«ОТЧЕТ ПО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ АДМИНИСТРАТИВНЫХ ЗДАНИЙ Контракт: № 02.516.11.6197 от 25.06.2009 г. с Федеральным агентством ...»

1. Разработка интегральной схемы управления энергосберегающими системами…………………………….. 2. Разработка алгоритмов и схем локальной автоматизации инженерных систем…………………………………………………………. Тепловые вводы, центральные тепловые пункты…………………. Системы отопления…………………………………………………. Регулируемые системы отопления и вентиляции с динамическими характеристиками……………………………… Системы вентиляции и кондиционирования воздуха…………….. 3. Разработка алгоритмов интегрального управления, автоматизации, диспетчеризации и мониторинга инженерными системами……………... 4. Разработка технического задания на рабочую документацию по инженерным системам административных зданий…………………… 5. Технико-экономическая оценка рыночного потенциала энергосбережения административных зданий……………………………. Заключение……………………………………………………………………… Список использованных источников…………………………………………. Приложение А – Техническое задание на рабочую документацию по инженерным системам административного здания Высшего арбитражного Суда РФ (49 листов)………………………………. Том

ВВЕДЕНИЕ

Настоящий отчет содержит материалы III этапа проекта.

На предыдущих этапах были разработаны:

- показатели энергоэффективности инженерных систем административных зданий;

- схемные решения энергосберегающих инженерных систем зданий, включая отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха, холодоснабжение, холодного и горячего водоснабжения, освещения;

- схемные решения снижения сетевых энергетических потерь в трубопроводных сетях;

-математические модели определения энергетических нагрузок в системах инженерного обеспечения;

- техническая документация на энергосберегающие инженерные системы.

Настоящий отчет содержит материалы исследований по 3 основным блокам:

- схемы и алгоритмы локального и интегрального управления и автоматизации инженерных систем;

- техническое задание на разработку проектной документации энергосберегающих инженерных систем представительного административного объекта – новое здание Высшего арбитражного Суда РФ;

- технико-экономическую оценку рыночного потенциала энергосбережения административных зданий.

Материалы исследований базируются на передовых отечественных и зарубежных технологиях управления инженерными системами, опыте разработки и проектирования энергосберегающих инженерных специалистов ООО «НПО ТЕРМЭК» и партнеров.

Отдельные элементы предлагаемых технологий уже нашли апробацию в реальных проектах предприятия, таких как высотный комплекс «Меркурий-Сити-Тауэр» (14 участок «Москва-Сити»), многофункциональные высотные комплексы «Город столиц», на Мытной ул., в Ростокино, офисные комплексы «Буревестник», «Электролуч», «Лефорт». В материалах отчета использованы передовые наработки наших партнеров, в том числе проектной фирмы «А. Колубков и К» (проекты высотных комплексов «Триумф-палас», «Эдельвейс», «Алые паруса», «Воробьевы горы»).

Наибольшие резервы энергосбережения заложены в переходе от традиционной модели регулирования инженерных систем по номинальным расчетным нагрузка к системе индивидуального регулирования комфортности рабочей среды по фактической заполняемости административного здания персоналом. Использование модели отслеживания присутствия персонала с помощью датчиков движения, присутствия и освещенности позволяет дозировать подачу в эксплуатируемые зоны свежего воздуха, тепла (холода), светового потока. Экономия энергетических ресурсов по инновационной модели регулирования может составить от 25 до 40%.

Разработанные схемы и алгоритмы регулирования инженерных систем соответствуют современной системе интеллектуального управления зданием (BMS – building management system) и могут быть реализованы на всех уровнях автоматизации, диспетчеризации и мониторинга с использованием цифровых протоколов передачи данных, таких как BACnet, LonWorks, EIB.

На основании разработанных инновационных технологий инженерного обеспечения и алгоритмов их управления в техническое задание на разработку проектной документации административного здания Высшего Арбитражного суда РФ включено использование:

- холодильного центра с аккумулятором холода с холодильными машинами с турбокомпрессорами (холодильный коэффициент 6 вместо традиционного 2,5 для поршневых машин);

- гибридной системы вентиляции, сочетающей естественный и механический приток;

- утилизации теплоты вытяжного воздуха с эффективностью 95%;

- оптимизации сетевых энергетических потерь в трубопроводных системах;

- энергоэффективной управляемой системы освещения;

- интеллектуальной системы регулирования, автоматизации, диспетчеризации и мониторинга инженерных систем.

Выполненная в работе технико-экономическая оценка рыночного потенциала энергосбережения административных зданий показала:

- возможность для новостроек снижения удельных расходов тепловой энергии от среднего уровня зданий, находящихся в эксплуатации, с 341 кВт-ч/м3 год до 109 кВт-ч/м3 год, а электрической – с 99,9 кВт-ч/м3 год до 30,7 кВт-ч/м3 год;

- возможность для реконструируемых административных зданий снижение удельных расходов тепловой энергии до 186 кВт-ч/м3 год, а электрической – до 51,9 кВт-ч/м3 год;

- возможность снижения пиковых тепловых нагрузок для новостроек по отношению к эксплуатируемым зданиям в 1,65 раза, а электрических – в 2 раза.

При обеспечении к 2020 г. объема нового строительства (2,5%) и реконструкции старых административных зданий (5%) возможно доведение 66% всего фонда административных зданий ( 112,5 млн.м2) до классов энергоэффективности А-С с общей ежегодной экономией тепловой энергии более 11 млрд. кВт-ч, а электрической более 3 млрд. кВт-ч.

1 РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМИ СИСТЕМАМИ

Функциональная связь разнородных энергоэффективных систем (отопление, вентиляция, теплоснабжение, горячее водоснабжение, электроснабжение, освещение и др.) реализуется многоуровневой интеллектуальной системой автоматизации, управления и мониторинга жизнеобеспечения здания. Для краткости назовем ее так, как принято в международной практике BMS(buildihg managment systems) – система управления зданием. Ранее было показано, что механическая совокупность энергоэффективных систем, оборудования, установок не является гарантией энергоэффективности всего комплекса, а иногда может привести к обратному результату – неоправданной энергорасточительности.

Приведем лишь один пример из современной практики.

В офисных помещениях в переходные периоды года одновременно функционируют и автоматизированные системы отопления с термостатическими регуляторами и системы кондиционирования воздуха с местными охлаждающими доводчиками – фанкойлами, имеющие также локальные системы автоматического управления. К сожалению, в большинстве случаев системы регулирования этих двух систем функционально не связаны. Функционирование одновременно и систем отопления, и систем охлаждения обусловлено наличием в здании зон, в одних из которых имеют место теплоизбытки, в других – теплопотери. Такой режим в современных офисных зданиях наблюдается достаточно продолжительный период при наружных температурах от +8оС до оС. Типичная ситуация – система отопления поддерживает в офисе температуру воздуха +22±1оС, сотруднику показалось, что на его рабочем месте жарковато и он поставил регулятор фанкойла на температуру воздуха +21оС.

В этом случае фанкойл начинает охлаждать помещение, постепенно увеличивая свою мощность, с другой стороны термостаты системы отопления, получив импульс на повышение температуры воздуха, увеличивает свою мощность. Начинается соревнование системы отопления и охлаждения, какая система «накачает» в помещение больше энергии. Тогда как проблема могла бы решиться достаточно просто: при функционально связанных системах задание снижения температуры воздуха на 1-2оС поступает на систему отопления и приводит к уменьшению подачи тепла, а фанкойл в этом случае вообще не включается. Одновременное функционирование в офисном помещении и отопления, и охлаждения – типичная ситуация даже в самых современных зданиях.

Первым этапом формирования BMS является разработка схемных решений инженерных систем, определение их энергетических нагрузок, установление их функциональных взаимосвязей.

Как правило, заранее определить точно оптимальное сочетание систем с позиций энергоэффективности затруднительно, поэтому требуется многовариантный анализ именно с учетом функциональных связей.

Совместное рассмотрение энергетических режимов работы систем во все периоды года позволяет разработать технологический алгоритм управления комплексом.

Помимо решения актуальной задачи – достижения оптимальной энергоэффективности, BMS решает еще целый комплекс, как связанных с инженерными системами задач, так и автономных. К связанным задачам относится, прежде всего, реализация технологий пожаровзрывобезопасности, террористической безопасности. Эти технологии предполагают особые режимы работы систем вентиляции, водоснабжения, контроля чистоты приточного воздуха. Другой комплекс задач BMS связан с надежностью инженерных систем, мониторингом их технического состояния, диагностикой отказов, включением резервных подсистем. К числу автономных задач BMS относится управление технологическими системами: телевидение, радиофикация, часофикация, СКС, СКД, видеонаблюдение.

В общем виде многоуровневая блок-схема BMS представлена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Обобщенная архитектура автоматизированной системы Уровень 1 – «полевой уровень» – включает в себя устройство локальной автоматики и оконечное электрическое оборудование – исполнительные механизмы, датчики, локальные пульты и панели управления, устройства согласования первичных датчиков с входами контроллеров.

В качестве физических протоколов согласования допускается использовать только стандартизированные информационные протоколы и открытые интерфейсы (EIA/TIA, TCP/IP, MODBUS, LONWorks, EIB и др.).

Уровень 2 – уровень автоматического управления – программируемые логические контроллеры, удаленные модули ввода-вывода и устройства с шинным интерфейсом, объединенные в единую информационную сеть. В качестве сети передачи данных на этом уровне используются высокоскоростные интерфейсы не менее 10 Мбит/с.

Уровень 3 – уровень менеджмента – сервер сбора данных, предназначенный для обмена данными с оборудованием второго уровня и автоматизированное рабочее место менеджера (диспетчера) (АРМ), представляющее собой персональные компьютеры, на которых функционирует специальное программное обеспечение (SCADA) для мониторинга и управления оборудованием инженерных систем.

Такое построение BMS обеспечивает независимость уровней – возможность автономной работы уровней, надежность общего функционирования систем, включая режимы ручного и полуавтоматического управления, упрощает диагностику и наладку.

При этом за счет модульного построения архитектуры системы даже при отказе верхних уровней сохраняются функции сигнализации, контроля и управления на локальных щитах и панелях управления.

Особенностью схемы является наличие распределенных серверов, позволяющих резко сократить и оптимизировать объем первичной и обрабатываемой информации на базе функциональных логических модулей. Каждый логический модуль имеет свои алгоритмы обработки информации, учитывающие степень точность, факторы осреднения во времени, инерционность исполнительных механизмов, динамические характеристики гидравлических, аэродинамических и теплообменных процессов в инженерных системах.

Это позволяет избежать взаимодействия «противоречивых» команд и стабилизировать функционирование инженерных систем с приемлемой точностью поддержания заданных параметров.

Каждая локальная инженерная система, будь то отопление или вентиляция, имеет свой алгоритм управления и свою локальную автоматику. Логическая схема локального управления, как правило, в совершенстве отработана с порцией учета инерционных характеристик системы. Потребность в интегральной корреляции работы локальной автоматики возникает при наступлении «конфликта» функциональных результатов инженерных систем.

Например, в переходный период года система вентиляции, запрограммированная на подачу приточного воздуха с температурой +20оС, из-за инсоляции и внутренних тепловыделений уже не может поддерживать температуру воздуха в помещении в пределах20-22оС. Система отопления, запрограммированная на температуру +22оС, отключила теплоотдачу отопительных приборов.

Возникает потребность в охлаждении помещения и в работу включаются фанкойлы системы кондиционирования воздуха. Возникает некий функциональный «конфликт» системы вентиляции и системы кондиционирования воздуха. Система вентиляции потребляет тепловую энергию для подогрева наружного воздуха от температуры 0-+5оС до +20оС и одновременно необходимо расходовать энергию на выработку холода для фанкойлов. Интегральная схема призвана гармонизировать режимы работы вентиляции и холодоснабжения.

Учитывая, что себестоимость выработки холода в 2-3 раза выше производства тепловой энергии, следует максимально использовать возможности вентиляции для нормализации микроклимата.

Интегральная схема предусматривает в этот период переход системы вентиляции в режим с переменной температурой приточного воздуха. Избытки внутреннего тепла в помещении ассимилируются системой вентиляции с пониженной температурой притока из условия обеспечения в представительном помещении комфортной температуры воздуха +22 оС. Но возможности снижения температуры воздуха в приточном вентиляционном не безграничны. Для того, чтобы сохранить комфортную равномерность температуры воздуха в зоне обитания в пределах 1-1,5оС в невысоких административных помещениях (до 4 м) температура приточного воздуха не должна отличаться от температуры воздуха в помещении более, чем на 6-8оС, то есть минимальная температура притока должна быть не ниже +14-16оС. При таком интегральном алгоритме появляется возможность по сравнению с традиционной схемой одновременно снизить нагрузку на систему холодоснабжения на 12-15 Вт/м2 и на такую же величину сократить расход тепла в системе вентиляции. Вместе с тем, учитывая различия в тепловом режиме помещений, при такой схеме в «недогретых» помещениях снова в работу включится система отопления. Это лишь один из примеров взаимодействия локальных систем, связанный с динамическими режимами их нагрузок.

Другой пример функционального логического взаимодействия разных систем – включение в работу инженерного обеспечения (вентиляция, кондиционирование, освещение) по датчику присутствия персонала на рабочем месте.

Сформулируем целевую функцию энергосберегающей интегральной схемы управления, автоматизации, диспетчеризации и мониторинга систем инженерного обеспечения административного здания – минимизация энергетических и финансовых затрат на обеспечение заданной комфортности рабочей среды обитания сотрудников.

Минимизация энергетических и финансовых затрат объединяется понятием «энергоэффективности», предполагающее оптимальное по экономическим критериям сочетание единовременных и эксплуатационных расходов на инженерное оборудование и системы.

Под комфортностью рабочей среды обитания понимается оптимальный (допустимый) тепловой, воздушный, световой и акустический режим в помещении.

Традиционная схема автоматизации инженерных систем административного здания предполагает формирование регулирующих воздействий на исполнительные органы из условия компенсации внешних и внутренних возмущений в заданные интервалы времени с обеспечением стабильного поддержания комфортности рабочей среды.

Возможно ли найти в традиционной модели регулирования резервы энергосбережения без снижения степени комфортности среды?

Да, возможно, не только не понизив уровень комфортности, но и сделав его наиболее адекватным для каждого сотрудника. Это достигается реализацией технологий индивидуального регулирования комфортности каждого рабочего места.

Представим себе режим работы типичного административного офисного здания на 1000 сотрудников. Первые сотрудники приходят на работу в 8.00 утра, последние уходят в 9.00 вечера.

Как правило, служба эксплуатации на этот период включает на номинальный режим все инженерные системы (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, освещение), рассчитанные на обслуживание всего персонала. Фактически с учетом отпусков, командировок, болезни, обеденного перерыва среднесуточная «занятость» рабочего места не превышает 6 часов. Таким образом, инженерное обеспечение здания эксплуатируется из расчета среднесуточной занятости 11 тыс.

чел-часов, при фактической в 6 тыс. чел-часов.

Можно ли на этом сэкономить энергоресурсы?

Да, если на пустующее индивидуальное рабочее место не будет подаваться вентиляционный воздух, оно не будет обслуживаться нагревающим или охлаждающим доводчиком, если будет выключен индивидуальный светильник, но при этом на соседних занятых рабочих местах будет поддерживаться комфортность среды.

Индикатором «занятости» рабочего места могут служить датчики движения или присутствия. Их алгоритм реагирования может сочетаться с алгоритмом датчиков температуры, влажности, освещенности, концентрации углекислого газа.

Общая интегральная схема инженерных систем и коммуникаций современного административного здания показана на рис. 1.2.

I УРОВЕНЬ – ВНЕШНИЕ РЕСУРСЫ

ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ ХОЛОДНАЯ ВОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ

ВВОДЫ В ЗДАНИЕ

II УРОВЕНЬ – ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ ЦЕНТРЫ

ТЕПЛОВОЙ НАСОСНАЯ ХОЛОДИЛЬНЫЙ

ЭЛЕКТРОЩИТОВАЯ

ПУНКТ СТАНЦИЯ ЦЕНТР

МАГИСТРАЛЬНЫЕ СЕТИ

III УРОВЕНЬ – ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

КОНДИЦИОНИОТОПЛЕ- ВЕНТИЛЯ- ВОДО- ОСВЕРОВАНИЕ

НИЕ ЦИЯ СНАБЖЕНИЕ ЩЕНИЕ

ВОЗДУХА

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

ТЕРМОРЕГУЛЯ- КЛАПАНЫ ЗАСЛОНКИ ЧАСТОТНЫЕ ПРИТОРЫ ВОДЫ

IV УРОВЕНЬ – ЛОКАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ОТОПИ- ВОЗДУХО- ВОДОРАЗ- ИСТОЧТЕЛЬНЫЕ РАСПРЕДЕ- ФАНКОЙЛЫ БОРНАЯ НИКИ

ПРИБОРЫ ЛИТЕЛИ АРМАТУРА СВЕТА

V УРОВЕНЬ – ДАТЧИКИ

ДАВ- ПЕРА- ВЛАЖ ВЕЩЕН

ЛЕНИЕ РА- НОСТЬ ЩЕНСТВИЕ НИЕ НОСТЬ

Рисунок 1.2 – Интегральная схема инженерных систем и коммуникаций.

Интегральная схема включает 5 уровней технологического взаимодействия элементов инженерных систем.

Первый уровень – вводы в здание сетей теплоснабжения, электроснабжения, водопровода.

Как правило, этот уровень не поддается регулированию системой BMS здания, а только контролируется и мониторится. Внешние ресурсоснабжающие организации (теплоэнерго, водоканал и т.п.) на договорных условиях гарантируют подачу ресурсов в здание с заданными параметрами. Для тепловой энергии этот температурный график подачи теплоносителя в зависимости от наружной температуры воздуха, давление на вводе и максимальный расход. В свою очередь служба эксплуатации здания принимает на себя обязательство обеспечить возврат в сеть теплоносителя с параметрами по погодному графику. Превышение температуры обратной воды в теплосети штрафуется.

По водопроводу гарантируется качество воды (химический состав), давление и максимальный расход на вводе.

По электроснабжению договором предусматривается максимальная потребляемая мощность, пределы отклонения от номинального напряжения и частоты переменного тока и максимальные интервалы времени необеспеченности номинальных параметров.

В зависимости от предусматриваемой степени надежности и обеспеченности систем инженерного обеспечения здания проектируются и реализуются для отдельных групп потребителей дополнительные гарантированные источники ресурсов:

- дизельные электростанции, МИНИ-ТЭЦ, стабилизаторы напряжения, аккумуляторы;

- баки аккумуляторы противопожарного водоснабжения;

- резервные вводы в здание сетей тепло- и электроснабжения;

- аккумуляторы теплоты и холода.

Координация взаимодействия основных и резервных источников является предметом регулирования, автоматизации и мониторинга I уровня DMS здания.

Второй уровень – технологические инженерные центры:

- центральный (индивидуальный) тепловой пункт – трансформирующий тепловую энергию на вводе в тепловые потоки с заданными расходами и температурами для отдельных групп потребителей (отопление, вентиляция, кондиционирование, горячее водоснабжение);

- насосные станции, распределяющие воду по отдельным потребителям и зонам, обеспечивая заданные давления и расходы;

- холодильный центр – один из основных потребителей электроэнергии при использовании компрессионных холодильных машин и тепловой энергии в абсорбционных холодильных станциях; как правило, холодильный центр обслуживает 2-3 группы потребителей (приточные вентустановки, фанкойлы, охлаждающие потолки) в различных зонах (до 50-60 зон);

- электрощитовые станции – оборудование, предназначенное для распределения электроэнергии для большого количества потребителей, нередко с дифференциацией по напряжению и частоте тока; в ряде случаев применяется каскадная архитектура построения нескольких уровней щитовых станций в здании;

- отдельный блок составляют слаботочные центры (телефония, телевидение, интернет, спецсвязь ГО и ЧС).

Технологические инженерные центры связаны с инженерными системами (III уровень) магистральными сетями.

Инженерные системы обеспечивают подготовку и доставку необходимых ресурсов непосредственно в зоны и помещения здания.

Принципиальным является вопрос степени централизации инженерных систем.

Минимизация систем вентиляции, кондиционирования, отопления, водоснабжения по критериям нормативных ограничений (деление здания на пожарные отсеки, функциональные зоны) позволяет сэкономить единовременные затраты, но создает проблемы с регулированием комфортной среды в отдельных помещениях и зонах, так как в них могут серьезно отличаться возмущающие воздействия.

Система отопления, как правило, может быть единой в здании и особых сложностей в регулировании теплоотдачи по отдельным зонам и помещениям не возникает. В отдельных случаях, например, в высотных зданиях из-за ограничений по рабочему давлению необходимо зонировать системы отопления по высоте. В других случаях целесообразно функциональное деление систем отопления (воздушное отопление – в подземной автостоянке, напольное отопление – во входной группе, отопление местными приборами – в офисной зоне). Причем для каждой из этих видов систем отопления требуются разные параметры теплоносителя и графики регулирования.

Системы вентиляции делятся на две большие группы: приточные и вытяжные.

В функцию приточной вентиляции входит подготовка и доставка наружного воздуха в помещения с обеспечением заданных параметров (воздухообмена, температуры и влажности).

В зависимости от условий применения существует многообразие схемных решений вентиляции.

Подробнее они будут рассмотрены в разделах локальной автоматизации инженерных систем.

Системы водоснабжения по функциональному назначению делятся на питьевые, хозяйственные и противопожарные. Как правило, эти системы зонируются.

Из всех систем электроснабжения в рассмотрение принимается только системы электроосвещения. Остальные системы являются технологическими и рассматриваются в разделах соответствующих инженерных систем.

Инженерные системы связаны с помещениями и зонами распределительными сетями (воздуховоды, трубопроводы, электрокабели). Распределительные сети имеют сложную разветвленную архитектуру и отдельные их участки рассчитываются на разную пропускную способность.

Регулирование сложных разветвленных сетей осуществляется регуляторами расхода (пропускной способности) с соответствующими исполнительными механизмами: балансировочные и регулирующие двух- и трехходовые клапаны, заслонки, терморегуляторы прямого и импульсного действия, частотные приводы электродвигателей.

Окончательными элементами распределительных сетей (IV уровень) являются отопительные приборы в системах отопления, воздухораспределители в системах вентиляции, фанкойлы в системах кондиционирования, осветительные приборы с источниками света в системах освещения, водоразборная арматура в системах водоснабжения.

Индикаторами комфортности среды обитания служат датчики различных параметров (V уровень):

- давления, расхода и температуры в трубопроводных сетях;

- температуры, влажности, подвижности воздуха в помещениях;

- присутствия и движения, регистрирующие наличие и перемещение персонала;

- освещенности рабочих мест;

- концентрации углекислого газа в помещении;

- концентрации угарного газа и оксидов азота в наружном воздухе и помещениях паркинга.

Все 5 уровней элементов систем жизнеобеспечения образуют функционально связанный комплекс оборудования и устройств, взаимодействие которых обеспечивается системой BMS.

Традиционные системы отопления и вентиляции проектируются и эксплуатируются из условия постоянного обеспечения комфортных (допустимых) условий микроклимата в рабочее время функционирования общественных зданий. При этом предусматривается расчетная заполняемость помещений людьми, близкая к максимальной, также, как и максимальная интенсивность технологических процессов (тепловыделения компьютеров, принтеров и т.п.).

В действительности же и заполняемость помещений людьми, и интенсивность технологических процессов переменна во времени и не требует постоянного обеспечения максимальных режимов работы оборудования, и как следствие, системы отопления и вентиляции могут работать в переменном режиме, обеспечивая значительную экономию энергоресурсов.

Рассмотрим алгоритм работы системы отопления и вентиляции рабочего места в административном здании.

Традиционное техническое решение предусматривает поддержание стабильной температуры воздуха на рабочем месте, например 21±1оС. Такой алгоритм реализуется с помощью регулирующих клапанов с термостатическим элементом, устанавливаемые на отопительный прибор.

В дневное рабочее время в помещение увеличиваются теплопоступления от солнечной радиации и от технологического оборудования административного здания (компьютеры, принтеры, мониторы и т.п.).

Регулирующий клапан в это время, получая импульс от термостатического элемента, снижает расход теплоносителя и теплоотдачу отопительного прибора (рис. 1.3).

По окончании рабочего времени технологические тепловыделения прерываются и прекращаются теплопоступления от инсоляции. Клапан увеличивает расход теплоносителя и теплоотдачу отопительного прибора.

Вместе с тем в нерабочее время поддержание комфортной температуры воздуха не требуется. В этом случае после рабочей смены на некоторое время отопление может быть полностью отключено, а перед началом рабочего дня включено на полную мощность (режим натопа) (рис. 1.4).

Очевидно, что время натопа помещения должно обеспечивать к началу рабочей смены по крайней мере достижение нижнего значения комфортного диапазона температуры воздуха ( 20оС). Так же, как при отключении системы отопления некоторое время до окончания рабочей смены снижение температуры воздуха не упадет ниже нормируемого значения.

Рисунок 1.3 – Изменение температуры воздуха в помещении и нагрузки Рисунок 1.4 – Изменение температуры воздуха в помещении и нагрузка Тепловой режим реальных зданий относится к так называемой «краевой задаче». Изменение температуры воздуха в помещениях при переменном режиме работы системы отопления описывается приближенной зависимостью:

= tво- tв – текущий перепад температуры воздуха в помещении, оС;

= tво- tв кон – конечный перепад температуры воздуха в помещении, оС;

Fo1 – модифицированное число подобия Фурье;

m – темп изменения температуры воздуха помещения, определяемый в зависимости от массивности ограждений (табл. 1.1).

Учитывая, что тепловой режим отдельного помещения регулируется независимо от смежных, определенные трудности связаны с определением параметра к.

В режиме остывания при отключении теплоотдачи отопительных приборов в помещении установится некая равновесная температура воздуха, соответствующая балансу теплопотерь через наружные ограждения и теплопоступлений от внутренних поверхностей смежных отапливаемых помещений с учетом внутренних тепловыделений (компьютеров и т.п.).

Аналогичные процессы имеют место и в режиме натопа.

Таблица 1.1 –Темп изменения температуры.

п/п Высокая массивность Средняя массивность Легкие конструкции Сверхлегкие конструкции В точном решении задачи нестационарного воздушно-теплового режима нет необходимости, так как для выбора системы регулирования требуется оценить диапазоны и динамические характеристики изменения температуры воздуха.

Расчетами и натурными экспериментами было установлено, что при поддержании в смежных помещениях температуры воздуха +20±1 о С при отключении системы отопления в помещении температура воздуха изменяется в интервале, показанном на рис. 1.5.

Рисунок 1.5 – Изменение относительной температуры воздуха в помещении Алгоритм управления системами отопления и вентиляции помещения Отопление – на радиаторах установлены термостатические клапаны, позволяющие изменять тепловой поток прибора в диапазоне от 0 до 120% от номинальной расчетной нагрузки. Номинальная расчетная нагрузка соответствует температуре воздуха в помещении +22оС.

Термостатический клапан, управляемый контроллером выходным сигналом с частотноимпульсной модуляцией (ЧИМ), обеспечивает следующие режимы работы радиатора отопления помещения:

Режим натопа (переход из дежурного режима в комфортный) – полное открытие клапана и обеспечение теплоотдачи – 120% от номинальной с последующим ЧИМ регулированием контроллером..

Режим перехода от комфортного в дежурный – полное закрытие клапана с последующим ЧИМ регулированием контроллером.

Длительность импульса выходного сигнала ЧИМ контроллера определяется разностью между установочным температурным значением и реальной температурой воздуха в помещении.

В комфортном режиме заданное температурное значение воздуха для каждого помещения устанавливается задатчиками датчиков комнатной температуры.

Величина снижения заданного значения температуры для дежурного режима устанавливается программно независимо для каждого помещения.

Переход от режима к режиму осуществляется контроллером по заданной во времени программе.

Режимы для каждого прибора (помещения) могут устанавливаться независимо друг от друга.

Вентиляция – на вытяжных решетках в помещении установлены двухпозиционные клапаны расхода воздуха с импульсным выходом для управления контроллером.

Для клапана расхода воздуха предусматривает два положения: рабочее и дежурное (расход воздуха 20% от рабочего).

Основное положение клапанов в помещении дежурное, при этом электропривод обесточен. При включении датчика присутствия в этих помещениях на электропривод подается напряжение через контакт реле времени и клапан переходит в положение рабочего режима. При выключении освещения по истечении времени задержки электропривод обесточивается, механизм пружинного возврата переводит клапан в положение дежурного режима.

Положение рабочего клапана регулируется контроллером по заданной во времени программе.

Контроллером предусматривается стандартные, заданные во времени программы управления системами отопления и вентиляции для будних дней и выходных с возможностью индивидуальной корректировки.

Аналогично схеме управления систем отопления и вентиляции могут управляться и системы освещения общественных зон жилых и общественных зданий.

В алгоритм управления заложены простые принципы:

- искусственное освещение включается только при недостатке естественной освещенности;

- при отсутствии людей в контролируемой зоне освещение переводится из рабочего режима в дежурный.

Эти принципы реализуются как на локальном уровне управления, так и на уровне менеджмента BMS. В качестве первичных используются датчики освещенности и присутствия.

Функциональные схемы представлены на рис. 1.6 и 1.7.

Рисунок 1.6 – Воздухообмен и расход теплоты в системе вентиляции Рисунок 1.7 – Воздухообмен и расход теплоты в системе вентиляции Анализ режимов эксплуатации офисов позволил выявить возможность организации поддержания переменных во времени параметров микроклимата, а соответственно, переменных режимов работы инженерных систем.

Традиционно в ночное время, когда офисы не эксплуатируются, режим работы системы отопления сохраняется постоянным, а работа систем вентиляции переводится в дежурный режим.

В рабочее время вне зависимости от заполняемости рабочих помещений и отопление, и вентиляция и системы холодоснабжения эксплуатируются в рабочем режиме. Неприятной особенностью даже современных проектных решений является «независимость» работы систем отопления и охлаждения. Офисные помещения характеризуются высокой теплонапряженностью почти круглый год. И нередко внутренние теплоизбытки при температуре наружного воздуха -5 -10оС превышают теплопотери помещений.

В большинстве случаев терморегуляторы отопительных приборов, находящиеся в зоне ниспадающих конвективных токов, переводят систему отопления в режим максимальных нагрузок, увеличивая и без того значительные тепловыделения от освещения, оргтехники, людей. А системы охлаждения, независимые датчики регулирования которых устанавливаются на внутренних стенах, стараются компенсировать теплоизбытки. Поэтому реальные расходы энергии оказываются намного больше расчетных.

Новые предлагаемые решения состоят в установлении функциональных связей между системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и построении соответствующего алгоритма управления.

В табл. 1.2 приведены показатели традиционной и инновационной технологий регулирования комфортности рабочих мест в административных зданиях. Принципиальное отличие этих технологий состоит в отказе обеспечивать микроклимат по расчетным характеристикам на максимальную заполняемость помещений персоналом в пользу индивидуального отслеживания присутствия сотрудников на рабочих местах с обеспечением необходимых и достаточных для комфортности среды ресурсов (тепла, холода, свежего воздуха, освещенности).

Таблица 1.2 – Традиционная и инновационная технологии регулирования комфортности среды обитания.

1. Воздухообмен в Двухрежимная венти- Система с переменным Сокращение возсистемах венти- ляция: рабочий (мак- расходом в зависимо- духообмена на ляции и конди- симальный) воздухо- сти от заполняемости 30-50%, экономия ционирования обмен и дежурный в помещений персоналом тепловой энергии Контроль темпе- Регулирование тепло- Зависимое регулирова- Снижение перературы воздуха в отдачи отопительных ние теплоотдачи ото- топов на 10-15%, помещении приборов с помощью пительных приборов и предотвращение панов прямого дейст- на притоке с помощью подачи в помещевия и независимое ре- датчика в зоне разме- ние и тепла, и хогулирование холодо- щения персонала лода. Экономия Сочетание есте- Независимая работа Блокирование приточ- Экономия элекственной и ме- механической вентиля- ной вентиляции при троэнергии до ханической вен- ции при открывании открывании окон. Ортиляции окон ганизация воздухообмена за счет механической и вытяжной вентиляции Комфортный Рабочий режим осве- Управляемая система Экономия элекуровень осве- щения с потреблением локального освещения троэнергии до щенности рабо- электроэнергии 25-30 с использованием датВт/м А. Регуляторы системы отопления устанавливаются не на комфортную температуру +22 оС, а на пониженную +19 +20оС, система вентиляции настраивается на температуру приточного воздуха, соответствующую комфортной +22оС, система кондиционирования воздуха в базовом режиме регулируется на включении при +24оС. В этом случае при недостатке тепла в помещении система отопления работает в рабочем режиме, совместно с вентиляцией, обеспечивая во всем объеме комфортный диапазон температуры воздуха +20 +22оС.

При росте теплоизбытков температура воздуха начинает расти выше +19 +20 оС, система отопления переходит в прерывистый режим работы, отключая подачу тепла и восстанавливая ее при снижении температуры воздуха ниже +20 оС в зоне установки приборов. Система вентиляции работает в стабильном режиме, ассимилируя теплоизбытки. Системы локального охлаждения включаются при достижении температуры воздуха свыше +24оС. В этих условиях температура воздуха в помещении не выходит из комфортного диапазона +22 +24оС;

- в ночной период система отопления может снизить свою мощность или вообще быть отключена. Компенсацию теплопотерь принимает на себя система вентиляции при сниженном в 4- раз воздухообмене с той же температурой приточного воздуха +22 оС. Отказываться в ночной период от вентиляции неправильно, так как современные отделочные материалы, мебель, строительные конструкции выделяют вредности (радон, фенолформальдегид и др.), достаточно сократить воздухообмен до 0,2-0,3 обменов в час. В этом режиме, учитывая теплоустойчивость здания, температура воздуха в помещениях, как правило, не понизится ниже +16-18оС. Как гарантийная мера может быть предусмотрена автоматическая установка регуляторов отопительных приборов на этот температурный диапазон. Аналогичный режим предусматривается на выходные и праздничные дни. Восстановление комфортных условий к началу рабочего дня производится за 1-1,5 часа включением системы отопления в режиме натопа и вентиляции с использованием частичной рециркуляции воздуха.

В. Другое интересное решение – использовать для регулирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха датчики «присутствия движения». Как правило, в офисных помещениях раздача приточного и удаления вытяжного воздуха осуществляется сетью воздуховодов через приточные и вытяжные решетки, расположенные над рабочими местами. Датчики движения могут быть настроены на локальную зону рабочего места, не затрагивая смежные. При отсутствии на рабочем месте сотрудника через приточные и вытяжные решетки воздухообмен блокируется.

Аналогично управляется локальный охлаждающий доводчик. Таким образом, объем вентиляционного воздуха настраивается на реальную заполняемость рабочего помещения. Технологически управление разветвленной сетью воздуховодов реализуется с помощью балансировочных клапанов и частотным приводом приточных и вытяжных вентустановок.

С. Третьим инновационным решением, предложенным в работе, является утилизация теплоты вытяжного воздуха с помощью роторных теплообменников, позволяющим до 90-95% теплосодержания вытяжного воздуха передать приточному, исключив смешивание чистого и загрязненного воздуха.

D. Следующее решение основано на разработке систем вентиляции, построенном на функциональном зонировании помещений по характеру выделяющихся вредностей. В современных офисных, торгово-развлекательных и жилых комплексах, как правило, предусматриваются подземные автостоянки, требующие активной вентиляции до 2-2,5 обменов в час. Такой воздухообмен необходим для удаления выхлопных газов от автомобилей. Режим пребывания людей, за исключением помещений обслуживающего персонала, в автостоянках кратковременный. Предлагается вместо наружного воздуха, который требуется подогревать до +10 +15оС, подавать в автостоянку воздух, удаляемый из офисных помещений. Воздухообмен в офисных помещениях рассчитывается из условия подачи свежего воздуха на одного человека 40-60 м3/ч, а главной определяющей вредностью считается выдыхаемый человеком углекислый га. Как правило, концентрация углекислого газа в удаляемом из офиса воздуха не превышает 0,2 ПДК, что по санитарным нормам приемлемо для помещений с временным пребыванием людей. В этом случае достигается существенная экономия тепловой энергии и затрат на устройство приточных установок для автостоянки.

Такое решение прошло успешную апробацию в странах Европы и США.

Е. Предлагается заменить электрические воздушно-тепловые завесы на водяные. Прямая трансформация электрической энергии в тепловую экономически не оправдана.

F. Базовый вариант системы холодоснабжения, основанный на применении холодильных машин с поршневыми компрессорами (холодильный коэффициент 2-2,5), предлагается заменить на холодильные машины нового поколения с винтовыми компрессорами (холодильный коэффициент 5,5-5,8).

Системы горячего водоснабжения В базовом варианте нагрузки на горячее водоснабжение заложены максимальные часовые нагрузки, которые с учетом специфики объекта (максимальный водоразбор приходится на обеденное время работы столовых и ресторанов) превышают среднесуточную нагрузку в 3,5-4 раза.

С помощью устройства баков аккумуляторов горячей воды, заряжаемых в основном в ночное время, удалось снизить расчетную нагрузку в 2,9 раза. В проекте предлагается использовать 5 баков емкостью по 2 тн каждый. Одновременно удалось значительно снизить поверхность скоростных теплообменников и мощность насосов.

В традиционном варианте предлагалось использовать современные системы освещения с применением люминесцентных светильников и ламп накаливания. Управление системой освещения предусматривалось ручное позонное с диспетчерским переводом общественных зон на дежурное освещение в ночное время.

В новом решении предлагается использовать только энергоэффективные светильники (ЛЛТ5, НЛВД) с удельным расходом электроэнергии – 100 лм/Вт – вместо люминесцентных (ЛЛТ8, Т12)и ламп накаливания (15-60 лм/Вт).

Все общественные и офисные зоны оборудуются датчиками освещенности, а также для управления освещением используются датчики присутствия движения, предусмотренные для управления системами вентиляции и кондиционирования воздуха. Системы освещения эксплуатируются в дежурном и рабочем режимах. Следует отметить, что объемно-планировочные решения офисных комплексов построены таким образом, что естественной освещенности хватает только для периметральной зоны, поэтому системы освещения эксплуатируются практически весь рабочий день.

Сочетание управления освещением с помощью датчиков освещенности и присутствия позволяет поддерживать комфортный световой режим с учетом реального заполнения рабочих мест и фактического графика работы.

Электропривод насосов и вентиляторов Частотный привод с помощью электронных управляющих станций позволяет осуществлять глубокое регулирование производительности нагнетателей с гибким изменением потребляемой электроэнергии. Переменные режимы работы характерны для насосов систем водоснабжения, теплоснабжения, холодоснабжения, вентиляторов приточных и вытяжных установок.

2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И СХЕМ ЛОКАЛЬНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ

ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ

Функции локальной автоматизации состоят в построении схем и алгоритмов управления функционально однородных групп инженерного оборудования, как правило, обслуживающего сходные по режимам эксплуатации зоны.

Задачи систем локальной автоматизации состоят в обеспечении адекватного реагирования системы на внешние возмущения и поддержание заданных алгоритмом регулирования параметров системы.

Рассмотрим алгоритмы и схемы локальной автоматики основных инженерных систем.

2.1 Тепловые вводы, центральные тепловые пункты Назначение этих инженерных блоков состоит в стабильной подаче теплоносителя потребителям, какими являются системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения (ГВС).

Теплопотребность систем отопления и вентиляции определяются графиком теплоотдачи как функции наружной температуры и режимом эксплуатации (рабочий, дежурный).

Теплопотребности ГВС зависят от режима эксплуатации здания (функционирование столовой, туалетов, душевых).

На рис. 2.1.1 приведена схема автоматизации теплового ввода в здание. Информация о параметрах теплоносителя снимается датчиками температуры воды, давления и расхода.

Исполнительными регулирующими органами являются заслонки с электроприводом, насосы с частотным приводом. На тепловом вводе устанавливается узел учета тепловой энергии и расходомеры.

Основные контрольные и регулирующие функции локальной автоматики:

- контроль температуры подающей воды;

- контроль и регулирование температуры обратной воды;

- учет потребляемой тепловой энергии;

- учет подпитки теплоносителя из сети (контроль внутренних утечек теплоносителя).

Учет тепловой энергии на вводе в здание должен удовлетворять требованиям коммерческого учета (точность, запись динамики расходов и температуры теплоносителя, архивирование данных).

На рис. 2.1.2 приведена схема локальной автоматизации блока теплообменников системы отопления административного здания.

Архитектура системы отопления предусматривает деление системы отопления на две автономные зоны, предусматривающее возможность пофасадного регулирования.

Рисунок 2.1.1 – Схема теплового ввода.

Рисунок 2.1.2 – Схема блоков теплообменников отопления.

Основными элементами блоков приготовления тепла для систем отопления являются:

- система сбора информации (датчики температуры и давления);

- теплообменники (не менее двух для каждой зоны);

- циркуляционные насосы;

- регулирующая и запорная арматура;

- установки поддержания давления;

- предохранительные клапаны давления;

- управляющие контроллеры.

Функции автоматизации блоков теплообмена систем отопления;

- поддержание температуры подающей воды по графику в зависимости от наружной температуры (график 95/70);

- стабилизация гидравлического режима;

- защита от повышения давления в системе сверхрасчетных значений.

На рис. 2.1.3 приведена схема автоматизации блоков теплообмена и накопителей ГВС административного здания.

Особенностью схемы ГВС является:

- двухступенчатая схема подогрева воды;

- система аккумуляции горячей воды для пиковых водоразборов и для обеспечения ГВС в периоды профилактических ремонтов сетей теплоснабжения.

С целью снижения температуры обратной воды, возвращаемой в теплосеть, во II ступень теплообменников подается обратная воды от теплообменников отопления и вентиляции, а догрев воды до постоянной температуры +65оС осуществляется теплообменниками прямого подогрева от теплосети. Основной режим работы этой схемы холодный и переходный периоды года, когда работают системы отопления и вентиляции.

В теплый период года работают только теплообменники I ступени.

Учитывая, что водоразбор ГВС в административных зданиях носит ярко выраженный неравномерный характер (пики приходятся на период функционирования столовой), используются баки-аккумуляторы ГВС. Такое решение позволяет в 1,5-2 раза сократить величину пиковых нагрузок, а соответственно, снизить поверхность теплообменников. Зарядка баков-аккумуляторов ГВС производится в ночное время прямым электроподогревом по сниженному тарифу на электроэнергию (в Москве, Санкт-Петербурге ночной тариф в 2,5-3 раза ниже дневного).

Еще более эффективно можно использовать электроэнергию для накопителей ГВС при применении тепловых насосов с отбором тепла от «серых» канализационных стоков.

Рисунок 2.1.3 – Схема блоков теплообменников и накопителей ГВС.

Такое решение ООО «НПО ТЕРМЭК» совместно с ООО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» реализовал в многоэтажном доме в Никулино-2.

Функции автоматизации блоков ГВС в ЦТП:

- поддержание постоянной температуры воды в ГВС на уровне 55-65о С;

- регулирование температуры обратной воды после теплообменников путем перераспределения расходов воды между ступенями теплообменников;

- регулирование режимов зарядки баков-аккумуляторов ГВС и режимов пикового водоразбора;

- контроль и учет потребления тепловой энергии.

На рис. 2.1.4 приведена модификация узлов регулирования в ЦТП блоков ГВС для высотных административных зданий. Особенностью схемы является деление зон ГВС в здании по высоте с тем, чтобы разгрузить нижнюю водоразборную арматуру от чрезмерного статического давления. Предельное рабочее давление большинства видов регулирующей, запорной и водоразборной арматуры составляет 6 бар. Такая схема применяется для зданий высотой свыше 60 м.

Варианты схем ГВС для высотных зданий, в том числе высотой до 200 м, приведены на рис. 2.1.5 и 2.1.6.

Рисунок 2.1.4 – Схема ГВС высотного здания.

Рисунок 2.1.5 – Схема ГВС высотного здания.

Рисунок 2.1.6 – Схема ГВС здания высотой до 200 м.

2.2 Системы отопления В данном разделе рассмотрены принципы регулирования вертикальных двухтрубных (традиционных) систем отопления и инновационные технологии горизонтальных позонных систем отопления.

На рис. 2.2.1. и 2.2.2 приведены схемы регулирования вертикальных двухтрубных систем отопления с верхней и нижней разводкой теплоносителя.

На отопительных приборах устанавливаются термостатические регуляторы прямого действия. Регулятор представляет собой термочувствительный баллон с игольчатым клапаном, перекрывающим поток теплоносителя в отопительный прибор. При повышении температуры воздуха в помещении балок расширяется и снижает расход теплоносителя, затекающего в прибор, тем самым снижая его теплоотдачу.

На подающем и обратном стояках отопления устанавливаются балансировочные клапаны.

Функции этих клапанов регулировать расход теплоносителя в стояках в зависимости от режимов функционирования всей системы и поддерживать стабильный перепад давления между подающим и обратным стояками отопления.

Недостатками этих видов систем отопления является сложность учета расхода тепловой энергии по отдельным помещениям и зонам.

Более совершенны горизонтальные двухтрубные системы отопления.

На рис. 2.2.3 показана схема многозонального узла регулирования горизонтальной системы отопления и водоснабжения.

Из теплового пункта по зданию прокладываются вертикальные подающий и обратный трубопроводы.

На каждом этаже к магистральным трубопроводам системы отопления присоединяются распределительные коллекторы. Коллекторы в свою очередь соединены подающим и обратным трубопроводами с зональными горизонтальными системами отопления.

На рис. 2.2.4 и 2.2.5 показаны схемы подключения «лучевых» зональных систем и «периметральных».

ООО «НПО ТЕРМЭК» реализовал такие схемные решения, включая средства локальной автоматики с 1998 г. более, чем на 50 объектах.

Достоинства инновационной технологии проектирования горизонтальных систем отопления:

- возможность зонировать системы по функциональному назначению, по режимам эксплуатации, по фасадной ориентации;

- возможность гибкого индивидуального регулирования теплового режима в каждой из зон вне зависимости от режимов других зон;

- возможность зонального учета расхода тепловой энергии в зонах.

Коллекторный узел размещается, как правило, в общественных зонах (коридорах, лифтовых холлах), что позволяет его обслуживать не беспокоя сотрудников.

Рисунок 2.2.1 – Схема регулирования вертикальной двухтрубной Рисунок 2.2.2 – Схема регулирования вертикальной двухтрубной системы отопления с нижней разводкой.

Рисунок 2.2.3 – Схема многозонального узла отопления.

Рисунок 2.2.4 – Схема и узлы регулирования «лучевой» зональной системы отопления.

Рисунок 2.2.5 – Схема и узлы регулирования «периметральной» зональной системы отопления.

2.3 Регулируемые системы отопления и вентиляции с динамическими характеристиками Традиционные системы отопления и вентиляции проектируются и эксплуатируются из условия постоянного обеспечения комфортных (допустимых) условий микроклимата в рабочее время функционирования общественных зданий. При этом предусматривается расчетная заполняемость помещений людьми, близкая к максимальной, также, как и максимальная интенсивность технологических процессов (тепловыделения компьютеров, принтеров и т.п.).

В действительности же и заполняемость помещений людьми, и интенсивность технологических процессов переменна во времени и не требует постоянного обеспечения максимальных режимов работы оборудования, и как следствие, системы отопления и вентиляции могут работать в переменном режиме, обеспечивая значительную экономию энергоресурсов.

Рассмотрим алгоритм работы системы отопления и вентиляции рабочего места в административном здании.

Традиционное техническое решение предусматривает поддержание стабильной температуры воздуха на рабочем месте, например 21±1оС. Такой алгоритм реализуется с помощью регулирующих клапанов с термостатическим элементом, устанавливаемые на отопительный прибор.

В дневное рабочее время в помещение увеличиваются теплопоступления от солнечной радиации и от технологического оборудования административного здания (компьютеры, принтеры, мониторы и т.п.).

Регулирующий клапан в это время, получая импульс от термостатического элемента, снижает расход теплоносителя и теплоотдачу отопительного прибора.

По окончании рабочего времени технологические тепловыделения прерываются и прекращаются теплопоступления от инсоляции. Клапан увеличивает расход теплоносителя и теплоотдачу отопительного прибора.

Вместе с тем в нерабочее время поддержание комфортной температуры воздуха не требуется. В этом случае после рабочей смены на некоторое время отопление может быть полностью отключено, а перед началом рабочего дня включено на полную мощность (режим натопа). Очевидно, что время натопа помещения должно обеспечивать к началу рабочей смены по крайней мере достижение нижнего значения комфортного диапазона температуры воздуха ( 20оС). Так же, как при отключении системы отопления некоторое время до окончания рабочей смены снижение температуры воздуха не упадет ниже нормируемого значения.

Тепловой режим реальных зданий относится к так называемой «краевой задаче». Изменение температуры воздуха в помещениях при переменном режиме работы системы отопления описывается приближенной зависимостью:

= tво- tв – текущий перепад температуры воздуха в помещении, оС;

= tво- tв кон – конечный перепад температуры воздуха в помещении, оС;

Fo1 – модифицированное число подобия Фурье;

m – темп изменения температуры воздуха помещения, определяемый в зависимости от массивности ограждений (табл. 2.3.1).

Учитывая, что тепловой режим отдельного помещения регулируется независимо от смежных, определенные трудности связаны с определением параметра к.

В режиме остывания при отключении теплоотдачи отопительных приборов в помещении установится некая равновесная температура воздуха, соответствующая балансу теплопотерь через наружные ограждения и теплопоступлений от внутренних поверхностей смежных отапливаемых помещений с учетом внутренних тепловыделений (компьютеров и т.п.).

Аналогичные процессы имеют место и в режиме натопа.

Таблица 2.3.1 – Темп изменения температуры.

Высокая массивность Средняя массивность Легкие конструкции Сверхлегкие конструкции В точном решении задачи нестационарного воздушно-теплового режима нет необходимости, так как для выбора системы регулирования требуется оценить диапазоны и динамические характеристики изменения температуры воздуха.

Расчетами и натурными экспериментами было установлено, что при поддержании в смежных помещениях температуры воздуха +20±1 оС при отключении системы отопления в помещении температура воздуха изменяется в интервале, показанном на рис. 2.3.1.

Рисунок 2.3.1 – Изменение относительной температуры воздуха Алгоритм управления системами отопления и вентиляции помещения Отопление – на радиаторах установлены термостатические клапаны, позволяющие изменять тепловой поток прибора в диапазоне от 0 до 120% от номинальной расчетной нагрузки. Номинальная расчетная нагрузка соответствует температуре воздуха в помещении +22оС.

Термостатический клапан, управляемый контроллером выходным сигналом с частотноимпульсной модуляцией (ЧИМ), обеспечивает следующие режимы работы радиатора отопления помещения:

Режим натопа (переход из дежурного режима в комфортный) - полное открытие клапана и обеспечение теплоотдачи – 120% от номинальной с последующим ЧИМ регулированием контроллером..

Режим перехода от комфортного в дежурный – полное закрытие клапана с последующим ЧИМ регулированием контроллером.

Длительность импульса выходного сигнала ЧИМ контроллера определяется разностью между установочным температурным значением и реальной температурой воздуха в помещении.

В комфортном режиме заданное температурное значение воздуха для каждого помещения устанавливается задатчиками датчиков комнатной температуры.

Величина снижения заданного значения температуры для дежурного режима устанавливается программно независимо для каждого помещения.

Переход от режима к режиму осуществляется контроллером по заданной во времени программе.

Режимы для каждого прибора (помещения) могут устанавливаться независимо друг от друга.

Вентиляция – на вытяжных решетках в помещении установлены двухпозиционные клапаны расхода воздуха с импульсным выходом для управления контроллером.

Для клапана расхода воздуха предусматривает два положения: рабочее и дежурное (расход воздуха 20% от рабочего).

Основное положение клапанов в помещении дежурное, при этом электропривод обесточен. При включении датчика присутствия в этих помещениях на электропривод подается напряжение через контакт реле времени и клапан переходит в положение рабочего режима. При выключении освещения по истечении времени задержки электропривод обесточивается, механизм пружинного возврата переводит клапан в положение дежурного режима.

Положение рабочего клапана регулируется контроллером по заданной во времени программе.

Контроллером предусматривается стандартные, заданные во времени программы управления системами отопления и вентиляции для будних дней и выходных с возможностью индивидуальной корректировки.

Аналогично схеме управления систем отопления и вентиляции могут управляться и системы освещения общественных зон жилых и общественных зданий.

В алгоритм управления заложены простые принципы:

- искусственное освещение включается только при недостатке естественной освещенности;

- при отсутствии людей в контролируемой зоне освещение переводится из рабочего режима в дежурный.

Эти принципы реализуются как на локальном уровне управления, так и на уровне менеджмента BMS. В качестве первичных используются датчики освещенности и присутствия.

Анализ режимов эксплуатации офисов позволил выявить возможность организации поддержания переменных во времени параметров микроклимата, а соответственно, переменных режимов работы инженерных систем.

Традиционно в ночное время, когда офисы не эксплуатируются, режим работы системы отопления сохраняется постоянным, а работа систем вентиляции переводится в дежурный режим.

В рабочее время вне зависимости от заполняемости рабочих помещений и отопление, и вентиляция и системы холодоснабжения эксплуатируются в рабочем режиме. Неприятной особенностью даже современных проектных решений является «независимость» работы систем отопления и охлаждения. Офисные помещения характеризуются высокой теплонапряженностью почти круглый год. И нередко внутренние теплоизбытки при температуре наружного воздуха -5 -10оС превышают теплопотери помещений.

В большинстве случаев терморегуляторы отопительных приборов, находящиеся в зоне ниспадающих конвективных токов, переводят систему отопления в режим максимальных нагрузок, увеличивая и без того значительные тепловыделения от освещения, оргтехники, людей. А системы охлаждения, независимые датчики регулирования которых устанавливаются на внутренних стенах, стараются компенсировать теплоизбытки. Поэтому реальные расходы энергии оказываются намного больше расчетных.

Новые предлагаемые решения состоят в установлении функциональных связей между системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и построении соответствующего алгоритма управления.

А. Регуляторы системы отопления устанавливаются не на комфортную температуру +22 оС, а на пониженную +19 +20о С, система вентиляции настраивается на температуру приточного воздуха, соответствующую комфортной +22оС, система кондиционирования воздуха в базовом режиме регулируется на включении при +24оС. В этом случае при недостатке тепла в помещении система отопления работает в рабочем режиме совместно с вентиляцией, обеспечивая во всем объеме комфортный диапазон температуры воздуха +20 +22оС.

При росте теплоизбытков температура воздуха начинает расти выше +19 +20 оС, система отопления переходит в прерывистый режим работы, отключая подачу тепла и восстанавливая ее при снижении температуры воздуха ниже +20 оС в зоне установки приборов. Система вентиляции работает в стабильном режиме, ассимилируя теплоизбытки. Системы локального охлаждения включаются при достижении температуры воздуха свыше +24оС. В этих условиях температура воздуха в помещении не выходит из комфортного диапазона +22 +24оС;

- в ночной период система отопления может снизить свою мощность или вообще быть отключена. Компенсацию теплопотерь принимает на себя система вентиляции при сниженном в 4- раз воздухообмене с той же температурой приточного воздуха +22 оС. Отказываться в ночной период от вентиляции неправильно, так как современные отделочные материалы, мебель, строительные конструкции выделяют вредности (радон, фенолформальдегид и др.), достаточно сократить воздухообмен до 0,2-0,3 обменов в час. В этом режиме, учитывая теплоустойчивость здания, температура воздуха в помещениях, как правило, не понизится ниже +16-18оС. Как гарантийная мера может быть предусмотрена автоматическая установка регуляторов отопительных приборов на этот температурный диапазон. Аналогичный режим предусматривается на выходные и праздничные дни. Восстановление комфортных условий к началу рабочего дня производится за 1-1,5 часа включением системы отопления в режиме натопа и вентиляции с использованием частичной рециркуляции воздуха.

В. Другое интересное решение – использовать для регулирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха датчики «присутствия движения». Как правило, в офисных помещениях раздача приточного и удаления вытяжного воздуха осуществляется сетью воздуховодов через приточные и вытяжные решетки, расположенные над рабочими местами. Датчики движения могут быть настроены на локальную зону рабочего места, не затрагивая смежные. При отсутствии на рабочем месте сотрудника через приточные и вытяжные решетки воздухообмен блокируется.

Аналогично управляется локальный охлаждающий доводчик. Таким образом объем вентиляционного воздуха настраивается на реальную заполняемость рабочего помещения. Технологически управление разветвленной сетью воздуховодов реализуется с помощью балансировочных клапанов и частотным приводом приточных и вытяжных вентустановок.

С. Третьим инновационным решением, предложенным в работе, является утилизация теплоты вытяжного воздуха с помощью роторных теплообменников, позволяющим до 90-95% теплосодержания вытяжного воздуха передать приточному, исключив смешивание чистого и загрязненного воздуха.

D. Следующее решение основано на разработке систем вентиляции, построенном на функциональном зонировании помещений по характеру выделяющихся вредностей. В современных офисных, торгово-развлекательных и жилых комплексах, как правило, предусматриваются подземные автостоянки, требующие активной вентиляции до 2-2,5 обменов в час. Такой воздухообмен необходим для удаления выхлопных газов от автомобилей. Режим пребывания людей, за исключением помещений обслуживающего персонала, в автостоянках кратковременный. Предлагается вместо наружного воздуха, который требуется подогревать до +10 +15 оС, подавать в автостоянку воздух, удаляемый из офисных помещений. Воздухообмен в офисных помещениях рассчитывается из условия подачи свежего воздуха на одного человека 40-60 м3/ч, а главной определяющей вредностью считается выдыхаемый человеком углекислый га. Как правило, концентрация углекислого газа в удаляемом из офиса воздуха не превышает 0,2 ПДК, что по санитарным нормам приемлемо для помещений с временным пребыванием людей. В этом случае достигается существенная экономия тепловой энергии и затрат на устройство приточных установок для автостоянки.

Такое решение прошло успешную апробацию в странах Европы и США.

Е. Предлагается заменить электрические воздушно-тепловые завесы на водяные. Прямая трансформация электрической энергии в тепловую экономически не оправдана.

F. Базовый вариант системы холодоснабжения, основанный на применении холодильных машин с поршневыми компрессорами (холодильный коэффициент 2-2,5), предлагается заменить на холодильные машины нового поколения с винтовыми компрессорами (холодильный коэффициент 5,5-5,8).

Системы горячего водоснабжения В базовом варианте нагрузки на горячее водоснабжение заложены максимальные часовые нагрузки, которые с учетом специфики объекта (максимальный водоразбор приходится на обеденное время работы столовых и ресторанов) превышают среднесуточную нагрузку в 3,5-4 раза.

С помощью устройства баков аккумуляторов горячей воды, заряжаемых в основном в ночное время, удалось снизить расчетную нагрузку в 2,9 раза. В проекте предлагается использовать баков емкостью по 2 тн каждый. Одновременно удалось значительно снизить поверхность скоростных теплообменников и мощность насосов.

В традиционном варианте предлагалось использовать современные системы освещения с применением люминесцентных светильников и ламп накаливания. Управление системой освещения предусматривалось ручное позонное с диспетчерским переводом общественных зон на дежурное освещение в ночное время.

В новом решении предлагается использовать только энергоэффективные светильники (ЛЛТ5, НЛВД) с удельным расходом электроэнергии – 100 лм/Вт – вместо люминесцентных (ЛЛТ8, Т12)и ламп накаливания (15-60 лм/Вт).

Все общественные и офисные зоны оборудуются датчиками освещенности, а также для управления освещением используются датчики присутствия движения, предусмотренные для управления системами вентиляции и кондиционирования воздуха. Системы освещения эксплуатируются в дежурном и рабочем режимах. Следует отметить, что объемно-планировочные решения офисных комплексов построены таким образом, что естественной освещенности хватает только для периметральной зоны, поэтому системы освещения эксплуатируются практически весь рабочий день.

Сочетание управления освещением с помощью датчиков освещенности и присутствия позволяет поддерживать комфортный световой режим с учетом реального заполнения рабочих мест и фактического графика работы.

Электропривод насосов и вентиляторов Частотный привод с помощью электронных управляющих станций позволяет осуществлять глубокое регулирование производительности нагнетателей с гибким изменением потребляемой электроэнергии. Переменные режимы работы характерны для насосов систем водоснабжения, теплоснабжения, холодоснабжения, вентиляторов приточных и вытяжных установок.

2.4 Системы вентиляции и кондиционирования воздуха Систему локальной автоматизации систем вентиляции и кондиционирования воздуха можно условно разделить на три блока:

- блок индивидуального регулирования комфортности на рабочем месте;

-блок аэродинамической стабилизации вентиляционной сети;

- блок регулирования параметров приточного воздуха на вентустановке (кондиционере).

Все блоки тесно связаны между собой.

Блок индивидуального регулирования выполняет следующие функции:

- индикация присутствия сотрудника на рабочем месте;

- задание комфортной температуры воздуха на рабочем месте;

- регулирование объема подачи приточного воздуха на рабочее место;

- индикация открытого окна.

Внешний вид блока управления комфортностью на рабочем месте показан на рис. 2.4.1.

Блок совмещает в себе логический контроллер и панель управления.

Функции панели управления показаны на рис. 2.4.2.

Показан один из самых современных контроллеров индивидуального регулирования, разработанный шведской фирмой SWEGON.

Алгоритм управления следующий:

- при наличии открытого окна и присутствия сотрудника – сигнал на закрытие клапана притока вентиляции (кондиционера); контроль температуры осуществляется подачей сигнала на рециркуляционный фанкойл в зоне рабочего места;

- при закрытии окна и наличии сотрудника поступает сигнал на открытие вентиляционного клапана для подачи санитарной нормы воздуха, приготовленного в вентустановке (кондиционере);

Рисунок 2.4.1 – Внешний вид блока индивидуального регулирования.

Рисунок 2.4.2 – Функции панели управления индивидуального Рисунок 2.4.3 – Принципиальная схема блока регулирования аэродинамической стабилизации многозональной вентсети.

- при отсутствии сотрудника на рабочем месте вентиляционный клапан закрыт, фанкойл отключен вне зависимости, закрыто или открыто окно;

- сигнал об открытии или закрытии окна поступает от концевого выключателя, установленного на створке окна.

Функции панели управления показаны на рис. 2.4.2.

Контроллер запрограммирован на 3 режима расхода вентиляционного воздуха:

- низкий (фоновой режим);

- нормальный (санитарная норма);

- максимальный.

Блок аэродинамической стабилизации вентиляционной сети предназначен для поддержания заданных расходов в каждой из зон многозональной сети, вне зависимости от изменения режимов вентиляции в отдельных зонах (рис. 2.4.3).

При отбытии сотрудника с рабочего места срабатывает датчик присутствия и закрывается по его сигналу заслонка зонального воздухораспределителя. Для того, чтобы не наступила аэродинамическая разрегулировка всей многозональной сети, необходимо осуществить корректирующую регулировку всех заслонок сети. Это действие реализуется по сигналу датчика давления (перепаде давления), установленного и оттарированного непосредственно после каждого индивидуального воздухораспределителя. При наладке системы вентиляции на соответствие проектным расходам воздуха по зонам контроллер фиксирует заданный перепад давления воздуха перед воздухораспределителем, обеспечивающим требуемый расход воздуха. При снижении величины давления перед воздухораспределителем датчик подает сигнал на исполнительный механизм заслонки и начинает плавно ее открывать до восстановления заданного значения давления. При увеличении давления происходит обратный процесс.

Учитывая, что глубина регулирования должна обеспечивать изменение расхода воздуха в вентустановке от 10 до100%, электропривод вентагрегата оборудуется частотным приводом, изменяющим число оборотов вентилятора, а соответственно, и его производительность.

Такая большая глубина регулирования обусловлена неравномерным заполнением административного здания персоналом, особенно до начала и после окончания рабочего времени.

Большое разнообразие схемных решений и алгоритмов управления заложено в варианты построения блоков вентустановки.

В общем случае вентустановка включает следующие секции:

- приемный утепленный клапан;

- секцию вентагрегата;

- секцию смешения (рециркуляции);

- секции байпаса;

- секции очистки воздуха;

-секцию увлажнения воздуха;

- секции калориферов;

- секции охладителей;

- секции утилизаторов тепла;

- насосные группы подачи теплоносителя, холодоносителя, воды.

Причем, в одной вентустановке может компоноваться несколько ступеней секций, например, калориферы первого и второго подогрева, секции грубой и тонкой очистки воздуха и др.

Разнообразие компоновочных решений обусловлено спецификой изменения параметров наружного воздуха для придания заданных кондиций приточному воздуху.

Как правило, подбору схемных решений вентустановки предшествует построение и анализ процессов обработки воздуха в J-d диаграмме.

В данном разделе приведем лишь основные схемы обработки воздуха в вентустаноках и алгоритмы регулирования.

На рис. 2.4.4 приведена базовая схема приточной установки с регулирующими устройствами.

Наружный воздух поступает через утепленный клапан 5 и очищается в фильтре 3, в холодный период года нагревается в калорифере 2 и вентилятором 1 подается в вентиляционную сеть.

Регулирующий клапан 6 контролирует расход теплоносителя через калорифер по графику отпуска тепла. Температура теплоносителя контролируется датчиком температуры 11. Термостаты 8, 9, управляют работой системы защиты калорифера от замораживания. Пуск установки производится с локального щита управления, сопряженного с контроллером, реализующим алгоритм управления.

Схема на рис. 2.4.5 отличается от базовой наличием рециркуляционной секции, подмешивающей за счет разряжения, создаваемого вентилятором, воздух помещения к наружному.

Регулирование температуры приточного воздуха осуществляется по алгоритму:

- в холодный период года при низких температурах наружного воздуха обеспечивается максимальный подмес рециркуляционного воздуха к наружному, расход которого соответствует санитарной норме. Соотношение смешиваемых потоков регулируется заслонкой 17;

- датчики температуры контролируют температуру смешанного потока и при его температуре ниже заданной расчетной дают импульс на включение калориферной секции и его догрев до расчетной температуры;

Рисунок 2.4.4 – Базовая схема приточной установки.

Рисунок 2.4.5 – Схема приточной установки с узлом регулирования.

- в процессе эксплуатации контроллер по сигналу датчика температуры 11 регулирует положение заслонок 4, 17 и 18 и обеспечивает расчетный режим работы вентустановки;

- при переменном режиме работы вентиляции контроллер управляет воздухопроизводительностью вентилятора, отслеживая фактическую потребность воздухообмена в обслуживаемых зонах.

На рис. 2.4.6. и 2.4.7 приведена модификация базовой вентустановки с резервным вентилятором, калориферами I и II подогрева и датчиками перепада давления 13.

Более сложная схема вентиляционной установки приведена на рис. 2.4.8.

В такой компоновке система вентиляции позволяет контролировать не только температуру, но и влажность приточного воздуха как в теплый, так и в холодный периоды года.

Наружный воздух поступает в установку через приемный клапан 5 и очищается сначала в фильтре грубой, затем тонкой очистки 3. Далее в холодный период года воздух нагревается в калорифере I подогрева, затем по адиабате увлажняется в оросительной камере 17, после чего догревается в калорифере II подогрева и поступает в вентиляционную сеть.

Циркуляционный насос оросительной камеры работает в стабильном режиме, подпитка воды осуществляется из питьевого водопровода.

Контроллер регулирует подачу теплоносителя к калориферам с помощью регулирующих клапанов 6 и 21. Термостаты 8, 9 и 10 обеспечивают контроль и защиту калорифера I подогрева от замораживания.

В теплый период года установка работает при отключенных калориферах в режиме адиабатического охлаждения воздуха. Пуск системы производится при полностью открытой заслонке 4;

при выключении заслонка закрывается.

Алгоритм защиты калориферов от замораживания предусматривает установку термостата перед калорифером в воздушном потоке, термостата 9 на трубопроводе обратного теплоносителя и термостата 10 в воздушном потоке после калорифера. Система зашиты от замораживания включается при снижении температуры обратного теплоносителя ниже +25оС, при температуре воздуха до калорифера ниже +3оС и при температуре воздуха после калорифера ниже +5оС.

Срабатывание защиты от замораживания предусматривается логикой контроллера:

- останавливается вентагрегат;

- закрывается приемный клапан;

- открывается регулирующий клапан на подающем трубопроводе теплоносителя;

- включается циркуляционный насос на малом кольце циркуляции теплоносителя.

Если в результате параметры системы вышли из ограничительных диапазонов, вентустановка автоматически запускается, если не подается аварийный сигнал на диспетчерский пункт.

Рисунок 2.4.6 – Схема приточной установки с узлом рециркуляции и резервным вентилятором.

Рисунок 2.4.7 – Схема приточной установки (модификация базовой схемы).

Рисунок 2.4.8 – Схема приточной установки (модификация базовой схемы).

На рис. 2.4.9 приведена модификация предыдущей компоновки вентустановки, предусматривающая возможность рециркуляции воздуха из помещения, наличие зональных калориферов II подогрева.

Наиболее полной с точки зрения возможностей обработки воздуха является схема на рис.

2.4.10.

В дополнение к уже описанным схемам она включает поверхностные воздухоохладители.

Обработка воздуха и алгоритм управления установкой в холодный период года принципиально не отличается от описанных выше. В теплый период года воздух после очистки поступает в поверхностный воздухоохладитель, в котором он охлаждается на первом этапе без изменения влагосодержания. При необходимости осушения воздуха используется глубокое охлаждение с конденсацией влаги на поверхностном воздухоохладителе.

Принципиально алгоритм регулирования работы охладителя аналогичен схеме управления калориферами.

С точки зрения строго контроля влагосодержания воздуха схемы с оросительной камерой и поверхностным охладителем достаточно несовершенны.

Относительная влажность приточного воздуха в значительной степени зависит от начальных параметров наружного воздуха. Процесс адиабатического увлажнения может осуществляться до состояния полного насыщения воздуха водяными парами при сохранении постоянства энтальпии.

Для повышения регулируемости влагосодержания приточного воздуха может быть использована рециркуляция внутреннего воздуха помещения. Изменяя соотношение расходов наружного и рециркуляционного воздуха, можно достаточно точно регулировать относительную влажность приточного воздуха в диапазоне от относительной влажности воздуха после оросительной камеры и относительной влажностью воздуха в помещении.

В схемы вентустановок 2.4.5-2.4.11 могут быть вписаны утилизаторы теплоты вытяжного воздуха.

Утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем могут выполнять функции калориферов I подогрева. Как правило, в целях надежности их функционирования в качестве промежуточного теплоносителя используют незамерзающие жидкости, чаще всего этиленгликоль и его водные растворы.

Такие же функции могут выполнять и рекуперативные пластинчатые теплоутилизаторы.

Следует обратить внимание на технологии защиты от обмерзания теплообменников. Как правило, производители теплоутилизаторов обеспечивают установки блоками защиты от обмерзания с комплектной регулирующей автоматикой.

Рисунок 2.4.9 – Схема приточной установки с рециркуляцией, резервным вентиляторов, калориферами I и II подогрева.

Рисунок 2.4.10 – Схема приточной установки (модификация базовой схемы).

Рисунок 2.4.11 – Схема приточной установки с оросительной камерой.

Наиболее совершенными признаны роторные регенеративные теплоутилизаторы. Их коэффициент эффективности достигает 95%. Кроме того, в холодный период года они позволяют осуществлять массоперенос влаги из вытяжного в приточный воздух. Перенос осуществляется на молекулярном уровне с использованием мембранных технологий, предотвращающий смешивание загрязняющих веществ теплообменивающихся потоков воздуха.

К категории воздухоприготовительных установок следует отнести воздушно-тепловые завесы (рис. 2.4.12 и 2.4.13).

Воздушные завесы используют рециркуляционный воздух. Их включение, как правило, сблокировано с открыванием ворот и дверей. Регулирование работы воздушно-тепловых завес может регулироваться и по сигналам датчиков температуры воздуха, устанавливаемых в зоне ворот.

Возвращаясь к теме регулирования влажности воздуха, следует отметить возможность применения локальных дозирующих увлажнителей. Это могут быть парогенераторы с электроподогревом (рис. 2.4.14) или аналогичные, но менее энергоемкие ультразвуковые увлажнители. Регулирование пароувлажнителей осуществляется по сигналам датчика влажности воздуха путем изменения количество водяных паров, поступающих от парогенератора за счет подвода тепла от электронагревателя. Количество генерируемого пара гибко регулируется электронагревом, что повзоляет достаточно точно контролировать относительную влажность приточного воздуха.

На рис. 2.4.14 приведена схема обвязки и узлов регулирования типового блока калориферов I подогрева.

Рисунок 2.4.12 – Схема установки завесы.

Рисунок 2.4.13 – Схема воздушно-тепловой завесы.

Рисунок 2.4.14 – Схема приточной установки (модификация базовой схемы).

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ИНТЕГРАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ И МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНЫМИ СИСТЕМАМИ

Наиболее сложными элементами BMS являются системы управления несколькими функционально связанными локальными системами.

Например, необходимо обеспечить заданную температуру обратной сети теплоснабжения, являющуюся осредненным значением обратных потоков из 3-х групп теплообменников: отопления, вентиляции и горячего водоснабжения (ГВС). Как правило, эта задача решается построением алгоритма взаимодействия узлов регулирования теплообменников отопления и ГВС, но в общем случае могут быть задействованы и узлы вентиляции (рис. 3.1).

Алгоритм интегрального управления различными группами теплопотребителей рассмотрим на схеме функциональной связи системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Системы регулирования локальных систем гарантированно поддерживает расчетную температуру теплоносителя в системе отопления 95/70о С, а в системе горячего водоснабжения 65оС.

Органы регулирования теплового пункта должны поддерживать температуру обратного теплоносителя в сети не более 70о С.

Система отопления работает в стабильном режиме и ее теплопотребность в течение суток меняется не более, чем на 10%.

Система горячего водоснабжения имеет график теплопотребления с ярко выраженной неравномерностью (рис.3.2).

Принципиальная интегральная схема регулирования отпуска тепла представлена на рис. 3.3.

При средней тепловой нагрузке системы горячего водоснабжения теплоноситель с температурой в 150оС поступает в теплообменник системы отопления, где охлаждается до температуры 100оС, затем поступает в теплообменник горячего водоснабжения, где охлаждается ниже 70оС.

При снижении расхода воды в системе горячего водоснабжения начинает расти температура обратной воды и при достижении ее до 70 оС снижается расход теплоносителя регулирующим клапаном 4 вплоть до полного закрытия при отсутствии горячего водоразбора. Теплоноситель из отопительного теплообменника с целью снижения температуры до 70 оС с помощью регулирующего клапана 3 подмешивается к подающему высокотемпературному теплоносителю.

Рисунок 3.1 – Блок-схема алгоритма интегрального управления отпуска тепла на ЦТП.

Рисунок 3.2 – График теплопотребления системами отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Рисунок 3.3 – Принципиальная интегральная схема регулирования отпуска тепла При максимальном горячем водоразборе регулирующий клапан 4 подмешивает перед подачей воды в горячеводный теплообменник к обратной воде после отопительного теплообменника прямой теплоноситель.

В действительности, в зависимости от числа групп потребителей количество теплообменников и регулирующих органов может достигать нескольких десятков, но принципиально схема интегрального регулирования, основанная на перераспределении расходов теплоносителя с различным температурным потенциалом, не меняется.

Локальные контроллеры, как правило, имеют ограниченное число программных режимов управления:

- режим взаимодействия со смежными локальными контроллерами.

В соответствии с заложенными программами локальные контроллеры подают управляющие импульсы на исполнительные механизмы органов рециркулирования: заслонки, краны, клапаны, приводы электродвигателей. Локальные контроллеры отслеживают реакцию параметров среды на действия регулирующих органов и в зависимости от динамики возмущений корректируют настройку систем.

Центральные контроллеры определяют логику взаимодействия локальных контроллеров и их программных режимов. Кроме того, центральные контроллеры определяют приоритет функциональных регулирующих воздействий.

Например, в переходный период года регулирование температуры воздуха на рабочем месте возможно с помощью системы отопления, вентиляции или кондиционирования воздуха. Алгоритм центрального контроллера предусматривает блокирование разнонаправляемых воздействий на микроклимат (например, не допускает одновременную подачу в помещение тепла и холода) и одновременно устанавливает энергетические целесообразные приоритеты регулирования (например, снижает подачу тепла от системы отопления, сохраняя постоянной комфортную температуру притока).

Общее управление инженерными системами по цепочке к центральным и локальным контроллерам осуществляет центральный компьютер, в функции которого входят также анализ диагностики работоспособности элементов систем и мониторинг всего инженерного обеспечения.

В общем виде функции BMS представлены в табл. 3.1.

Реализация функций предусматривает сбор первичной информации от различных групп датчиков:

- наружного климата и атмосферы (температура, влажность воздуха, концентрация СО, NOx, CO2);

- внутреннего микроклимата (температура, влажность воздуха, концентрация CO2, освещенность);

- параметров инженерных систем (температура, давление, тепло (холодо) носителей, температура давления и влажности воздуха в системах вентиляции, характеристик основного оборудования – потребляемая мощность, наработки моточасов и др.) Таблица 3.1 – Основные функции элементов BMS инженерных систем административного здания п/п Сбор информации для принятия Первичные датчики:

регулирующих решений - наружной среды (температура, влажность, концентрация СО, NOx, CO2);

Осуществление регулирующих Исполнительные механизмы с регулирующими клавоздействия на рабочую среды панами, заслонками, кранами Реализация законов (алгоритмов) Контроллеры с программным обеспечением, восрегулирования локальных инже- принимающие информацию от первичных датчинерных систем ков, обрабатывающих ее, и направлющие регулирующие воздействия на исполнительные механизмы Реализация алгоритмов инте- Центральные контроллеры (компьютеры), задаюгрального регулирования функ- щие логику (алгоритмы) взаимодействия локальных ционально связанных инженер- контроллеров с анализом информации от большого Контрольные функции состояния Центральный компьютер, интегрирующий блоки параметров микроклимата в контрольной информации с мнемосхемами большом числе зон, работоспособности основных элементов инженерного оборудования Диагностика неисправностей Центральный компьютер, устанавливающий логиинженерных систем и их элемен- ческую связь отклонения заданных параметров систов тем и элементов систем, ответственных за их обеспечение Диспетчеризация инженерных Блок центрального компьютера, устанавливающий систем иерархию подсистем управления, включая центральные и локальные контроллеры, позволяющий Мониторинг работы инженерных Блок центрального компьютера, собирающий, анасистем лизирующий и архивирующий всю основную информацию о работе инженерных систем, включая:

- наличия персонала на рабочих местах и выделенных зонах (датчики движения, присутствия).

Информация от датчиков поступает как на локальные уровни управления (локальные контроллеры), так и на центральные серверы (центральный компьютер BMS).

Режимы работы инженерных систем отслеживаются программным обеспечением локальных контроллеров (табл. 3.2).

Таблица 3.2 – Основные режимы регулирования инженерных систем административного здания.

1.2. Переходный период года - соответствие отпуска холода от холодильного ценТеплый период года тра системам вентиляции и кондиционирования 3.2. Нерабочее время (ночной - перевод систем вентиляции из рабочего режима Режим отслеживания присутст- - перевод локальных устройств отопления, вентилявия сотрудника на рабочем месте ции, кондиционирования воздуха, освещения из режимов включения в режимы отключения;

К основным режимам регулирования относятся:

- сезонные (теплый, переходный, холодный) периоды года;

- суточный и недельный режимы, определяющие график эксплуатации административного здания;

- режим отслеживания присутствия персонала на рабочих местах и в выделенных зонах;

- аварийные режимы.

В зависимости от типа режима каждая из инженерных систем имеет свою логику регулирования, а центральные контроллеры отслеживают взаимодействие режимов функционально связанных систем.

Основными интегральными режимами управления инженерными системами являются:

режим поддержания комфортности рабочей среды (табл. 3.3) и режим отслеживания присутствия персонала на рабочих местах и в выделенных зонах (табл. 3.4).

В холодный период года с ростом температуры наружного воздуха и повышением интенсивности инсоляции в рабочее время на рабочих местах происходит увеличение внутренней тепловой нагрузки, приводящей к росту температуры воздуха. Из условий равномерности распределения температуры воздуха в объеме рабочей зоны в алгоритме регулирования в этот период заложена подача приточного воздуха с постоянной температурой +20о С. Компенсация роста теплонапряженности на рабочем месте осуществляется регулированием теплоотдачи отопительных приборов с помощью терморегулирующих термостатов. Повышение температуры обратной воды в системе отопления вызывает реакцию локального контроллера ЦТП, снижающего расход первичного теплоносителя через теплообменники отопления до достижения контрольной температуры теплоносителя, возвращаемого в теплосеть.

В переходный период года при наружной температуре воздуха (0-+оС) величина внутренних тепловыделений с учетом инсоляции превышает трансмиссионные теплопотери и термостаты прекращают подачу теплоносителя в отопительные приборы. Центральный контроллер, регистрируя превышение температуры воздуха в помещении свыше допустимой (+24 оС) и выдают сигнал локальному контроллеру вентиляции на включение режима снижения температуры приточного воздуха в ограниченном диапазоне ()14-20оС) до обеспечения нижнего уровня комфортной температуры воздуха на рабочем месте +22оС. Контроллер ЦТП выполняет корректировку расхода первичного теплоносителя через теплообменники вентиляции для сохранения контрольной температуры обратного теплоносителя.

Таблица 3.3 – Алгоритм интегрального регулирования температуры воздуха в помещении.