс кондиционирования происходит постоянно, лишь с разной интенсивностью.

Если разница между  заданными и реальными параметрами  температуры большая, компрессор включается на полную мощность, при приближении  температуры воздуха помещения  к заданному с ПДУ значению, мощность охлаждения снижается.

Само по себе это дает выигрыш в потреблении электроэнергии, а также по шуму, уровень которого существенно ниже (за счет использования  двигателя постоянного тока и  за счет того, что большую часть  времени компрессор работает при  минимальных оборотах). Экономия электроэнергии при кондиционировании с использованием инверторной сплит-системы составляет до 30%, в т. ч. и потому, что нет  постоянных пусковых нагрузок. Помимо этого, использование инверторного кондиционера значительно более  комфортно, нет резких перепадов  температуры, меньше шансов простудить сотрудника, члена семьи или себя любимого.

Из минусов:

- инверторы дороже обычных кондиционеров, на модели малой мощности разница в цене почти двукратная. По мере увеличения мощности кондиционера, разница в цене уменьшается, и на 7—8-кВт-ные модели практически одинакова;

- инверторные сплит-системы значительно сложнее по исполнению, поэтому мы настоятельно не рекомендуем использовать при покупке инвертора категорию эконом-класса. Здесь экономия не вполне уместна;

- при покупке инверторного кондиционера следует отдавать себе отчет, что модель более сложная, более требовательная к условиям эксплуатации. Так что, если Вы решите сэкономить на обслуживании, это вряд ли будет оправдано. Ремонт, который может случиться из-за отсутствия обслуживания, тоже вылетит в копеечку.

Виды промышленных кондиционеров:

- мультизональные системы кондиционирования;

- чиллеры и фанкойлы;

- центральные кондиционеры;

- крышные кондиционеры (руфтопы);

- истемы специального кондиционирования, прецизионные кондиционеры.

2. Автоматический контроль  и управление системами вентиляции  и кондиционирования воздуха

 Целью настоящего обзора  является анализ способов управления  системами вентиляции и кондиционирования  воздуха (СВ и КВ) с помощью средств автоматизации. Анализ выполнен на основе опыта эксплуатации систем автоматизации приточных установок и центральных кондиционеров концерна Rosenberg Ventilatoren GmbH и других производителей вентиляционной техники.

Системы автоматизации установок  для обработки воздуха можно  разделить на три основные группы: со специализированными устройствами управления, комплексные и интеллектуальные. Рассмотрим каждую из них.

 1. Системы со специализированными устройствами управления

Эта группа включает: системные  решения с применением стандартных  промышленных регуляторов и реализующие  один алгоритм управления; системные  решения с применением улучшенных промышленных регуляторов, выполняющие  дополнительные функции (например, коррекцию  по температуре теплоносителя или  наружного воздуха).

 В состав системы  автоматизации первой группы  входят (Рис.1):

- щит управления со  встроенным регулятором (центральным  модулем);

- терминал управления  пользователя, установленный на  стенку щита или отнесенный  в рабочую зону помещения; 

- исполнительные механизмы  воздушных клапанов и вентиляторов, термостаты, датчики, реле давления  и др.;

- исполнительные механизмы  двух- или трехходовых клапанов, наружный, комнатный и канальные  датчики температуры, термостат  по обратной воде и др.

 Аппаратура управления  и регулирования выполняет следующие  функции: 

- осуществляет управление  работой вентиляционного агрегата;

- обеспечивает регулирование  процессов подготовки воздуха; 

- контролирует состояние  выносных датчиков и работу  исполнительных механизмов;

- выводит индикацию режимов  работы и аварийную сигнализацию  на терминал управления;

- осуществляет защиту  элементов установок; 

- обеспечивает местное  и дистанционное управление;

- другие функции по  заданию. 

Рис. 1. Пример системы  автоматизации приточно-вытяжной установки

Для таких систем разработана  серия унифицированных щитов  автоматики, которые спроектированы применительно к 10 основным технологическим  схемам обработки воздуха с качественным регулированием параметров.

Системы автоматизации первой группы получили наиболее широкое применение, так как просты в монтаже и  обслуживании. В большинстве случаев контуры регулирования автономны. Технико-экономическая эффективность применения унифицированных щитов автоматики кондиционеров достигается за счет сокращения затрат на проектирование и изготовление оснастки щитов, уменьшения затрат на монтажные и наладочные работы. Опыт эксплуатации позволил выявить ряд недостатков этой группы систем: отсутствие взаимосвязи между работой различных установок, сложность обслуживания установок, расположенных в различных частях зданий, и др.

2. Комплексные  системы 

Ко второй группе относятся  системы с центральным диспетчерским  пультом. Примером такой системы  автоматизации могут служить  локальные сети, в состав которых  входят центральные модули и терминалы управления (Рис.2).

Рис. 2. Локальная  сеть на базе контроллеров аппаратуры управления Airtronic D

Локальные контроллеры автономно  обеспечивают работу одной из CВ или КВ, осуществляют контроль управляющих переменных (температуры, влажности, вводов/выводов, аварийных сигналов). По локальной сети осуществляется передача данных и информации от одного локального контроллера к другому. Контроллеры, подключенные к локальной сети, способны обмениваться информацией между собой, а также использовать общий сетевой ресурс. При отключении или выходе из строя терминала управления управляющая программа контроллера продолжает функционировать, осуществляя непрерывный контроль системы, записывая и архивируя поступающие данные.

3. Интеллектуальные  системы 

К третьей группе относятся  интеллектуальные системы, управляющие  группой СВ и КВ (или всеми системами) и другими инженерными системами зданий (Рис.3).

Рис. 3. Схема управления удаленными модулями

Управление удаленными модулями организуется специализированным программным  продуктом. Программа способна обслуживать  до 800 удаленных систем управления по интерфейсу RS485.

 Основные функции программы: 

- регистрация параметров  работы системы: температуры,  давления, влажности; 

- контроль аварийных  ситуаций;

- планирование действий, которые будут приняты в случае  возникновения аварийной ситуации;

- проверка работоспособности  систем;

- конфигурация параметров  удаленных систем с персональным  компьютером; 

- вывод на дисплей  сообщений с подробным изложением  аварийной ситуации;

- рассылка сообщений  с указанием параметров системы  и аварийных ситуаций в бумажном  и электронном виде;

- связь с удаленными  рабочими станциями и отсылка  SMS сообщений; 

- вывод на печать диаграмм  работы, отчетов, параметров системы; 

- другие функции по  заданию. 

Персональный компьютер (ПК) автоматически контролирует работу и состояние отдельных CВ и  КВ, регулирует параметры воздуха  в кондиционируемых помещениях, оптимизирует работу и осуществляет регистрацию  параметров в различных точках СВ и КВ.

Эффективность работы СКВ  достигается определением оптимальной  в данный момент времени последовательности обработки воздуха в кондиционере по минимуму энергозатрат, оптимизацией работы других агрегатов (например, теплоутилизаторов).

Отметим основную тенденцию  при заказе систем автоматизации  установок: 2–3 года тому назад больше внимания уделялось точности поддержания  внутренних параметров, а вопросы  расходования тепловой и электрической  энергии считались второстепенными. В настоящее время положение  изменилось: первостепенным назначением  систем управления считается обеспечение  оптимальных процессов обработки  воздуха и поддержание необходимых  параметров при минимальных энергозатратах. Благодаря правильной организации режимов работы СВ и КВ можно достигнуть значительной (до 40 %) экономии теплоты и холода и одновременно добиться уменьшения капитальных затрат.

3. Расчет систем кондиционирования  воздуха с центральными кондиционерами  и фэнкойлами

В последние годы в офисных и  многофункциональных зданиях, в  торговых центрах, гостиницах и на других объектах широко применяют системы  кондиционирования воздуха с  центральными кондиционерами, подающими  в помещение некоторый расчетный  объем наружного воздуха, и фэнкойлами в качестве охладителей-доводчиков.

Попробуем разобрать методику расчета  СКВ с фэнкойлами, включая построение процессов обработки воздуха на I-d диаграмме и подбор фэнкойлов, в зависимости от режима их работы.

Для систем кондиционирования воздуха  с местными доводчиками построение процессов на I-d диаграмме принципиально  отличается от построений для центральных  систем, т. к. процесс в доводчиках может идти со значительной осушкой  воздуха, а холодопроизводительность доводчиков зависит от неизвестной  до начала расчета температуры поступающего в них воздуха по сухому и мокрому  термометрам.

Поэтому для систем с доводчиками  нельзя задать на I-d диаграмме точку  с параметрами внутреннего воздуха, а можно указать лишь требуемое  значение температуры и допустимую область значений относительной  влажности или влагосодержания, что делает задачу построения процесса неопределенной.

Рассмотрим одну из наиболее распространенных схем кондиционирования воздуха, например, в офисном помещении или торговом зале (рис.1).

На рисунке 1 приняты следующие  обозначения индексов:

н — параметры приточного наружного  воздуха, подаваемого от центрального кондиционера;

у — параметры воздуха, удаляемого из помещения общеобменной вытяжной системой;

ф — параметры приточного воздуха, подаваемого в помещение фэнкойлами;

уф — параметры воздуха, удаляемого из помещения фэнкойлами;

в — параметры внутреннего воздуха  в обслуживаемой или рабочей  зоне.

Рассматриваемая схема, безусловно, не является какой-то исключительной. Возможно размещение фэнкойлов на или в полу, на стене или под потолком, так же как и подача приточного воздуха у пола (вытесняющая вентиляция) или в рабочую зону, но это не меняет сути решаемой задачи — обеспечить требуемые параметры воздуха, включая, кроме указанных, его качество и подвижность в обслуживаемой зоне.

Составим тепловлажностный баланс для рассматриваемого помещения, который в общем случае имеет вид:

Количество сухой части приточного или удаляемого воздуха определяется по формуле

Поскольку значения влагосодержания  обычно невелики (0,008–0,012 кг/(кг св)), то уравнения (1) и (2) можно записать в виде:

где G — количество воздуха, кг/ч;

I — энтальпия воздуха, кДж/(кг  св);

d — влагосодержание воздуха,  г/(кг св);

SQ_пол — суммарные полные теплоизбытки в помещении, кДж/ч;

W — суммарные влаговыделения в помещении, кг/ч.

Для определения энтальпии воздуха  необходимо знать его температуру, поэтому формулы (4) и (5) обычно дополняют  равенством:

где SQ_явн — суммарные явные теплоизбытки в помещении, кДж/ч.

Из уравнений (4) и (5) нетрудно получить формулы для расчета количества воздуха, подаваемого фэнкойлами, при условии, что G_н = G_у:

Аналогичную формулу можно получить и из уравнения (6), но поскольку процессы в помещении и в фэнкойлах идут с изменением влагосодержания воздуха, то дальнейший расчет следует выполнять по формуле (7).

В приведенных выше уравнениях нет  двух параметров, которые интересуют нас в первую очередь и являются нормируемыми или требуемыми: температуры  t_рз и относительной влажности j_рз в рабочей или обслуживаемой зоне.

Обычно для связи параметров воздуха в рабочей зоне с параметрами  приточного и удаляемого воздуха  используют коэффициенты воздухообмена  К_t и K_d [1]:

Причем для рассматриваемых  систем кондиционирования воздуха  необходимо вводить по два разных значения: К_t и K_d (отдельно для центрального кондиционера и для фэнкойлов). В общем случае значения коэффициентов воздухообмена зависят от способа организации воздухообмена, типа воздухораспределителей, расположения приточных и вытяжных отверстий относительно друг друга и источников выделения тепла и вредностей и ряда других факторов.

Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены  Г. М. Позиным. Однако для офисных и многофункциональных зданий при высоте помещений 2,8–3,5 м и при схеме организации воздухообмена сверху-вверх надо очень хорошо подобрать и расположить приточные и вытяжные плафоны, чтобы получить К_t = 1. Даже при вытесняющей вентиляции при подаче приточного воздуха непосредственно у пола значения К_t для офиса и зала заседаний, рассчитанные при высоте обслуживаемой зоны 1,8 м, не превышают 1,25 м.

В любом случае, используя коэффициент  воздухообмена или полагаясь  на личный опыт, проектировщик должен принять значения температур t_у и t_уф с учетом температуры воздуха в рабочей зоне и размещения вытяжных плафонов и фэнкойлов. Расчет полных теплопоступлений от людей, освещения, оргтехники, компьютеров и солнечной радиации, а также влаговыделений не требует каких-то пояснений (рисунки 2 и 3 приложения).

Расчетный объем наружного воздуха  следует определять как:

• минимальный, требуемый по санитарным нормам;

• необходимый для компенсации местных отсосов и создания подпора в кондиционируемом помещении;