Автоматизация приточно-вытяжных систем вентиляции

Разработка и внедрение приточно-вытяжных систем вентиляции является одной из самых востребованных задач в современной автоматизации. Сложно представить торговый центр, жилой комплекс или производство без инженерных систем вентиляции, а сами вентиляционные системы без автоматики. Вот об этом мы сегодня и поговорим, акцентируя внимание, в первую очередь, на автоматизацию данного процесса. Также рассмотрим устройство систем вентиляции и особенности их управления.

Приточно-вытяжная вентиляция представляет собой совокупность устройств, направленных на создание оптимальных параметров воздуха в помещении, согласно нормативным документам, путем постоянного притока свежего воздуха, а так же удалении отработанного воздуха. В частности, регламентируется чистота воздуха в помещении, согласно ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», уровень шума в помещениях СНиП 23-03-2003 «Защита от шума», минимальный расход свежего воздуха на одного человека, температура, влажность воздуха СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

Вентиляция, в зависимости от назначения, может быть:

• только приточной, осуществляющей подачу очищенного свежего воздуха заданной температуры и влажности,
• только вытяжной, осуществляющей удаление воздух из помещения с помощью вытяжных вентиляторов,
• смешанной.

В зависимости от зоны обслуживания — общеобменная и местная.

• Исходя из технических условий, состав вентиляционной системы может видоизменяться:
• с использованием либо без использования рекуперации. При этом рекуператоры могут быть пластинчатого либо роторного типа,
• для нагрева воздуха могут применяться водяной либо электрический калорифер,
• резервирование системы путем установки дополнительных вентиляторов (либо без резервирования).

Но в целом общий принцип работы вентустановки остается неизменным: приточный воздух подается в систему воздуховодов, пройдя предварительную фильтрацию, нагрев либо охлаждение (зависит от температуры наружного воздуха). Нагрев производится горячей водой или с помощью электричества. Охлаждение воздуха в летнее время производится с помощью водяного теплообменника либо фреонового охладителя, расположенных в холодной секции вентустановки, в случае, если она предусмотрена проектом. После этого очищенный воздух подается в помещения в необходимом объеме. В это же время отработанный воздух удаляется из помещений на улицу в таком же объеме. Оба потока воздуха циркулируют в системе одновременно, но при этом нигде не смешиваются.

Основные элементы приточной системы

Типовая система вентиляции состоит из различных элементов, одни из которых являются обязательными для установки (их отсутствие ведёт к некорректной работе всей системы воздухообмена), другие — опциональны. Их наличие определяется техническими условиями.

Понятно, что любая система должна иметь в своем составе воздуховоды, шумоглушители, воздушные клапаны, воздухозаборные решетки и т. д., но мы рассмотрим только те элементы, которые так или иначе задействованы в системе автоматизации.

Ниже представлена типичная функциональная схема приточной вентиляции с водяным калорифером без рекуперации.

Элементы функциональной схемы

1 — Датчик температуры наружный

Предназначен для измерения температуры окружающей среды. По данному датчику система автоматики осуществляет переход зима/лето. В основном используются уличные датчики, представляющие собой термосопротивление Pt1000, Pt100, либо на основе термисторов NTC10k, NTC20k.

2- Воздушная заслонка с электроприводом (жалюзи)

Используется для открытия/закрытия вентиляционных каналов и регулирования объёма подачи воздуха. При отключении вентустановки, например при наладке, заслонка препятствуют проникновению в систему холодного воздуха. Зачастую заслонки оснащаются системой обогрева в виде нагревательных элементов либо греющего кабеля, хотя на вышеприведенной схеме данная функция отсутствует.

Приводы воздушных заслонок различаются по типу управляющего сигнала — двухпозиционный («открыть/закрыть»), трехпозиционный и аналоговый 0-10 V. Соответственно, от типа провода меняются и функциональные возможности заслонок.

Двухпозиционный привод типа «открыть/закрыть» используется только для полного открытия либо закрытия жалюзей, никаких промежуточных положений не предусмотрено.

В случае, если необходимо регулирование расхода воздуха, применяются аналоговые или трехпозиционные привода. При использовании аналогового привода, створки заслонки открываются в зависимости от напряжения управляющего сигнала 0-10 V.

Трехпозиционные привода имеют три состояния — «открыть», «закрыть» и «останов». Изменение положения происходит прямо пропорционально длительности импульса электрического сигнала. При отсутствии сигнала привод останавливается, при подаче сигнала на один контакт привод открывается (закрывается), при замыкании второго контакта — закрывается/открывается. Помимо этого могут быть задействованы вспомогательные контакты. На рисунке ниже показана схема подключения трехпозиционного привода.

3 — Воздушный фильтр

Защищает всю систему от попадания в неё различных частиц пыли и других примесей.

4 — Реле перепада давления на фильтре

Измеряет разность давления воздуха до и после фильтрации. В случае выхода перепада давления за пределы порога срабатывания (уставки), контакты реле переключаются и сигнал о необходимости замены фильтрующего элемента поступает в систему управления. При этом установка продолжает работу в штатном режиме.

5 — Водяной калорифер

Служит для подогрева поступаемого в помещение наружного воздуха. Представляет собой теплообменник с медными либо стальными трубками, по которым проходит горячая вода из системы отопления здания.

6 — Циркуляционный насос

Обеспечивает циркуляцию теплоносителя в калорифере. При работе калорифера должна осуществляться постоянная работа насоса, даже в дежурном режиме. В летний период во время останова системы насос выключен, но при этом системой автоматики предусмотрен запуск насоса раз в сутки на непродолжительное время во избежание закисания ротора насоса. Для защиты насоса от работы на сухом ходу может применяться термореле, блокирующее его работу при понижении температуры воды на входе в калорифер.

7 — Трехходовой запорно-регулирующий клапан с приводом

Предназначен для плавного регулирования количества теплоносителя, поступающего в калорифер. При необходимости часть потока воды проходит через байпас. В зависимости от температуры приточного воздуха либо температуры обратной воды регулирующий клапан повышает или уменьшает поступление обратной воды в теплообменник. Регулировка осуществляется управляющими сигналами 0-10 V или 4-20 мА.

8 — Датчик температуры обратной воды

Применяется для контроля температуры на выходе теплообменника, что обеспечивает дополнительную защиту водяного калорифера от замерзания.

9 — Термостат защиты калорифера от замораживания

Является основной защитой калорифера от заморозки. Контролирует температуру воздуха после теплообменника и в случае понижения температуры ниже уставки (примерно 5-6 °C) выдает сигнал в щит управления вентустановкой.

Измерение температуры производится при помощи чувствительного элемента в виде газонаполненной капиллярной трубки, при этом необходимо уделить внимание ее правильному монтажу, в частности, минимальный радиус изгиба капилляра должен быть примерно 20 мм; трубка монтируется равномерно по всей площади теплообменника.

10 — Вентилятор

Обеспечивает направленное движение воздушного потока. Управление скоростью вращения вентилятора осуществляется частотным преобразователем.

В основном применяют вентиляторы осевого и радиального (центробежные) типов с асинхронными электродвигателями, которые соединяются между собой через ременную передачу либо вентиляторы непосредственно крепятся на вал двигателя. Управление вращением осуществляется при помощи частотных преобразователей.

В последнее время набирают популярность ЕС-вентиляторы на основе бесколлекторных синхронных двигателей со встроенным электронным управлением (electronically commutated — электронно коммутируемые). Вращение ротора ЕС-двигателя осуществляется за счет подачи питания на обмотку статора в зависимости от положения ротора.

Для определения положения ротора применяются датчики Холла. Также регулирование может осуществляться от внешних датчиков при помощи унифицированных сигналов 4-20 мА или 0-10 В.

11 — Реле перепада давления на вентиляторе

Контролирует перепад давления и в случае неисправности самого вентилятора или обрыва ремня привода выдает сигнал на управляющий контроллер. Происходит останов системы в аварийном режиме.

При монтаже реле перепада есть один нюанс. Если прессостат используется на фильтре, то трубка со штуцером с маркировкой «+» подключается перед фильтром, а с маркировкой «-» после. На вентиляторе наоборот, штуцер «+» подключается после вентилятора, штуцер «-» перед. В случае применения систем с рекуперацией, штуцер «+» подключается перед рекуператором, штуцер «-» после, ориентируясь по движению воздуха.

12 — Канальный датчик температуры приточного воздуха

Осуществляет контроль температуры приточного воздуха. По показаниям датчика температуры притока происходит управление нагревом вентустановки.

Система автоматики приточной вентиляции

Управление работой вентиляционной установки производится контроллером, находящимся в щите управления и обеспечивающим автоматическое поддержание температуры приточного воздуха по заданной уставке.

На контроллер приходят основные сигналы с установки:

• значение с датчика температуры наружного воздуха,
• сигнал открытия приточной заслонки,
• температура воды до и после калорифера,
• положение и сигнал обратной связи привода клапана калорифера водяного нагрева,
• сигнал о состоянии насоса, состояние вентиляторов и их скорость вращения в процентном соотношении от максимального.

В зависимости от полученных данных автоматика осуществляет управление исполнительными устройствами:

• температура воздуха в приточном воздуховоде,
• привод воздушной заслонки,
• циркуляционный насос нагревателя,
• привод регулирующего вентиля нагревателя,
• скорость вентиляторов с помощью частотных преобразователей.

Система автоматики, помимо температурных режимов, должна обеспечивать:

• Защиту калориферов от заморозки.
• Автоматическое отключение систем при аварийных ситуациях.
• Ручной/автоматический режимы работы.
• Отображение рабочих и аварийных параметров системы.
• Ручное и автоматическое переключение режимов работы «зима-лето».
• Формирование аварийных сигналов и сохранение архива аварийных сообщений.
• Возможность передачи данных в систему верхнего уровня.
• Задание режимов работы.
• Индикацию статуса работы системы на лицевой панели щита с помощью индикаторных ламп.
• Контроль силовой цепи.

Общий алгоритм управления работой вентиляционной системы

Переход в автоматический режим производится переключателем на двери щита управления — система по датчику температуры переходит в режим «зима/лето». Режим «лето» включается при температуре 11-13 °С, при понижении температуры до 8 °С осуществляется переход в режим «зима».

При запуске системы в зимнем режиме воздушный клапан закрыт, вентилятор приточной установки выключен, трехходовой клапан открыт на 100 %, циркуляционный насос работает постоянно, пока в работе водяной калорифер (в том числе и в дежурном режиме). Водяной калорифер должен прогреться до заданной температуры, определяемой по датчику обратной воды теплоносителя.

После прогрева калорифера поступает команда на запуск вентустановки. При этом вентиляторы не включаются, идет открытие воздушного клапана. Одновременно с этим начинается отсчет задержки перед запуском приточного вентилятора. После его запуска происходит регулирование температуры воздуха в приточном канале при помощи ПИД-регулятора. Управление нагревом вентиляционной установки осуществляется по датчику температуры в приточном воздуховоде.

При включении этого режима воздушный клапан закрыт, вентилятор приточно установки выключен, циркуляционный насос не работает. При пуске системы, также как и в режиме «зима», открывается воздушный клапан и одновременно (с задержкой) подается команда на включение вентилятора.

При возникновении угрозы заморозки водяного нагревателя алгоритм работы системы автоматики следующий — вентилятор останавливается, воздушная заслонка закрывается, регулирующий клапан теплоносителя открывается на 100 %, в журнал событий заносится аварийное сообщение об угрозе заморозки. Также в журнал заносится расшифровка аварийного сигнала, что конкретно послужило причиной аварийной ситуации (термостат, низкая температура обратной воды, низкая температура притока).

Для вентиляторов предусмотрены следующие виды аварийных сигналов:

• о перегрузке электродвигателя, по срабатыванию встроенного термоконтакта.
• об аварии с преобразователя частоты. При этом контроль электрических параметров электродвигателя осуществляется встроенными функциями самого частотного преобразователя. При поступлении данного сигнала установка переходит в дежурный режим, снимается сигнал подачи питания на преобразователь частоты, аварийное сообщение заносится в журнал событий. В системах, где используется резервирование вентиляторов вместо перехода в дежурный режим включается резервный вентилятор.
• об обрыве ремня по срабатыванию датчика перепада давления на вентиляторе.

При поступлении сигнала аварии насоса с термоконтакта или при размыкании дополнительного контакта автоматического выключателя насос выключается, вентустановка переходит в дежурный режим и в журнал контроллера записывается данное событие.

Управление и контроль за системой вентиляции могут осуществляться удаленно через систему диспетчеризации здания, куда передаются все необходимые сигналы с контроллера. Также в щит управления вентиляцией могут приходить сигналы с системы пожарной сигнализации. При срабатывании сигнала о пожаре приток свежего воздуха в помещение должен прекращаться, поэтому вентиляционная установка остановится, перейдя в дежурный режим.

Выводы

Конечно, данное описание алгоритма работы обобщенное, так как не рассмотрены некоторые важные моменты при работе, но, наверное, лучше это сделать в будущем на примере реальной программы управления вентиляционной установкой. В завершение хочется отметить, что данная тема является очень объемной и в рамках одной статьи невозможно рассказать о всех аспектах работы вентиляционных систем, поэтому в дальнейшем мы еще вернемся к данной проблеме.

Автор: Алексей Есиков