Способ автоматического управления системой кондиционирования воздуха

Изобретение относится к автоматическому управлению системой кондиционирования воздуха (СКВ). Способ управления СКВ включает: измерения температуры и влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, а также расхода приточного воздуха, передачу результатов измерений на верхний уровень управления, вычисление тепло- и влагоизбытков в помещении, определение расчетных термодинамических параметров воздуха, которые должны поддерживаться в помещении, определение оптимальной, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, последовательности тепловлажностной обработки воздуха и на локальном уровне управления регулирование посредством воздействия на регулирующие органы аппаратов обработки воздуха, на верхнем уровне управления определяют расчетные значения расходных и термодинамических параметров взаимодействующих сред для процессов тепловлажностной обработки воздуха на входе и выходе для каждой подсистемы СКВ, значения этих параметров в качестве уставок для настройки датчиков передают на локальный уровень, где организуют регулирование регулируемых параметров, одновременно во всех подсистемах СКВ. Это позволяет снизить инерционность в управлении СКВ. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технике кондиционирования воздуха в промышленных и общественных сооружениях и может быть использовано при разработке автоматизированных систем кондиционирования воздуха (СКВ).

Аналогом предлагаемого изобретения является способ автоматического управления параметрами воздуха в помещении по а.с. СССР №576496, МКИ F24F 11/06 - [1], основанный на измерении энтальпии и влагосодержания внутреннего, приточного, наружного воздуха и на измерении расхода воздуха. Регулирование ведут по отклонению текущих значений энтальпии и влагосодержания внутреннего воздуха от их экстремальных значений, которые находятся на границе заданной зоны значений контролируемых параметров воздуха в помещении. При таком способе управления решается только задача поддержания параметров внутреннего воздуха в помещении в пределах заданной зоны значений контролируемых параметров (задача стабилизации параметров). Задача же организации управления процессами обработки воздуха в СКВ по энергосберегающим технологиям с целью сокращения расходов потребляемых при этом энергоресурсов до оптимальных значений этих расходов - такая задача при известном способе управления СКВ даже не ставится.

Аналогом предлагаемого изобретения является способ автоматического управления параметрами воздуха по патенту RU 2350850, МПК F24F 11/00, 2009 - [2], в котором на основании измеренных значений энтальпии, влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, расхода приточного воздуха в блоке оптимизации и формирования команд вычисляются тепло- и влаговыделения в помещении, определяются расчетные параметры внутреннего воздуха, которые должны поддерживаться в помещении, и оптимальный, с точки зрения эффективности использования потребляемых расходов теплоты, холода, воздуха и воды, способ обработки воздуха в кондиционере.

Данный способ управления позволяет устранить описанный выше недостаток. Однако регулирование ведется по отклонению параметров внутреннего воздуха от их расчетных термодинамических параметров, что обуславливает необходимость в последовательном приложении управляющих воздействий, когда каждое последующее начинается только тогда, когда прекращается предыдущее. Это исключает возможность приложения управляющих воздействий одновременно в каждой из подсистем СКВ, а поэтому создает дополнительную инерционность в управлении и без того объективно инерционными процессами тепломассообмена в подсистемах СКВ.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ автоматического управления системой кондиционирования воздуха по оптимальным режимам по патенту RU 2463524, МПК F24F 11/06, 2012 - [3], в котором функционирование блока автоматизации и управления организовано на двух уровнях. На первом уровне на основе измерения температуры и влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, а также расхода приточного воздуха вычисляются тепло- и влагоизбытки в помещении, определяются расчетные термодинамические параметры воздуха, которые должны поддерживаться в помещении, и оптимальный, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, технологический режим работы кондиционера. На втором уровне управления для поддержания заданных параметров воздуха в помещении ведется регулирование посредством воздействия на регулирующие органы аппаратов тепловлажностной обработки воздуха, при этом регулирование ведется, так же, как и во втором аналоге, по отклонению параметров внутреннего воздуха от их расчетных параметров.

Введение двух уровней управления не достаточно для того, чтобы устранить в прототипе недостаток, присущий второму аналогу. Кроме того, в прототипе выявляется еще один недостаток, заключающийся в том, что на первом уровне управления определяется только последовательность процессов тепловлажностной обработки воздуха, а значения расходных и термодинамических параметров взаимодействующих сред для этих процессов, характеризующих расходы энергоресурсов, потребляемых при их реализации в подсистемах СКВ, не рассчитываются. В результате выход каждой подсистемы на расчетный режим с необходимой для этого режима производительностью подсистемы происходит не сразу, а постепенно в процессе ступенчатого регулирования, что дополнительно увеличивает инерционность в управлении системой.

Указанные два недостатка, присущие прототипу, а именно организация регулирования по отклонению параметров внутреннего воздуха от их расчетных параметров и отсутствие расчетной информации о значениях расходных и термодинамических параметров взаимодействующих сред для реализуемых оптимальных процессов тепловлажностной обработки воздуха, ведут к увеличению инерционности в управлении СКВ.

Устранение указанных двух причин, обуславливающих дополнительную инерционность в управлении СКВ, достигается за счет того, что в заявляемом способе автоматического управления СКВ, включающем измерения температуры и влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, а также расхода приточного воздуха, передачу результатов этих измерений на верхний уровень управления (на уровень системы), где выполняется вычисление тепло- и влагоизбытков в помещении, определение расчетных термодинамических параметров воздуха, которые должны поддерживаться в помещении, определение оптимальной, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, последовательности тепловлажностной обработки воздуха в кондиционере и на локальном уровне управления (на уровне подсистем) регулирование посредством воздействия на регулирующие органы аппаратов тепловлажностной обработки воздуха, предложено использовать дополнительно следующую последовательность действий:

- на верхнем уровне управления дополнительно определяют расчетные значения расходных и термодинамических параметров взаимодействующих сред для процессов тепловлажностной обработки воздуха на входе и выходе для каждой подсистемы СКВ;

- значения этих параметров в качестве уставок, которые характеризуют требуемые (расчетные) значения регулируемых параметров, передают на локальный уровень управления для настройки датчиков;

- на локальном уровне управления относительно значений этих уставок организуют регулирование регулируемых параметров независимо друг от друга;

- регулирование осуществляют одновременно во всех подсистемах СКВ.

Общим для второго аналога, прототипа и заявляемого способа управления является выполнение следующих действий:

- вычисление фактических тепло- и влагоизбытков в помещении на основе измерения температуры и влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, а также расхода приточного воздуха;

- определение расчетных термодинамических параметров внутреннего воздуха, которые должны поддерживаться в помещении;

- определение оптимальной, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, последовательности тепловлажностной обработки воздуха;

- регулирование посредством воздействия на регулирующие органы аппаратов тепловлажностной обработки воздуха.

В отличие от второго аналога в прототипе и в заявляемом способе эти действия разделены на два уровня: верхний (уровень системы) и локальный (уровень подсистем).

Отличием предлагаемого способа от второго аналога и прототипа является следующее:

- в предлагаемом способе управления регулирование в каждой из подсистем ведут не по отклонению параметров внутреннего воздуха от их расчетных значений, а относительно уставок, которые характеризуют требуемые (расчетные) значения регулируемых параметров и которые используют для настройки датчиков;

- регулирование регулируемых параметров относительно уставок организуют независимо друг от друга;

- регулирование осуществляют одновременно во всех подсистемах СКВ.

Сущность предлагаемого способа управления поясняется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 изображена упрощенная схема одного из возможных вариантов СКВ, обслуживающей помещение 1. Схема содержит регулирующие клапаны (2-7) в каналах транспортировки воздуха (наружного 2, воздуха первой рециркуляции 3 и второй рециркуляции 4, воздуха, проходящего через камеру орошения, 5 и по обводу камеры орошения 6, воздуха удаляемого 7), два калорифера (первого 8 и второго 10 подогрева), камеру орошения 9, приточный 11 и вытяжной 12 и вентиляторы.

На схеме показаны также места расположения точек замера (они обозначены в виде «•» в канале наружного воздуха перед входом в кондиционер, и в помещении 1 на притоке и удалении воздуха) и регулируемых параметров $$\overline{y}$$ на выходе из подсистем СКВ (места их расположения показаны в виде «○»).

Возмущающие воздействия на СКВ в виде вектор $$\overline{f}$$ , включают в себя две составляющих:

$$\overline{f}=\left\{f_1,f_2\right\}$$ ,

где f₁ - возмущения на СКВ, обусловленные изменением параметров климата;

f₂ - возмущения на СКВ, обусловленные изменением в помещении тепловой и влажностной нагрузки.

В процессе управления СКВ численные значения возмущающих воздействий $$\overline{f}$$ определяют по результатам измерений соответствующих параметров воздуха в местах замеров.

Регулируемые параметры объединены в вектор $$\overline{y}$$ . Для системы, показанной на фиг. 1, в качестве составляющих вектора $$\overline{y}$$ рассматриваются следующие регулируемые параметры:

m_H, m_R1, m_R2 - удельные расходы воздуха, соответственно, наружного, первой и второй рециркуляции, кг/м²;

I_K1, I_К2 - энтальпия воздуха после калорифера, соответственно, I и II подогрева, кДж/кг;

t_К.О ^_ температура воздуха после камеры орошения, °С;

t_W.охл - температура воды, подаваемой в камеру орошения при политропном охлаждении, °С.

Точка У_расч, показанная на фиг. 1, характеризует параметры воздуха в рабочей зоне помещения, которые требуется поддерживать в каждый конкретный момент времени при возмущениях .

На фиг. 2 изображена структура алгоритма предлагаемого способа управления. Она включает в себя верхний и локальный уровни управления.

На верхнем уровне управления определяются необходимые параметры воздуха в точках замеров (блок 1). На фиг. 1 эти точки показаны в виде «•». По результатам этих замеров определяются фактические термодинамические параметры воздуха (точка У_факт) в рабочей зоне помещения (блок 2 на фиг. 2), а также рассчитываются возмущающие воздействия , представляющие собой реальные тепловлажностные нагрузки на СКВ в момент проведения замеров (блок 3).

На основе полученных расчетных данных о возмущениях определяется оптимальный, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, режим функционирования СКВ при этих нагрузках (блок 4).

Расчетная информация, полученная в блоке 4, представлена в следующем виде:

- расчетная зона области наружного климата, к которой относится точка с параметрами климата в момент проведения замеров (блок 5);

- термодинамические параметры расчетной точки У_расч, характеризующей параметры воздушной среды, которые должны поддерживаться в помещении (блок 6);

- расчетные значения для каждого из регулируемых параметров, входящих в вектор , представленные в виде составляющих вектора (блок 7).

Информация верхнего уровня управления, представленная в блоках 2, 5 и 6, предназначена для обеспечения передачи скорректированной информации о векторе $$\overline{g}$$ на локальный уровень управления для перенастройки уставок в подсистемах.

Информация о векторе $$\overline{g}$$ передается с верхнего уровня на локальный (блок 8).

На локальном уровне задача управления сводится к простому регулированию в каждой из подсистем одного или нескольких регулируемых параметров. При этом регулирование в подсистемах осуществляется по отклонению $$\overline{x}$$ , где $$\overline{x}$$ - вектор отклонений регулируемых параметров $$\overline{y}$$ от их расчетных значений $$\overline{g}$$ , а все регулируемые параметры $$\overline{y}$$ регулируются одновременно и независимо друг от друга во всех подсистемах.

Регулирующие воздействия, которые вырабатывают регуляторы на локальном уровне с целью устранения отклонений $$\overline{x}$$ в подсистемах, объединены на фиг. 2 в соответствующий вектор регулирующих воздействий $$\overline{u}$$ .

Результатом решения задачи локального уровня управления является приведение режима функционирования СКВ в соответствие с фактическим возмущающим воздействием $$\overline{f}$$ . При этом фактические параметры воздуха в рабочей зоне помещения, характеризующиеся точкой У_факт, будут соответствовать расчетным параметрам, характеризующимся точкой У_расч.

Таким образом, при реализации предлагаемого технического решения достигается технический результат, заключающийся в том, что предлагаемый способ позволяет снизить инерционность в управлении СКВ благодаря переводу управления с верхнего уровня (с уровня системы) на локальный уровень (на уровень подсистем).

Анализ аналогов и прототипа показал, что предлагаемое техническое решение является новым. Новизна предлагаемого способа автоматического управления СКВ заключается в том, что предлагается перевести управление СКВ с уровня системы на уровень подсистем, для чего использовать дополнительно следующую последовательность действий: на верхнем уровне управления дополнительно определяют расчетные значения расходных и термодинамических параметров для процессов тепловлажностной обработки воздуха на входе и выходе для каждой подсистемы СКВ; значения этих параметров в качестве уставок, которые характеризуют требуемые (расчетные) значения регулируемых параметров, передают на локальный уровень управления для настройки датчиков; на локальном уровне управления относительно значений этих уставок организуют регулирование регулируемых параметров независимо друг от друга; регулирование осуществляют одновременно во всех подсистемах СКВ.

Приведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил проектирования подобных систем для СКВ.

Таким образом, заявляемое техническое решение характеризуется новой совокупностью существенных признаков, дающих положительный эффект, и характеризуется признаками соответствия критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ автоматического управления СКВ является промышленно применимым, так как включает в себя способы управления, применяемые ранее, а также существующие технические средства позволяют реализовать его в полном объеме, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».

Источники информации

1. А.с. СССР №576496, МКИ F24F 11/06, 1976.

2. Патент RU 2350850, F24F 11/00, 2011.

3. Патент RU 2463524, F24F 11/06, 2011.

Способ автоматического управления системой кондиционирования воздуха включающий измерения температуры и влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, а также расхода приточного воздуха, передачу результатов этих измерений на верхний уровень управления, вычисление тепло- и влагоизбытков в помещении, определение расчетных термодинамических параметров воздуха, которые должны поддерживаться в помещении, определение оптимальной, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, последовательности тепловлажностной обработки воздуха в кондиционере и на локальном уровне управления регулирование посредством воздействия на регулирующие органы аппаратов тепловлажностной обработки воздуха, отличающийся тем, что на верхнем уровне управления дополнительно определяют расчетные значения расходных и термодинамических параметров взаимодействующих сред для процессов тепловлажностной обработки воздуха на входе и выходе для каждой подсистемы СКВ, значения этих параметров в качестве уставок для настройки датчиков передают на локальный уровень управления, где относительно значений этих уставок организуют регулирование регулируемых параметров независимо друг от друга, при этом регулирование осуществляют одновременно во всех подсистемах СКВ.