Разработка и исследование системы автоматического регулирования температуры воздуха на примере VRV-систем

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена разработке автоматизированной мультизональной системы кондиционирования на основе VRV-системы. Целью работы  является  разработка и исследование системы автоматического регулирования температуры воздуха на основе VRV - системы в здании. В работе  использованы программные средства для  моделирования и расчета САУ  MATLAB, Simulink. Отличительной особенностью является технология управления температурой кипения хладагента. В работе затронуты основные характеристики систем кондиционирования, дан обзор возникновения VRV – системы, а также проведён синтез и анализ исследуемой САР.

В ходе поставленной цели был исследован влажностный режим в помещении. С помощью регулирования переменного потока хладагента электрическим клапаном, был установлен выбранный режим влажности в помещении Произведён синтез и анализ системы  без ПИД регулятора, с ПИД регулятором, а также без учёта (с учётом) возмущающих факторов. В результате синтеза получен результат, что система с регулятором работает правильно, отрабатывает влияние внешнего воздействия и не теряет устойчивость, т.е. исследуемая система регулирования влажности полностью удовлетворяет заданным требованиям качества и в реальных условиях эксплуатации будет работать нормально. Результаты синтеза позволяют с большей степенью точности определить значения параметров установки кондиционирования, при которых процесс достижения требуемого уровня температуры воздуха имеет наилучшие характеристики.

ABSTRACT

The article is dedicated to the development of an automated multizone air conditioning system, which is based on the VRV system. The aim of the work is the development and investigation of automatic regulation system of air temperature based on the VRV system in the building. There was used software for modeling and calculating System Analysis &Management of MATLAB, Simulink. A distinctive feature is the technology of controlling the boiling point of the refrigerant. There were used the basic characteristics of air conditioning systems and was given the review of occurrence of VRV - system, also synthesis and analysis of the studied ACS were analyzed. In the course of the goal, the humidity regime in the room was investigated. Through regulation of variable refrigerant flow by electric valve, the selected mode of humidity was set in the room. The synthesis and analysis of the system were produced without a PID controller, with a PID controller, and without taking into account (with considering) disturbing factors. As a result of the synthesis, the result is obtained that the system with the external influence and does not lose its stability, i.e. the investigated humidity control system fully meets the specified quality requirements and will operate normally under real operating conditions. The result of the synthesis allow us to determine with greater accuracy the values of the parameters of the conditioning system, in which the process of achieving the required air temperature has the best characteristics.

Актуальность работы.

Состояние внутренней среды помещения, оказывающее влияние на человека, называется микроклиматом помещения.

Микроклимат помещения характеризуется параметрами воздушной среды (температурой, влажностью и подвижностью воздуха) и температурой ограждающих конструкций (стен, пола, потолка, окон). Именно сочетание этих параметров и определяет, комфортно ли будет нам в этом помещении. На микроклимат помещения воздействуют как внешние (солнечная радиация, наружный воздух и т.д.), так и внутренние факторы (люди, оборудование, освещение), в результате чего параметры микроклимата могут отклоняться от комфортных для нас значений. Для того чтобы создавать и поддерживать в помещениях комфортные параметры воздушной среды, применяются системы кондиционирования воздуха.

Система кондиционирования воздуха (СКВ) - это сложная техническая система, предназначенная для автоматического поддержания комфортных параметров воздушной среды (прежде всего температуры и относительной влажности воздуха) в обслуживаемом помещении. Качественная работа СКВ, точность поддержания параметров воздуха, снижение эксплуатационных расходов и сроков окупаемости климатического оборудования во многом зависят от алгоритмов работы и от аппаратурной реализации систем автоматизации [1]. В последнее время появились принципиально новые методы управления и обработки информации. Одним из направлений повышения степени комфортности, снижения стоимости СКВ и эксплуатационных затрат является последнее решение в этой области – кондиционирование на основе VRV системы. VRV система представляет собой мульти-сплит кондиционер для коммерческих зданий, который использует управление потоком хладагента переменной, чтобы предоставить клиентам возможность поддерживать индивидуальный контроль зоны в каждом павильоне, номере или этаже здания.

Практической значимостью является разработка САР, для мультизональной системы кондиционирования на основе VRV - системы. Отличительной особенностью исследуемой модели является технология управления температурой кипения хладагента.

Сегодня для решения задач по обеспечению комфортного микроклимата помещений различного назначения все более актуальным становится применение многозональных систем кондиционирования.

Результатом любой классификации обычно является перечень каких-либо технических решений, позволяющих определять для каждого из них свою область применения. Тем не менее, для многозональных систем кондиционирования воздуха, проектирование которых выполняется с учетом большого количества данных, разработать такую классификацию всегда сложно. Поэтому многие известные авторы, такие как Б.В. Баркалов, Е.Е. Карпис, А.А. Гоголин, А.В. Нестеренко и другие предложили различные методы классификации. А.А. Рымкевич рекомендует использовать принципы классификации систем, которые зависят от преследуемых целей. При этом принимаются принципиальные решения, вытекающие из режимов и условий функционирования систем [2].

Многозональные системы кондиционирования с переменным расходом хладагента (VRV), сравнительно недавно появившиеся в нашей стране, становятся все более популярными в разных отраслях, где ранее использовали воздушные (VAV) или водяные (чиллер-фанкойлы) системы многозонального кондиционирования.

При осуществлении процесса кондиционирования воздуха объектом регулирования является обслуживаемое помещение (ОП), в котором происходит изменение нормируемых параметров воздуха из-за влияния наружного воздуха и внутренних процессов. Задача СКВ – поддержать нормируемые показатели.

Входными параметрами являются наружный воздух, тепло-, влаго- и холодоносители, электроэнергия, а также часть рециркуляционного воздуха, возвращаемого в помещение. Выходными параметрами являются температура в помещении t_пом, влагосодержание d_пом и расход воздуха G_пом. Система кондиционирования включает следующие основные элементы: регуляторы расхода воздуха; камеры смещения; фильтры; теплообменники; оросительные камеры и увлажнители (контактный тепломассообмен);вентиляционные сети.

Следует отметить новые возможности VRV – систем: технология управления температурой кипения хладагента, технология комфортного отопления, технология компьютеризированного сервиса (системный конфигуратор), Упрощенное обслуживание: новый 7-сегментный индикатор для легкого получения информации о параметрах работы и данных об ошибках.

Автоматизация и проектирование мультизональных кондиционеров

Мультизональные (многозональные) кондиционеры используются на объектах, имеющих большое количество автономных помещений (зон) и представляют собой сплит - систему, состоящую из одного или нескольких компрессорно-конденсаторных блоков и необходимого количества внутренних блоков. Кондиционеры с регулируемой производительностью имеют обычно один компрессорно-конденсаторный блок.

На  рисунке 1 наружного блока имеются: компрессор (сжимает фреон и поддерживает его движение по холодильному контуру); конденсатор, кондиционер (переход фреона из газообразной фазы в жидкую (конденсация) и четырехходовый клапан.

На рисунке 1  внутреннего блока: терморегулирующий клапан (расход хладагента), испаритель (фреон переходит из жидкой фазы в газообразную (испарение)). Соединены блоки с помощью ВС-контроллера, распределяющий хладагент между внутренними и наружным блоками, через который несколько внутренних блоков подключаются к внешнему блоку.

Рисунок 1. Функциональные схемы работы мультизональной системы кондиционирования на основе VRV

Существуют уже специализированные ПО WinDACMS и REMDACMS, которые позволяют интегрировать систему в систему HI-VRV управления инженерными коммуникациями всего здания и центральную систему контроля и управления. Система Intelligent Touch Controller предназначена для централизованного управления климатическим оборудованием компании DAIKIN с числом внутренних блоков. Пакет VRV_Xpress предназначен для проектирования мультизональной  автоматизированной системы кондиционирования на основе VRV-системы [ 3,4].

Исследование и разработка САР температурного режима в помещении на основе VRV – системы

Для того чтобы смоделировать температурный режим в автоматизированной системе кондиционирования воздуха на основе VRV – системы, нужно построить замкнутую автоматическую систему регулирования (АСР).  В данной автоматической системе регулирования температуры воздуха находятся: объект регулирования (ОР) (помещение) и датчик температуры (Д). Этот прибор следит  и контролирует температуру в помещении и преобразует её значение Хвн в электрический сигнал Uд. На входе в систему электрический сигнал Uд сопоставляется с заданной установкой Uз. В ходе сопоставления сигнал рассогласования Uвх подводится к ПИД регулятору, который регулирует его по напряжению и мощности. Далее к исполнительному устройству 1 , который воздействует на показатель температуры в помещении,  изменяя скорость потока хладагента, подводится ПИД регулятор, с управляющим напряжением на выходе. Исследуемая система является системой стабилизации.  Она выполняется с помощью замкнутых контуров регулирования, в которых принцип обратной связи присутствует в явном виде: информация об объекте, поступающая от датчиков, преобразуется регулирующими устройствами в управляющие воздействия. Регуляторы расхода (клапаны) изменяют расход хладагента при повороте створок на угол α или перемещении плунжера h. При мгновенном изменении α или h расход хладагента также меняется мгновенно. Поэтому клапаны являются обычными передаточными функциями, в которых входная и выходная величины связаны коэффициентом передачи.

На рисунке 2 изображена функциональная схема.

Рисунок 2 Структурная схема АСР влажности воздуха

Исследование работы системы регулирования при отсутствии внешних возмущающих факторов

По виду переходного процесса определены качественные показатели линейной системы автоматического управления, включающие: время регулирования (Трег), величину перерегулирования (G), число полных колебаний за время регулирования (М) и установившуюся ошибку по положению (e)_.

Время регулирования определяется по пятипроцентной трубке. Значение перерегулирования выражается в процентах, для апериодического переходного процесса G=0. Перерегулирование считается нормальным, если его значение не превышает 30%. Ошибку по положению в рассматриваемом случае принимаем не более 3% [5].

С помощью имитационного моделирования, на первом этапе исследуется работа системы без учёта влияния внешних возмущающих факторов, т.е. поступление тепла от окружающей среде Хср=0. Таким образом, входной величиной объекта регулирования (помещения) является температура Хр на выходе испарителя. Процесс моделирования проводили для данных значений  параметров  блоков схемы, которые описывают звенья системы регулирования температуры  воздуха. Параметры температурного датчика остаются постоянными в процессе моделирования и равны К_д=0,4;  =14с. Результат моделирования представлен на рисунке 3,4.

По графику структурной схемы системы регулирования без учёта внешних возмущающих факторов получено, что время регулирования увеличивается и величина ошибки регулирования всё же существенна.

Синтез системы регулирования с ПИД – контроллером при отсутствии внешних возмущающих факторов

Результаты моделирования хорошо согласуются с реальной физической картиной явления: процесс регулирования продолжается до тех пор, пока температура обрабатываемого системой кондиционирования воздуха в помещении не станет равной заданной величине. Следовательно, время регулирования невелико и составляет приблизительно 22 с, перерегулирование составляет меньше 30% и ошибка регулирования незначительна.

Синтез системы регулирования с учётом внешних возмущающих факторов

Структурная схема системы регулирования с ПИД – регулятором без учёта внешних возмущающих факторов и система с ПИД -  регулятором без учёта внешних возмущающих факторов представлена на рисунках 5,6.

Результаты моделирования структурной схемы представлены на рисунке 7. Где представлены графики единичного ступенчатого воздействия, общий вид переходного процесса, являющегося функцией Н(Трег) и график сигнала, характеризующего колебания температуры  воздуха окружающей среды.

На основе анализа результатов моделирования с учётом влияния внешних возмущающих факторов можно сделать вывод о том, что качественные показатели линейной системы автоматического управления, характеризующие соответствующие переходный процесс, к который изображён на рисунке 7, совсем незначительно ухудшаются по сравнению с показателями, однако в целом система отрабатывает влияние внешнего воздействия и не теряет устойчивость, т.е. исследуемая система регулирования температуры полностью удовлетворяет заданным требованиям качества и в реальных условиях эксплуатации будет работать нормально. Результаты синтеза позволяют с большей степенью точности определить значения параметров установки кондиционирования, при которых процесс достижения требуемого уровня температуры воздуха имеет наилучшие характеристики.

Заключение В настоящее время автоматизированная система для мультизональной системы кондиционирования на основе VRV - системы соответствует современным требованиям: низким энергопотреблением, легкостью проектирования, простотой монтажа, гибкостью использования, высокой надежностью, удобным интерфейсом и надежностью управления. Для изучения взаимосвязи процессов в статье представлена обобщённая структурная схема СКВ. При осуществлении процесса кондиционирования воздуха объектом регулирования является обслуживаемое помещение (ОП), в котором происходит изменение нормируемых параметров воздуха из-за влияния наружного воздуха и внутренних процессов. Задачей СКВ является  поддерживать нормируемые параметры.

В ходе поставленной цели был исследован влажностный режим в помещении. С помощью регулирования переменного потока хладагента электрическим клапаном, был установлен выбранный режим влажности в помещении. Произведён синтез и анализ системы  без ПИД регулятора, с ПИД регулятором, а также без учёта (с учётом) возмущающих факторов. В результате синтеза получен результат, что система с регулятором работает правильно, отрабатывает влияние внешнего воздействия и не теряет устойчивость, т.е. исследуемая система регулирования влажности полностью удовлетворяет заданным требованиям качества и в реальных условиях эксплуатации будет работать нормально. Результаты синтеза позволяют с большей степенью точности определить значения параметров установки кондиционирования, при которых процесс достижения требуемого уровня температуры воздуха имеет наилучшие характеристики.