Część 2. Sterowanie instalacjami HVACR

Rys. 2. Układ sterowania kotłem grzewczym

Zadanie sterowania pracą instalacji HVACR nie jest proste - optymalne nastawy jej urządzeń zależą od wielu czynników. Są to, oprócz warunków w pomieszczeniu (temperatura, wilgotność, stężenie zanieczyszczeń), również parametry otoczenia, samej instalacji i procesów w niej zachodzących (na przykład spalania paliwa w kotle).

Nie wystarczy też, aby efekt grzania, chłodzenia lub wentylacji satysfakcjonował użytkowników. Powinien on być jednocześnie osiągnięty w sposób jak najefektywniejszy ekonomicznie oraz jak najmniej dokuczliwy dla środowiska. Jak cele te można osiągnąć, przedstawiamy na przykładzie systemów sterowania wybranymi podinstalacjami grzania/chłodzenia, wentylacji i klimatyzacji.

Regulatory dwustanowe w sterowaniu kotłami

Rys. 3. Charakterystyka przełączania palnika kotła

Na rysunku 2a zamieszczono przykład układu sterowania kotłem grzewczym, którego częściami są: termostat oraz ogranicznik temperatury. Ten pierwszy składa się ze sterownika dwustanowego i czujnika (rys. 2b). Kiedy temperatura wody w kotle maleje poniżej dolnej wartości granicznej, sterownik włącza palnik podgrzewający to medium. Gdy jego temperatura wzrośnie do górnej wartości progowej, palnik zostaje wyłączony. Charakterystykę przełączania przedstawia rysunku 3. Górna wartość graniczna jest równa z wymaganą temperaturą wody w kotle. W urządzeniach chłodzących jest inaczej - wartość zadana odpowiada dolnej wartości progowej histerezy. Ta ostatnia ma szerokość zazwyczaj kilku stopni. Dostępne są również termostaty z regulowaną szerokością pętli histerezy.

Ogranicznik temperatury jest zabezpieczeniem, które wyłącza palnik, gdy temperatura wody w kotle jest zbyt wysoka. Spotyka się dwa rodzaje tych urządzeń. Jedne z nich może odblokować wyłącznie ręcznie operator po sprawdzeniu oraz rozwiązaniu problemu, którego skutkiem była aktywacja ogranicznika. Inne resetowane są automatycznie, kiedy temperatura wody w kotle zmaleje do dopuszczalnej wartości. Palnik jest też od razu wyłączany, gdy wykryte zostanie uszkodzenie termostatu.

Zarządzanie wieloma kotłami optymalnie

Pozornie sterowanie instalacją grzewczą złożoną z kilku kotłów wydaje się proste: stosownie do potrzeb cieplnych ogrzewanego obiektu należy włączać lub wyłączać kolejne z nich. W praktyce, jeżeli celem jest oszczędność energii i jak najdłuższa żywotność instalacji, zadanie to się komplikuje.

Przede wszystkim trzeba unikać zbyt częstego uruchamiania kotłów, by ograniczyć straty energii zużywanej przy włączaniu i wyłączaniu tych urządzeń na m.in. zamknięcie / otwarcie zaworów i włączanie / wyłączanie pomp tłoczących medium grzewcze. Podgrzewacza nie powinno się także wyłączać zbyt szybko. Inaczej stwarza się warunki sprzyjające korozji ścian jego komory spalania. Kondensat, który powstaje w wyniku skroplenia się pary wodnej ze spalin, zawierający substancje żrące, na przykład kwas siarkowy, nie zdąży bowiem wówczas wyparować. Kocioł, który jeszcze całkiem nie ostygł, szybciej też rozgrzeje się ponownie. Z drugiej strony, aby nie tracić przy okazji energii bez potrzeby, uruchomienie dodatkowego podgrzewacza powinno być zawsze uzasadnione.

Jak bezpiecznie podgrzać wodę?

Aby proces spalania paliwa zasilającego kocioł przebiegał nie tylko efektywnie, ale i był bezpieczny, spełnić trzeba kilka warunków. Przede wszystkim należy pilnować, aby doszło do zapłonu, a potem, żeby spalanie trwało bez przerw, aż do wypalenia się surowca energetycznego. Jeżeli pierwszy warunek nie zostanie spełniony lub płomień zgaśnie w trakcie, zawór doprowadzający paliwo do kotła powinien zostać natychmiast zamknięty. W razie innych problemów także trzeba wyłączyć palnik.

Realizuje się to w następujący sposób: Od chwili otwarcia dopływu paliwa system nadzoru palnika odczekuje przez pewien, wcześniej ustalony, czas na sygnał z detektora płomienia. Jeśli nie zostanie on zarejestrowany, zawór, którym doprowadzany jest na przykład gaz lub olej zostaje zamknięty. W przeciwnym razie następnie sprawdzana jest ciągłość sygnału z czujnika. Kiedy zostanie przerwany, zawór jest odcinany. Czasami wcześniej podejmowana jest próba ponownego zapłonu. Aby uniknąć fałszywych odczytów z detektora w reakcji na inne źródło światła niż płomień, sprawdza się jego wskazania w czasie, gdy palnik jest celowo wyłączony.

Regulacja temperatury w pomieszczeniu

Rys. 4. Przykład systemu regulacji temperatury w pomieszczeniu

Na rysunku 4 zaprezentowano przykład systemu automatycznej regulacji temperatury i wentylacji w pomieszczeniu. Źródłem ciepła są grzejniki. Jego ilość jest regulowana przez kontroler sterujący zaworem, którym płynie medium grzewcze, zależnie od wyniku porównania aktualnej temperatury w pomieszczeniu z wartością zadaną. Jeśli wentylacja ma tylko dostarczać świeże powietrze, musi ono mieć taką temperaturę, jaka powinna panować w pokoju. Dlatego w kanale, którym dopływa, umieszcza się sensor. Na podstawie jego wskazań zmieniana jest temperatura grzałki podgrzewającej to medium.

Jeżeli w pomieszczeniu występują źródła ciepła inne niż grzejniki (wielu ludzi, maszyny), ich energię termiczną opłaca się wykorzystać do podtrzymania w nim wymaganej temperatury. W takim wypadku temperaturę powietrza w kanale trzeba zmieniać stosownie do temperatury w pokoju. Należy przy tym ustalić dolną wartość graniczną tej pierwszej wielkości. Pozwala to uniknąć nieprzyjemnych, chłodnych powiewów w razie nasilenia się emisji ciepła wewnątrz.

Nawilżanie i wymiana powietrza

Rys. 5. Przykład systemu klimatyzacji

Rysunku 5 przedstawia przykład systemu klimatyzacji utrzymującego w pomieszczeniu zadaną temperaturę i wilgotność. Jego częścią jest urządzenie, które pełni podwójną funkcję: zmniejsza temperaturę powietrza oraz je osusza. Powinno ono znajdować się przed nagrzewnicą i przed nawilżaczem powietrza. Pozostałe komponenty to: czujniki temperatury i wilgotności w pokoju oraz sterownik nagrzewnicy i kontroler nawilżacza. Sygnał wyjściowy tych ostatnich zależy od wyniku zestawienia wskazań sensorów z, odpowiednio, wymaganą temperaturą i wilgotnością. Kontrolery zarządzają również pracą urządzenia chłodząco-osuszającego. Decydujący jest ten sygnał, który wymusza większe chłodzenie.

Sprawność energetyczną systemu klimatyzacji można zwiększyć przez wprowadzenie częściowo zamkniętego obiegu powietrza. Mieszając ze świeżym to ciepłe z wewnątrz, zimą oszczędza się na jego grzaniu, a latem na chłodzeniu, jeśli do tego nagrzanego doda się już schłodzone. Sterowanie tym procesem realizuje się na kilka sposobów.

Jakie parametry powietrza trzeba kontrolować?

Najprościej jest uzależnić stopień otwarcia wlotu, którym powietrze zawraca do pokoju, oraz tego doprowadzającego zewnętrzne, od temperatury panującej na zewnątrz. Nie jest to jednak rozwiązanie najlepsze, gdyż nie uwzględnia zmian temperatury gazu ponownie wtłaczanego, powodowanych przez źródła ciepła w pomieszczeniu. Alternatywą jest porównanie temperatury w pokoju z zadaną. Wtedy - na przykład zimą - gdy jest niższa, dopływ powietrza z zewnątrz jest zmniejszany, za to więcej pobiera się go z kanału wylotowego. Należy przy tym obowiązkowo ustalić minimalną ilość świeżego powietrza.

Jakość powietrza wpływa bowiem na zdrowie i samopoczucie ludzi, a co za tym idzie na wydajność ich pracy oraz chęć przebywania w danym pomieszczeniu. To ostatnie jest szczególnie ważne w wypadku takich budynków jak galerie handlowe oraz restauracje. Dlatego monitoruje się różne parametry, na przykład zawartość dwutlenku węgla i lotnych związków organicznych (Volatile Organic Compunds, VOC), których źródłem są m.in. ludzie, wyposażenie wnętrz albo procesy przemysłowe.

Rynek energooszczędnych instalacji HVACR w liczbach Wartość globalnego rynku energooszczędnych instalacji HVACR w latach 2013-2020 Według Navigant Research wartość rynku energooszczędnych instalacji HVACR wzrośnie z 17 mld dol. w 2013 do ponad 33 mld dol. w 2020. Sytuacja w tym segmencie, po okresie stagnacji w 2009 roku spowodowanej globalną recesją, stopniowo się ożywia, od 2013 w Ameryce Północnej i od końca zeszłego roku w Europie. Największy popyt na te rozwiązania jest jednak przewidywany w rejonie Azji i Pacyfiku - ich udział w ich światowym rynku w 2020 ma przekroczyć 50%. Częścią tego rynku są zaawansowane systemy sterowania instalacjami energooszczędnego grzania, chłodzenia, wentylacji i klimatyzacji. Przewiduje się, że zapotrzebowanie na będące ich częścią m.in. czujniki, sterowniki i termostaty zwiększy się pomiędzy 2014 a 2023 z prawie 34 mln sztuk do ponad 70 mln sztuk. Najczęściej będą one instalowane w nowych budynkach, a poza tym przy okazji modernizacji tych starszych.

PID w pomiarach VOC

Do pomiaru stężenia zanieczyszczeń używane są czujniki różnego typu. Przykładem są detektory fotojonizacyjne (Photo-Ionization Detector, PID). Zasada działania tych sensorów jest następująca: pod wpływem promieniowania ultrafioletowego cząstki VOC ulegają jonizacji. PID wykrywają i mierzą ładunek zjonizowanego gazu, którego wartość jest bezpośrednio zależna od ilości lotnych związków organicznych. Dzięki temu, że powstałe jony ulegają rekombinacji, a próbka nie jest w żaden inny sposób trwale zmieniana, detektory PID zalicza się do grupy tych nieniszczących.

Częścią czujnika fotojonizacyjnego jest lampa. Od tego, jakim gazem ją wypełniono, zależy energia fotonów światła, które emituje. To natomiast wpływa na możliwość określenia stężenia konkretnych substancji lotnych. Na przykład lampy ksenonowe wykrywają związki chemiczne, które zawierają sześć lub więcej atomów węgla, ale nie te z mniejszą liczbą tych cząstek. Obecność obu grup VOC mogą potwierdzić PID ze źródłem promieniowania w postaci lampy kryptonowej. Te z argonem w przeciwieństwie do nich mają krótszą żywotność. Wykrywają one za to więcej lotnych związków organicznych, m.in. dodatkowo acetylen, metanol oraz formaldehyd.

Model ogranicza skuteczność sterowania

Poza regulatorami dwustanowymi, instalacjami HVACR sterują te typu P, PI oraz PID. Cel, czyli zmniejszenie różnicy między zadaną a aktualną wartością wielkości mierzonej, osiągają one w sposób bardziej precyzyjny od tych dwupołożeniowych, o nieciągłym, dwuwartościowym sygnale sterującym. Ten ostatni w ich wypadku jest wynikiem, odpowiednio, jednego, dwóch albo trzech spośród następujących działań: mnożenia, całkowania oraz różniczkowania, których argumentem jest uchyb. Pierwsze z nich realizuje człon proporcjonalny zwiększający sygnał sterujący wraz ze wzrostem uchybu. Rolą członu całkującego jest zmniejszenie do zera uchybu w stanie ustalonym. Zadaniem członu różniczkującego jest reagowanie na zmiany tej odchyłki.

Skuteczność sterowania zależy od tego, czy uda się dobrać optymalne nastawy regulatora. W tym celu skorzystać można z różnych metod, na przykład Zieglera-Nicholsa. O tym, jaki będzie efekt, decyduje jednak głównie to, jak dokładnie model przyjęty do obliczeń odwzorowuje rzeczywisty obiekt sterowania. Niestety w wypadku obiektów nieliniowych - przykładem których są instalacje grzania, chłodzenia, wentylacji i klimatyzacji - przybliżanych modelami liniowymi efektywność regulatorów z członami proporcjonalnymi, całkującymi i różniczkującymi jest tylko zadowalająca.

Alternatywa dla regulatorów P, PI I PID

Przyszłe tematy numerów APA

Skuteczniejszą alternatywą okazuje się sterowanie oparte na logice rozmytej (fuzzy logic). Stanowi ona rozszerzenie tradycyjnej logiki dwuwartościowej, które pozwala opisywać zjawiska fizyczne w sposób znacznie bardziej intuicyjny dla człowieka.

Logika rozmyta wykorzystuje zbiory rozmyte, między którymi nie ma dokładnych granic. O tym, do którego z nich należy dana wartość, decyduje jej stopień przynależności w przedziale od 0 do 1. Oznacza to, że do niektórych zbiorów wartość zalicza się "bardziej" albo "mniej" niż do innych, inaczej niż wtedy, kiedy jest opisywana przy użyciu logiki binarnej. Ta rozróżnia bowiem tylko dwie możliwości: prawdę, gdy wartość należy do zbioru oraz fałsz, jeżeli jest inaczej. Stopień przynależności określany jest na podstawie funkcji przynależności (Membership Function) dla danej zmiennej w procesie fuzyfikacji (rozmycia).

Kolejnym etapem jest wnioskowanie. Polega ono na przetworzeniu danych uzyskanych w wyniku fuzyfikacji z wykorzystaniem zestawu reguł, zazwyczaj w formie instrukcji warunkowych. Są to zasady, dla których w oparciu o wiedzę ekspercką oraz doświadczenie przyjmuje się, że stosując je, zrealizuje się cel sterowania. Na podstawie wyników tych instrukcji sygnał sterujący wyznacza się w procesie defuzyfikacji (ostrzenia), m.in. metodą średniej ważonej. W ramce przedstawiono przykład zastosowania logiki rozmytej w sterowaniu klimatyzacją.

Monika Jaworowska

W artykule wykorzystano materiały udostępnione m.in. przez firmy Siemens, Danfoss i Fluke