Управление центральным кондиционером по интегральному показателю комфортности.

При переменных тепловлажностных нагрузках параметры воздушной среды в кондиционируемых помещениях детерминированы в соответствии с нормативными документами (санитарными нормами и ГОСТ). Согласно действующим нормативным положениям, параметры микроклимата в жилых и служебных помещениях судов определяются для летнего и зимнего периодов года интегральным показателем комфортности — результирующей температурой (РТ). Известно, что РТ комплексно сочетает четыре параметра воздушной среды в помещении, обуславливающих влияние среды на теплообменные процессы человека: t_к — температуру; t_р — среднюю радиационную температуру окружающих человека поверхностей (стен, оборудования и т.д.); φ_к — относительную влажность; ω_к — скорость движения воздуха. Комплексный учет четырех параметров воздушной среды позволяет расширить, например, диапазон допустимой температуры воздуха, что в свою очередь может принципиально изменить условия функционирования системы комфортного кондиционирования воздуха (СККВ). В помещении постоянно совершается переход воздуха из одного состояния в другое. Для поддержания заданных значений РТ в обслуживаемое помещение должен подаваться приточный воздух с параметрами, отличными от параметров внутри помещения. Перемешиваясь с внутренним воздухом и вытесняя его, приточный воздух ассимилирует избыточное тепло и влагу или подогревает и увлажняет воздух помещения. В соответствии с [1] оптимальная норма РТ_Н, определяющая уровень комфорта для морских судов при плавании в различных климатогеографических условиях и в зависимости от категории кают находится в пределах от 15,9 до 25,7РТ для зимнего периода, а в летний период — от 17,8 до 25,7РТ. На судах иностранных компаний взаимосвязь между степенью комфорта и РТ воздуха в пассажирской каюте соответствует данным, приведенным в табл. 1. Часто по заданному нормами значению РТ определяются сочетания параметров воздушной среды, наиболее полно отвечающие рациональному варианту экономических затрат на кондиционирование воздуха. Оптимальные и допустимые сочетания параметров микроклимата в помещении, соответствующие заданным нормами значениям РТ, приведены в табл. 2. Из результатов, полученных на основе номограммы РТ, следует, что отклонение относительной влажности в судовом помещении на +10% при ω_к = const, t_R = const вызывает изменение температуры воздуха на ±1°С в летний и на ±0,5 °С в зимний период времени. В судовых СККВ допускаются предельные колебания температуры воздуха в помещении ∆t ≤ ±1°C. Если считать, что сохраняется постоянной температура, тогда относительная влажность может изменяться в пределах ∆φ≤ ±10%, а это соответствует условиям комфорта. Традиционные системы управления (СУ) судовыми СККВ осуществляют стабилизацию температуры и относительной влажности воздуха на выходе из центральных кондиционеров или изменяют эти параметры по заданному закону. При этом обычно в летнем режиме работы кондиционера обеспечивается регулирование только температуры воздуха, относительная влажность устанавливается постоянной. В зимнем режиме одновременно регулируется температура и относительная влажность приточного воздуха. Таким образом, в существующих СУ не используются рекомендуемые нормативными документами значения РТ_Н. При разработке СУ СККВ по РТ необходимо учитывать следующее. Для выбранного и обоснованного контрольного помещения на судне информация о требуемых составляющих РТ параметров кондиционируемого воздуха в каюте на i–d-диаграмме может быть представлена точкой, линией или областью. Подробно возможности управления процессами тепловлажностной обработки воздуха в центральном кондиционере при переменных нагрузках (тепловой и влажностной) для наиболее общего случая, когда параметры воздушной среды в помещении заданы областью, образованной граничными значениями температуры (энтальпии) и влагосодержания, с учетом изменения скорости движения воздуха, были рассмотрены в [2]. При этом в целях снижения энергетических затрат для различных исходных условий, использовался общий подход к СККВ, без связи с конкретными способами управления. В целях поддержания параметров воздуха в помещении в соответствии с санитарными нормами управление работой исполнительными устройствами СККВ можно осуществлять, например, по отклонению от точки, характеризующей состояние заданных параметров воздуха в помещении и лежащей в области допустимых температурно-влажностных параметров в i–d-диаграмме. При этом эффективность работы СККВ будет определяться с учетом величины отклонения параметров микроклимата в помещении от нормируемых параметров. Такой способ управления имеет преимущество перед регулированием по отклонению от заданных параметров текущих значений подаваемого (приточного) в помещение воздуха. Объясняется это существенным отличием состояния параметров приточного воздуха в условиях переменных тепловлажностных нагрузок от их заданных значений, что имеет место по мере его транспортировки к разноудаленным от центрального кондиционера помещениям. На основе расчетов и проведенных исследований [3] была разработана СУ СККВ по отклонению параметров приточного воздуха от параметров воздуха в помещении, заданных точкой в области, построенной в i–d диаграмме. Минимизация отклонения РТ_К от заданной точки, характеризующей РТ_Н, должна обеспечиваться СУ поддержанием в жилых и служебных помещениях судна комфортного микроклимата, соответствующего санитарным нормам. На рис. 1 и 2, соответственно для летнего и зимнего режимов работы СККВ, приведены процессы кондиционирования воздуха в i–d-диаграмме. Тепловлажностные нагрузки на помещение считались переменными. Границы областей рекомендуемых параметров воздуха в помещении определялись по РТ с учетом оптимальных сочетаний составляющих ее параметров. Отдельные компоненты микроклимата, составляющие РТ, приняты в следующих пределах: φ_к = 50±10%; ω_к = 0,15 м/с (при эксплуатации допускается подвижность воздуха до 0,5 м/с); разность между температурой воздуха в помещении и средней радиационной температурой ограждений не должна превышать ±2–4°С. В летнем и зимнем режимах работы СККВ в зависимости от изменений тепловой нагрузки (лучи процессов ДК, Д ´К´и Д´´К´´на рис. 1 и 2), для обеспечения заданной РТ_Н в помещениях регулирование осуществляется по сигналам отклонения параметров воздуха от заданных параметров, соответствующих точкам К´, К´´и К. При этом сохраняется постоянным расход подаваемого воздуха в помещение с обеспечением условия ω_к = const в пределах зоны обитаемости. На рис. 1 и 2 точки П, П´, П´´характеризуют параметры приточного воздуха, точки Д, Д´, Д´´— параметры воздуха на выходе кондиционера. Приведенные на рис. 1 и 2 значения тепловлажностных отношений определялись в каждый момент времени по текущим значениям тепловлажностной нагрузки Q_изб. (Q_пот.), расходу приточного воздуха G_п, используя известные уравнения балансов тепла Q_р.з и влаги W_р.з для рабочей зоны помещения в установившемся состоянии, а также результаты [4]: Q_р.з = Q_изб = G_п (I_к - I_п); Q_р.з = Q_пот = G_п (I_п - I_к); W_р.з = G_п (d_к - d_п); I_к(п) = at₂ φ + btφ + ct + ƒφ где: Q_изб. — теплоизбытки в помещении летом; Q_пот. — теплопотери в помещении зимой; I_к— энтальпия воздуха помещения; I_п— энтальпия приточного воздуха; t, φ— температура и относительная влажность воздуха; a, b, c, f — коэффициенты аппроксимирующего многочлена, полученные расчетным путем по стандартной программе. Приведенные на рис. 1 и 2 процессы изменения состояния приточного воздуха для переменных тепловлажностных нагрузок и круглогодичной работе СККВ послужили основой для разработки алгоритма функционирования СУ по РТ (рис. 3). При реализации алгоритма использовались границы расчетных зон (режимов работы СККВ), которые в любой момент времени определялись в соответствии с [5]. В соответствии с алгоритмом управления была разработана СУ СККВ (рис. 4) по РТ. В основу построения СУ был положен восьмиразрядный RISC-микроконтроллер семейства AVR фирмы ATMEL AT90S2333 [6] с максимальной тактовой частотой 8МГц, flash-памятью 2 кБ, постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 128 кБ, оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 128 Б. В ПЗУ была записана рабочая программа управления и регулирования СККВ в соответствии с алгоритмом функционирования. Программно введены уставки каналов защиты и регулирования. ОЗУ используется для загрузки в центральный процессор данных, хранения готовых результатов или данных, полученных в процессе работы. Пульт управления с помощью клавиатуры связан с ОЗУ, ПЗУ СУ. В ячейки клавиатуры занесены уставки по каналам защиты и регулирования. Пульт управляет (в ручном или полуавтоматическом режимах) также элементами СККВ. Цифровая и световая индикация позволяет визуально определять состояние СККВ (пуск, работу и останов), а также установить значение параметра, в результате изменения которого не обеспечиваются комфортные условия воздушной среды в помещении. Микроконтроллерная СУ СККВ (рис. 4) в соответствии с алгоритмом управления логически обрабатывает по заданной программе входные сигналы, характеризующие состояние СККВ, а также выполняет временные, счетные операции и коммутацию цепей управления исполнительных устройств. СУ корректирует параметры приточного воздуха по измеренным данным t_п, φ_к, ω_к и t_R с учетом нормируемого значения результирующей температуры РТ_Н. Контроллер СУ вычисляет комфортные параметры воздуха, определяет энергетически более выгодный способ воздухообработки в центральном кондиционере СККВ и формирует сигналы управления, подаваемые на исполнительные устройства. В настоящее время отсутствуют средства определения и регулирования РТ в помещениях на основе измерения составляющих ее параметров. Обычно для контроля за функционированием СККВ РТ определяется по номограммам, на основе статистической обработки параметров t_к, t_р, φ_к, ω_к, предварительно измеренных по специальным приборам. Последнее обстоятельство затрудняет обоснование и разработку, функционирование и проверку эффективности СУ СККВ. Кроме того, такой способ не отвечает современным требованиям ни по скорости определения РТ_К, ни по точности получаемых результатов. Известны аналитические зависимости, используемые для определения РТ [7, 8, 9]. Однако из-за ограничений на изменения параметров микроклимата предложенные зависимости не могут быть использованы для определения показателей комфортности. При разработке устройства определения РТ для СУ СККВ (рис. 4) в его основу был положен вычислительный алгоритм, устанавливающий связь РТ с параметрами воздушной среды t_к, t_р, φ_к, ω_к [10]: где Если радиационная температура определяется по шаровому термометру t_ш, то Следует отметить, что в измерительной технике, в частности в устройствах определения комплексного показателя по нескольким измеренным параметрам, часто используются устройства вычислительной техники, выполненные на основе микроконтроллеров или микропроцессоров. С их помощью можно решать многие задачи измерения, управления и обслуживания. Такие устройства легко программируются, потребляют мало энергии и без сложностей включаются в схему. Однако современные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) [11] обладают большим числом выводов, настраиваемой стыковкой входов и выходов с практически любым стандартом логических уровней и способностью заменить собой несколько микросхем, включая микроконтроллер, регистры портов, интерфейсы и т.п. Кроме того, иногда в измерительном устройстве необходимо реализовать алгоритм, содержащий помимо операций умножения еще и операции деления. Организация сложных корректирующих вычислений понадобится также при необходимости выводить результат, получаемый в двоичном коде, на 3–5-разрядный индикатор. При этом в зависимости от быстродействия измерений, могут потребоваться миллионы операций в секунду, что довольно сложно для микроконтроллера, но нетрудно для ПЛИС. Учет архитектурных особенностей и преимуществ ПЛИС перед микроконтроллерами позволяет выполнять конкурентоспособные изделия на ПЛИС. Примером результата обоснованного подхода к выбору элементной базы для реализации устройства вычисления РТ является разработка устройства определения результирующей температуры на ПЛИС с возможностью отображения результата вычисления на индикаторе. При проектировании устройства определения РТ для СУ СККВ использовалась свободно распространяемая система автоматизированного проектирования (САПР) QuartusII версии 4.2, позволяющая реализовать проект на базе ПЛИС фирмы ALTERA. Система проектирования имеет полный цикл и поддерживает сквозной процесс от ввода и контроля до программирования микросхем. Она представляет собой архитектурно независимую среду проектирования, легко приспосабливающуюся к конкретным проектным требованиям. После отладки компонентов схемы на основе созданных при компиляции выходных файлов осуществлено моделирование работы проекта с помощью подсистемы Simulator пакета QuartusII вер. 4.2. При этом проверялись арифметические операции и внутренние временные соотношения проекта. На рис. 5 приведена принципиальная электрическая схема определителя результирующей температуры с дополнительной возможностью отображения полученного результата на индикаторе. Управление определителем РТ осуществляется с помощью кнопок SB1, SB2. Для сброса результатов и изменения параметров используется кнопка SB1. Для пуска/остановки работы устройства — кнопка SB2 (рис. 5). Включение прибора отображается светодиодом HL1. Для отображения результирующей температуры используется индикация на светодиодах (индикатор HG1). Разработанная схема определителя РТ, реализованная на основе ПЛИС, отличается доступностью элементной базы, простотой реализации и настройки. Основные технические характеристики определителя РТ: диапазон измерения — от 0 до 50°С; абсолютная погрешность вычисления — 1,0°С. В СУ (рис. 4), а также вычислителе РТ, используются сенсоры температуры, относительной влажности и скорости воздуха. В качестве температурных сенсоров обычно используются термисторы, термометры сопротивлений и микроэлектронные температурные сенсоры [12]. На основании их сравнения можно заключить, что микроэлектронные цифровые температурные сенсоры имеют достаточно высокую точность в широком диапазоне измеряемых температур и сравнительно невысокую стоимость. По сравнению с аналоговыми, цифровые температурные сенсоры не требуют дополнительных цепей для линеаризации передаточной характеристики. Они сопрягаются непосредственно с остальными блоками цифрового контролирующего устройства. Встроенный в сенсор аналого-цифровой преобразователь преобразует температуру окружающей среды в цифровой код. Существует большое количество методов измерения влажности [13], однако выбор наиболее подходящего для конкретных условий является сложной задачей. Известны полимерные и пленочные сенсоры относительной влажности конденсаторного или резистивного типа [14]. Полимерные и пленочные сенсоры устойчиво работают в широком диапазоне температур, имеют малое время отклика, высокую линейность и временную стабильность передаточной характеристики. Емкостные сенсоры обладают практически линейной характеристикой преобразования «влажность–емкость» и являются более точными, чем резистивные. Все сенсоры конденсаторного типа имеют широкий диапазон рабочих температур и не требуют температурной компенсации. В результате проведенного анализа для разрабатываемого устройства были выбраны микроэлектронный цифровой сенсор температуры и сенсор влажности конденсаторного типа. Чтобы полностью исключить влияние температуры окружающей среды на результаты измерений относительной влажности, рекомендуется использовать сенсоры влажности совместно с сенсорами температуры. Примером такого объединенного устройства является цифровой сенсор влажности и температуры SHT11 [15] DD3 (рис. 5). Микросхема SHT11 кроме собственного сенсора влажности и температуры содержит аналогоцифровой преобразователь и цифровой интерфейс. Сенсор непосредственно сопрягается с последующими устройствами через двухпроводной интерфейс. Диапазон измерения относительной влажности 0–100% с погрешностью ±3,5%, диапазон измерения температуры –40–120°С с погрешностью ±0,5%. Для получения данных, характеризующих радиационную температуру, используется шаровой термометр, представляющий собой зачерненную (степень черноты поверхности не ниже 0,95) полую сферу, изготовленную из меди или другого теплопроводного материала. В нее помещается температурный сенсор ТМР05 тип ADT7516 DD1 (рис. 4). Общий диапазон измерения температуры –40– 150°С. Погрешность измерения в диапазоне от 0 до 70°С составляет 1°С. Для измерения скорости воздуха предлагается использовать сенсорный элемент (пленочный анемометр) Е+Е фирмы ELEKTRONIK DA1 (рис. 5). Сенсор работает по принципу горячего пленочного анемометра и представляет собой гибкую конструкцию на стеклянной подложке. Он применяется для измерения скорости воздуха в диапазоне 0–30 м/с при температуре окружающей среды от –30 до 140°С. Точность сенсора в диапазоне 0–2 м/с составляет ±0,04 м/с, а в диапазоне 0–20 м/с равна ±0,2 м/с. Сигнал с выхода сенсора — аналоговый. Для его преобразования в цифровой сигнал предлагается использовать аналого-цифровой преобразователь типа AD7441 DD2 (рис. 5). Применение предлагаемой СУ судовым центральным кондиционером по РТ, а также использование устройства вычисления РТ, позволит обеспечить поддержание требуемых по санитарным нормам параметров воздушной среды в кондиционируемых помещениях при работе СККВ в энергетически эффективных режимах.

Литература 1. СНиП 47.020.90. Судовые системы вентиляции и кондиционирования воздуха. 2. Рымкевич А.А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. М., «Стройиздат», 1990. 3. Вычужанин В.В., Медзеновский В.Б. Исследование характеристик судового центрального кондиционера. Журнал «Холодильная техника», №3/1984. 4. Вычужанин В.В. Поддержание комфортных параметров кондиционируемого воздуха в судовых помещениях. Вестник ОНМУ, №13/2004. 5. Вычужанин В.В. Эксергетический метод анализа эффективности комплекса «система кондиционирования воздуха – холодильная установка». Журнал «С.О.К.», №2/2005. 6. Николайчук О. Новые і51-совместимые микроконтроллеры фирмы ATMEL. Журнал «Схемотехника», №6/2002. 7. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений. Расчет комфортных параметров по теплоощущениям человека. М., «Стройиздат», 1981. 8. Новожилов Г.Н., Ломов О.П. Гигиеническая оценка микроклимата. Л., «Медицина», 1987. 9. Ebert H. The microklimate of ship. Handbock of nautical medicine. Ed.: W.H.C. Goethe, E.H. Vatson, D.T. Jones. Berlin, Springer-Verlag, 1984. 10. Голиков В.А., Вычужанин В.В. Оптимальное управление судовыми холодильными установками и системами кондиционирования воздуха. Учебное пособие, М., В/О Мортехинформреклама, 1985. 11. Вычужанин В.В. Развитие рынка и динамика применений ПЛИС. Журнал «Электронные компоненты», №12/2004. 12. Claire O’Reefe, Donal VeNamara. Digital Temperature Sensors: Help for Hot Boards. www.sensormag.com (January, 2004). 13. Костырко К., Околович-Грабовска Б. Измерение и регулирование влажности в помещении. М., «Стройиздат», 1982. 14. Dave Harrold. Measuring relative humidity. Control Engineering Europe. V.3, №5. 15. World’s First Digital Humidity and Temperature Sensor. EPN, №4/2002.