Phần này mô tả các hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) và thảo luận về các đặc điểm và thành phần của các hệ thống điều khiển tự động. Các tham chiếu chéo được thực hiện cho các phần cung cấp thông tin chi tiết hơn. Hệ thống điều khiển HVAC được thiết kế chính xác có thể cung cấp môi trường thoải mái cho người sử dụng, tối ưu hóa chi phí năng lượng và tiêu thụ, cải thiện năng suất của nhân viên, tạo điều kiện sản xuất hiệu quả, kiểm soát khói trong trường hợp hỏa hoạn và hỗ trợ hoạt động của thiết bị máy tính và viễn thông. Kiểm soát là điều cần thiết cho hoạt động đúng của hệ thống và cần được xem xét sớm trong quá trình thiết kế nhất có thể. Áp dụng điều khiển tự động đúng cách đảm bảo rằng một hệ thống HVAC được thiết kế đúng cách sẽ duy trì một môi trường thoải mái và hoạt động kinh tế dưới một loạt các điều kiện hoạt động. Điều khiển tự động điều chỉnh đầu ra của hệ thống HVAC để đáp ứng các điều kiện trong nhà và ngoài trời nhằm duy trì điều kiện thoải mái chung trong khu vực văn phòng và cung cấp giới hạn nhiệt độ và độ ẩm hẹp khi được yêu cầu trong khu vực sản xuất .
Trang 1ĐIỀU KHIỂN KIỂM SOÁT
Nội dung
GIỚI THIỆU 3
CÁC ĐỊNH NGHĨA 4
ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG HVAC 9
KHÁI QUÁT 9
NHIỆT ĐỘ 11
CHUNG 11
THIẾT BỊ SƯỞI ẤM 12
LÀM MÁT 15
Khái quát: 15
THIẾT BỊ LÀM MÁT 16
HÚT ẨM 17
ĐỘ ẨM 18
THÔNG GIÓ 19
LỌC 21
ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG KIỂM SOÁT 23
BIẾN ĐƯỢC KIỂM SOÁT 23
VÒNG ĐIỀU KHIỂN 23
PHƯƠNG THỨC KIỂM SOÁT 25
KHÁI QUÁT 25
TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ VÀ ĐIỀU KHIỂN SỐ 26
KIỂM SOÁT MÔ HÌNH 27
ĐIỀU KHIỂN HAI VỊ TRÍ 27
KHÁI QUÁT 27
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HAI CƠ BẢN 28
ĐIỀU KHIỂN HAI VỊ TRÍ TIMED 29
KHÁI QUÁT 29
KIỂM SOÁT NHIỆT 30
Trang 2KIỂM SOÁT BƯỚC 32
KIỂM SOÁT NỔI 34
KIỂM SOÁT TỶ LỆ 35
KHÁI QUÁT 35
KIỂM SOÁT BỒI THƯỜNG 38
KHÁI QUÁT 38
BÙ TỔN THẤT 39
BỘ ĐIỀU KHIỂN TÍCH PHÂN (PI) 40
Điều khiển tỷ lệ-tích phân-phái sinh (PID) 42
Kiểm soát thích nghi 45
QUY TRÌNH ĐẶC ĐIỂM 46
TẢI 46
ĐỘ TRỄ 47
Khái quát 47
ĐỘ TRỄ ĐO LƯỜNG 48
ĐIỆN DUNG 49
ĐIỆN TRỞ 51
DEAD TIME 52
KIỂM SOÁT ỨNG DỤNG 53
CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 54
CÁC YẾU TỐ CẢM BIẾN 54
CÁC YẾU TỐ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 54
CÁC YẾU TỐ KIỂM SOÁT ÁP SUẤT 57
CÁC YẾU TỐ KIỂM SOÁT 57
CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 58
CẢM BIẾN CHỨNG MINH HOẠT ĐỘNG 59
ĐẦU DÒ 60
BỘ ĐIỀU KHIỂN 60
THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG 60
THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 62
ĐẶC ĐIỂM VÀ THUỘC TÍNH CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT 63
Trang 3GIỚI THIỆU
Phần này mô tả các hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) vàthảo luận về các đặc điểm và thành phần của các hệ thống điều khiển tự động Cáctham chiếu chéo được thực hiện cho các phần cung cấp thông tin chi tiết hơn Hệthống điều khiển HVAC được thiết kế chính xác có thể cung cấp môi trường thoảimái cho người sử dụng, tối ưu hóa chi phí năng lượng và tiêu thụ, cải thiện năngsuất của nhân viên, tạo điều kiện sản xuất hiệu quả, kiểm soát khói trong trườnghợp hỏa hoạn và hỗ trợ hoạt động của thiết bị máy tính và viễn thông Kiểm soát làđiều cần thiết cho hoạt động đúng của hệ thống và cần được xem xét sớm trongquá trình thiết kế nhất có thể Áp dụng điều khiển tự động đúng cách đảm bảo rằngmột hệ thống HVAC được thiết kế đúng cách sẽ duy trì một môi trường thoải mái
và hoạt động kinh tế dưới một loạt các điều kiện hoạt động Điều khiển tự độngđiều chỉnh đầu ra của hệ thống HVAC để đáp ứng các điều kiện trong nhà và ngoàitrời nhằm duy trì điều kiện thoải mái chung trong khu vực văn phòng và cung cấpgiới hạn nhiệt độ và độ ẩm hẹp khi được yêu cầu trong khu vực sản xuất
Điều khiển tự động có thể tối ưu hóa hoạt động của hệ thống HVAC Họ có thểđiều chỉnh nhiệt độ và áp suất tự động để giảm nhu cầu khi không gian trống vàđiều chỉnh hệ thống sưởi và làm mát để cung cấp điều kiện thoải mái đồng thời hạnchế sử dụng năng lượng Kiểm soát giới hạn đảm bảo vận hành an toàn thiết bị hệthống HVAC và ngăn ngừa thương tích cho nhân viên và làm hỏng hệ thống Ví dụ
về điều khiển giới hạn là bộ điều khiển nhiệt độ thấp, giúp ngăn ngừa cuộn dâynước hoặc bộ trao đổi nhiệt từ thiết bị đóng băng và cảm biến lưu lượng để vậnhành an toàn một số thiết bị (ví dụ: thiết bị làm lạnh) Trong trường hợp hỏa hoạn,phân phối không khí có kiểm soát có thể cung cấp các đoạn sơ tán không khóithuốc, và phát hiện khói trong ống dẫn có thể đóng bộ giảm chấn để ngăn chặn sựlan truyền khói và khí độc Hệ thống điều khiển HVAC cũng có thể được tích hợpvới hệ thống kiểm soát truy cập an ninh, hệ thống báo cháy, hệ thống điều khiểnchiếu sáng và hệ thống quản lý tòa nhà và cơ sở để tối ưu hóa hơn nữa sự thoảimái, an toàn và hiệu quả
Trang 4CÁC ĐỊNH NGHĨA
Các thuật ngữ sau được sử dụng trong sách hướng dẫn này Hình 1 ở cuối danhsách này minh họa một vòng điều khiển điển hình với các thành phần được xácđịnh bằng các thuật ngữ từ danh sách này
Tương tự: Biến liên tục (ví dụ: vòi nước điều khiển nước từ dòng chảy đến dòng
chảy đầy đủ)
Hệ thống điều khiển tự động: Một hệ thống phản ứng với sự thay đổi hoặc mất
cân đối trong biến nó điều khiển bằng cách điều chỉnh các biến khác để khôi phục
hệ thống về số dư mong muốn
Thuật toán: Phương pháp tính toán tạo ra đầu ra điều khiển bằng cách hoạt động
trên tín hiệu lỗi hoặc chuỗi thời gian của tín hiệu lỗi
Kiểm soát bồi thường: Một quá trình tự động điều chỉnh điểm đặt của một bộ điều
khiển đã cho để bù cho các thay đổi trong biến số đo thứ hai (ví dụ: ngoài trờinhiệt độ không khí) Ví dụ, điểm đặt sàn nóng thường được thiết lập lại khi nhiệt
độ không khí ngoài trời giảm Còn được gọi là "điều khiển đặt lại"
Tác nhân điều khiển: Phương tiện trong đó biến điều khiển tồn tại Trong một hệ
thống hơi nóng, tác nhân điều khiển là hơi nước và biến điều khiển là dòng hơi
Điểm điều khiển: Giá trị thực tế của biến được kiểm soát (điểm cộng hoặc điểm
trừ)
Môi trường được kiểm soát: Phương tiện trong đó biến được kiểm soát tồn tại.
Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ không gian, biến điều khiển là nhiệt độ khônggian và môi trường được kiểm soát là không khí trong không gian
Biến số được kiểm soát: Số lượng hoặc điều kiện được đo và kiểm soát.
Bộ điều khiển: Một thiết bị cảm nhận được những thay đổi trong biến điều khiển
(hoặc nhận đầu vào từ một cảm biến từ xa) và có được đầu ra điều chỉnh thích hợp
Trang 5Hành động khắc phục: Kiểm soát hành động dẫn đến thay đổi biến thao tác Bắt
đầu khi biến được điều khiển lệch khỏi điểm đặt
Chu kỳ: Một quá trình thực hiện hoàn tất một quy trình lặp lại Trong hoạt động
gia nhiệt cơ bản, chu trình bao gồm một chu kỳ trong khoảng thời gian và một lầntrong một hệ thống điều khiển hai vị trí
Tái chu chuyển: Thay đổi định kỳ trong biến được kiểm soát từ một giá trị này
sang giá trị khác Tái chu chuyển tương tự ngoài tầm kiểm soát được gọi là "daođộng" Tái chu chuyển quá mức thường xuyên được gọi là "tái chu chuyển ngắn".Tái chu chuyển ngắn có thể gây hại cho động cơ điện, quạt và máy nén
Tốc độ tái chu chuyển: Số chu kỳ hoàn thành theo đơn vị thời gian, thường là chu
kỳ mỗi giờ cho hệ thống sưởi hoặc làm mát Nghịch đảo chiều dài của chu kỳ
Deadband: Một loạt các biến kiểm soát trong đó không có hành động sửa chữa
được thực hiện bởi hệ thống kiểm soát và không có năng lượng được sử dụng.Xem thêm “dải năng lượng bằng không”
Độ lệch: Sự khác biệt giữa điểm đặt và giá trị của biến được kiểm soát tại bất kỳ
thời điểm nào Còn được gọi là “bù đắp”
DDC: Điều khiển kỹ thuật số trực tiếp Xem thêm Kiểm soát kỹ thuật số và kỹ
thuật số
Kỹ thuật số: Một loạt các xung bật và tắt được sắp xếp để truyền tải thông tin Mã
Morse là một ví dụ đầu tiên Bộ xử lý (máy tính) hoạt động bằng ngôn ngữ kỹthuật số
Điều khiển kỹ thuật số: Một vòng điều khiển trong đó một bộ điều khiển vi xử lý
trực tiếp điều khiển thiết bị dựa trên các đầu vào cảm biến và các thông số điểmđặt Chuỗi điều khiển được lập trình xác định đầu ra cho thiết bị
Droop: Độ lệch bền vững giữa điểm điều khiển và điểm đặt trong hệ thống điều
khiển hai vị trí gây ra bởi sự thay đổi trong tải nhiệt hoặc làm mát
Tăng cường tỷ lệ tích phân-tích phân-phái sinh (EPID) kiểm soát: Một thuật
toán điều khiển tăng cường thuật toán PID tiêu chuẩn bằng cách cho phép các nhàthiết kế để nhập một giá trị đầu ra khởi động và thời gian đoạn đường lỗi ngoài cáclợi ích và điểm thiết lập Các tham số bổ sung này được cấu hình sao cho khi khởiđộng đầu ra PID khác nhau một cách trơn tru đến điểm điều khiển với mức vượtquá không đáng kể hoặc phần dưới
Trang 6Điều khiển điện: Một mạch điều khiển hoạt động trên đường dây hoặc điện áp
thấp và sử dụng các phương tiện cơ học, chẳng hạn như lưỡng kim hoặc ống thổinhiệt, để thực hiện các chức năng điều khiển, chẳng hạn như kích hoạt công tắchoặc định vị một chiết áp Tín hiệu bộ điều khiển thường hoạt động hoặc đặt một
bộ truyền động điện hoặc có thể chuyển tải điện trực tiếp hoặc thông qua rơle
Điều khiển điện tử: Mạch điều khiển hoạt động trên điện áp thấp và sử dụng các
thành phần trạng thái rắn để khuếch đại tín hiệu đầu vào và thực hiện các chứcnăng điều khiển, chẳng hạn như vận hành rơle hoặc cung cấp tín hiệu đầu ra đểđịnh vị một bộ truyền động Bộ điều khiển thường cung cấp các thói quen kiểmsoát cố định dựa trên logic của các thành phần solidstate
Yếu tố kiểm soát cuối cùng: Một thiết bị như van hoặc van điều tiết có tác dụng
thay đổi giá trị của biến điều khiển Vị trí của một thiết bị truyền động
Dao động: Xem tái chu chuyển.
Độ trễ: Độ trễ ảnh hưởng của điều kiện đã thay đổi tại một điểm trong hệ thống
hoặc một số điều kiện khác liên quan đến điều kiện đó Ngoài ra, sự chậm trễ trongphản ứng của yếu tố cảm biến của một điều khiển do thời gian cần thiết cho cácyếu tố cảm biến để cảm nhận một sự thay đổi trong biến cảm biến
Tải: Trong hệ thống sưởi ấm hoặc làm mát, truyền nhiệt mà hệ thống sẽ được gọi
để cung cấp Ngoài ra, công việc mà hệ thống phải thực hiện
Biến thao tác: Số lượng hoặc điều kiện được điều khiển bởi hệ thống điều khiển tự
động để gây ra thay đổi mong muốn trong biến được kiểm soát
Biến đo lường: Biến được đo và có thể được kiểm soát (ví dụ: không khí được đo
và kiểm soát, không khí ngoài trời chỉ được đo)
Điều khiển dựa trên bộ vi xử lý: Mạch điều khiển hoạt động trên điện áp thấp và
sử dụng bộ vi xử lý để thực hiện các chức năng logic và điều khiển, chẳng hạn nhưvận hành rơle hoặc cung cấp tín hiệu đầu ra để định vị một bộ truyền động
Thiết bị điện tử chủ yếu được sử dụng làm cảm biến Bộ điều khiển thường cungcấp các quy trình kiểm soát quản lý năng lượng và DDC linh hoạt
Điều chỉnh: Một hành động điều chỉnh theo số phút và giảm dần.
Bù đắp: Độ lệch bền vững giữa điểm điều khiển và điểm đặt của hệ thống điều
khiển tỷ lệ trong điều kiện vận hành ổn định
Trang 7Bật / tắt điều khiển: Một hệ thống điều khiển hai vị trí đơn giản, trong đó thiết bị
đang được điều khiển đầy hoặc tắt hoặc không có vị trí vận hành trung gian Cònđược gọi là "kiểm soát hai vị trí"
Điều khiển khí nén: Mạch điều khiển hoạt động trên áp suất không khí và sử dụng
các phương tiện cơ học, chẳng hạn như lưỡng kim hoặc ống thổi nhiệt, để thựchiện các chức năng điều khiển, chẳng hạn như vận hành vòi phun và cái mỏ hoặcrơle chuyển mạch Đầu ra bộ điều khiển thường hoạt động hoặc định vị một bộtruyền động khí nén, mặc dù rơ le và công tắc thường nằm trong mạch
Quy trình: Thuật ngữ chung mô tả thay đổi trong biến có thể đo lường (ví dụ: sự
trộn lẫn luồng không khí trả lại và không khí ngoài trời trong vòng điều khiển hỗnhợp không khí và truyền nhiệt giữa nước lạnh và không khí nóng trong cuộn dâylàm mát) Thường được xem xét riêng biệt với yếu tố cảm biến, phần tử điều khiển
và bộ điều khiển
Băng tần tỷ lệ: Trong một bộ điều khiển tỷ lệ, phạm vi điểm điều khiển mà qua đó
biến điều khiển phải vượt qua để di chuyển phần tử điều khiển cuối cùng thông quaphạm vi hoạt động đầy đủ của nó Thể hiện bằng phần trăm của khoảng cảm biếnchính Thường được sử dụng tương đương là "phạm vi điều chỉnh" và "phạm viđiều chỉnh", thường được thể hiện trong một số đơn vị kỹ thuật (mức độ nhiệt độ)
Kiểm soát tỉ lệ: Thuật toán hoặc phương pháp điều khiển trong đó phần tử điều
khiển cuối cùng di chuyển đến một vị trí tỷ lệ thuận với độ lệch của giá trị của biếnđược kiểm soát từ điểm đặt
Kiểm soát tỷ lệ phần trăm (PI): Thuật toán điều khiển kết hợp các thuật toán điều
khiển tỷ lệ (phản hồi tỷ lệ) và thuật toán điều khiển tích phân (reset response) Đặtlại phản hồi có xu hướng điều chỉnh độ lệch do điều khiển tỷ lệ thuận Còn đượcgọi là điều khiển “tỷ lệ-cộng-số” hoặc “hai chế độ”
Điều khiển tỉ lệ-tích phân-phái sinh (PID): Thuật toán điều khiển tăng cường
thuật toán điều khiển PI bằng cách thêm một thành phần tỷ lệ thuận với tốc độ thayđổi (đạo hàm) của độ lệch của biến được kiểm soát Bồi thường cho động lực hệthống và cho phép đáp ứng điều khiển nhanh hơn Còn được gọi là điều khiển
“threemode” hoặc “rate-reset”
Đặt lại kiểm soát: Xem kiểm soát bồi thường.
Yếu tố cảm biến: Một thiết bị hoặc thành phần đo giá trị của một biến.
Điểm đặt: Giá trị mà bộ điều khiển được đặt (ví dụ: nhiệt độ phòng mong muốn
được đặt trên bộ điều nhiệt) Điểm điều khiển mong muốn
Trang 8Tái chu chuyển ngắn: Xem tái chu chuyển.
Kiểm soát bước: Phương pháp điều khiển trong đó cụm nhiều công tắc chuyển
mạch tuần tự thiết bị (ví dụ: nhiệt điện, nhiều thiết bị làm lạnh) vì đầu vào bộ điềukhiển thay đổi theo dải tỷ lệ thuận Bộ điều khiển bước có thể được thiết bị truyềnđộng điều khiển, điện tử hoặc được kích hoạt trực tiếp bởi môi trường cảm biến (vídụ: áp suất, nhiệt độ)
Phạm vi điều chỉnh: Trong một bộ điều khiển tỷ lệ, phạm vi điểm điều khiển
thông qua đó biến được điều khiển phải vượt qua để di chuyển phần tử điều khiểncuối cùng thông qua phạm vi hoạt động đầy đủ của nó Được biểu thị bằng giá trịcủa biến được kiểm soát (ví dụ: độ Fahrenheit, độ ẩm tương đối phần trăm, poundtrên mỗi inch vuông) Còn được gọi là "dải tỷ lệ thuận" Trong bộ điều chỉnh nhiệt
độ phòng, thay đổi nhiệt độ cần thiết để biến biến điều khiển từ chế độ đầy đủ sangchế độ đầy
Hằng số thời gian: Thời gian cần thiết cho một thành phần động, chẳng hạn như
bộ cảm biến hoặc hệ thống điều khiển để đạt được 63,2 phần trăm của tổng phảnhồi với một thay đổi tức thời (hoặc "bước") đối với đầu vào của nó Thường được
sử dụng để đánh giá sự đáp ứng của thành phần hoặc hệ thống
Điều khiển hai vị trí: Xem điều khiển bật / tắt.
Dải năng lượng không: Một kỹ thuật bảo tồn năng lượng cho phép nhiệt độ trôi
nổi giữa các thiết lập đã chọn, do đó ngăn cản việc tiêu thụ năng lượng sưởi ấmhoặc làm mát trong khi nhiệt độ nằm trong phạm vi này
Phân vùng: Việc thực hành chia một tòa nhà thành các phần để sưởi ấm và kiểm
soát làm mát sao cho một bộ điều khiển đủ để xác định hệ thống sưởi và làm mát
Trang 9Hình 1 Vòng điều khiển điển hình.
ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG HVAC KHÁI QUÁT
Một hệ thống HVAC được thiết kế theo yêu cầu công suất, một sự kết hợp chấpnhận được của chi phí đầu tiên và chi phí vận hành, độ tin cậy của hệ thống vàkhông gian thiết bị có sẵn
Hình 2 cho thấy một hệ thống HVAC có thể được phân phối như thế nào trong mộttòa nhà thương mại nhỏ Bảng điều khiển hệ thống, nồi hơi, động cơ, máy bơm vàthiết bị làm lạnh thường nằm ở tầng dưới Tháp giải nhiệt thường nằm trên máinhà Trong suốt tòa nhà là ống dẫn, quạt, bộ giảm chấn, cuộn dây, bộ lọc khôngkhí, các bộ phận làm nóng, và các bộ khuếch tán không khí (VAV) và bộ khuếchtán không khí Các tòa nhà lớn hơn thường có các hệ thống riêng biệt cho cácnhóm tầng hoặc khu vực của tòa nhà
Hình 2 Hệ thống HVAC điển hình trong một tòa nhà nhỏ.
Hệ thống điều khiển cho một tòa nhà thương mại bao gồm nhiều vòng điều khiển
và có thể được chia thành các hệ thống trung tâm và các vòng điều khiển cục bộhoặc khu vực Để có được sự thoải mái và hiệu quả tối đa, tất cả các vòng điềukhiển phải được gắn với nhau để chia sẻ thông tin và lệnh hệ thống bằng cách sử
Trang 10thống quản lý tòa nhà của sách hướng dẫn này Các vòng điều khiển cơ bản trong
hệ thống xử lý không khí trung tâm có thể được phân loại như trong Bảng 1 Tùythuộc vào hệ thống, các điều khiển khác có thể được yêu cầu cho hiệu suất tối ưu.Điều khiển cục bộ hoặc vùng phụ thuộc vào loại thiết bị đầu cuối được sử dụng
Bảng 1 Chức năng của vòng điều khiển HVAC trung tâm.
Chu kỳ nén hoặc van điện từ DX để duy trì nhiệt độ Nếumáy nén
là loại dỡ, xi-lanh được bốc dỡ theo yêu cầu để duy trì nhiệt độ.
Trang 11Truyền là quá trình mà năng lượng đi vào hoặc để lại một không gian thông quacác bề mặt bên ngoài Tốc độ truyền năng lượng được tính bằng cách trừ nhiệt độngoài trời ra khỏi nhiệt độ trong nhà và nhân kết quả với hệ số truyền nhiệt của vậtliệu bề mặt Tốc độ truyền tải thay đổi theo độ dày và độ dày của bề mặt bên ngoàinhưng được tính theo cùng một cách cho tất cả các bề mặt bên ngoài:
Truyền năng lượng cho mỗi Đơn vị Diện tích và Đơn vị Thời gian =(T IN - T OUT ) x HTC
Trong đó:
T TRÊN= nhiệt độ trong nhà
T OUT= nhiệt độ ngoài trời
HTC = hệ số truyền nhiệt
Đơn vịthời gian x Đơn vị diệntích x Đơn vịnhiệt độ
Sự xâm nhập là quá trình mà không khí ngoài trời đi vào một tòa nhà qua các bứctường, các vết nứt xung quanh cửa ra vào và cửa sổ, và cửa mở do sự khác biệt
Trang 12của chênh lệch nhiệt độ và lượng không khí hoặc khí thải do hoạt động của quạt.Mất nhiệt do xâm nhập là một chức năng của sự chênh lệch nhiệt độ và khối lượngkhông khí di chuyển Exfiltration là quá trình mà không khí để lại một tòa nhà (ví
dụ, thông qua các bức tường và các vết nứt xung quanh cửa ra vào và cửa sổ) vàmang nhiệt với nó Việc xâm nhập và exfiltration có thể xảy ra cùng một lúc
Thông gió mang lại không khí trong lành ngoài trời có thể cần sưởi ấm Như với sựmất nhiệt từ xâm nhập và exfiltration, mất nhiệt từ thông gió là một chức năng của
sự khác biệt nhiệt độ và khối lượng không khí đưa vào tòa nhà hoặc cạn kiệt
THIẾT BỊ SƯỞI ẤM
Việc lựa chọn thiết bị sưởi thích hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chi phí
và tính sẵn có của nhiên liệu, kích thước và sử dụng xây dựng, khí hậu, và chi phíban đầu và chi phí vận hành Các nguồn nhiệt chính bao gồm gas, dầu, gỗ, than,điện và năng lượng mặt trời Đôi khi một sự kết hợp của các nguồn là kinh tế nhất
Lò hơi thường được cung cấp nhiên liệu bằng khí và có thể có tùy chọn chuyểnsang dầu trong thời gian có nhu cầu cao Nhiệt mặt trời có thể được sử dụng nhưmột nguồn thay thế hoặc bổ sung với bất kỳ loại nhiên liệu nào
Hình 4 cho thấy một hệ thống xử lý không khí với một cuộn dây nước nóng Một
sơ đồ điều khiển tương tự sẽ áp dụng cho một cuộn hơi Nếu hơi nước hoặc nướcnóng được chọn để phân phối năng lượng nhiệt, nồi hơi hiệu suất cao có thể được
sử dụng để giảm chi phí vòng đời Nước thường được sử dụng thường xuyên hơnhơi nước để truyền năng lượng nhiệt từ lò hơi đến các cuộn dây hoặc các thiết bịđầu cuối, vì nước đòi hỏi các biện pháp an toàn ít hơn và thường hiệu quả hơn, đặcbiệt là ở vùng khí hậu ôn hòa
Hình 4 Hệ thống sử dụng Coil sưởi ấm.
Một hệ thống xử lý không khí cung cấp nhiệt bằng cách di chuyển một luồngkhông khí trên một cuộn dây có chứa một môi trường sưởi ấm, trên một cuộn dâysưởi điện, hoặc thông qua một lò Lò sưởi đơn vị (Hình 5) thường được sử dụngtrong các cửa hàng, khu vực lưu trữ, cầu thang và bến cảng Bảng điều khiển máysưởi (Hình 6) thường được sử dụng để sưởi sàn và thường được cài đặt trong mộtsàn hoặc cấu trúc sàn, nhưng có thể được cài đặt trong một bức tường hoặc trầnnhà
Trang 13Hình 5 Lò sưởi đơn vị tiêu biểu.
Hình 6 Tủ sưởi.
Máy thở đơn vị (Hình 7) được sử dụng trong các phòng học và có thể bao gồm cả
hệ thống sưởi và cuộn dây làm mát Lò sưởi đối lưu (Hình 8) được sử dụng để sưởi
ấm chu vi và trong các lối vào và hành lang Lò sưởi hồng ngoại (Hình 9) thườngđược sử dụng để sưởi ấm tại chỗ ở các khu vực rộng lớn (ví dụ: móc treo máy bay,sân vận động)
Hình 7 Đơn vị Thông gió
Hình 8 Lò sưởi đối lưu.
Trang 14Hình 9 Lò hồng ngoại.
Ở vùng khí hậu ôn hòa, nhiệt có thể được cung cấp bởi một cuộn dây trong hệthống xử lý không khí trung tâm hoặc bằng máy bơm nhiệt Máy bơm nhiệt có lợithế của việc chuyển đổi giữa các chế độ làm nóng và làm mát theo yêu cầu Cácphòng trên tầng mái có hệ thống sưởi và làm mát được đóng gói Sưởi ấm trên mộtđơn vị trên tầng mái thường là bởi lò đốt bằng gas hoặc dầu hoặc một cuộn dây dẫnnhiệt bằng điện Các cuộn hơi nước và nước nóng cũng có sẵn Nhiệt độ chu vithường được yêu cầu trong điều kiện khí hậu lạnh hơn, đặc biệt là dưới cửa sổ lớn
Một máy bơm nhiệt sử dụng các thành phần làm lạnh tiêu chuẩn và một van đảochiều để cung cấp cả sưởi ấm và làm mát trong cùng một thiết bị Trong chế độsưởi, dòng chảy của chất làm lạnh thông qua các cuộn dây được đảo ngược đểcung cấp nhiệt từ một nguồn nhiệt đến không gian có điều kiện Khi một máy bơmnhiệt được sử dụng để trao đổi nhiệt từ bên trong của một tòa nhà với chu vi,không cần nguồn nhiệt bổ sung
Hệ thống thu hồi nhiệt thường được sử dụng trong các tòa nhà có sử dụng mộtlượng không khí ngoài trời đáng kể Một số loại hệ thống thu hồi nhiệt có sẵn baogồm máy bơm nhiệt, hệ thống runaround, bộ trao đổi nhiệt quay và ống dẫn nhiệt.Trong một hệ thống runaround, cuộn dây được lắp đặt trong ống dẫn khí ngoài trời
và ống dẫn khí thải Một máy bơm lưu thông môi trường (nước hoặc glycol) giữacác cuộn dây sao cho môi trường được làm nóng bằng khí thải làm nóng trướckhông khí ngoài trời vào hệ thống
Một bộ trao đổi nhiệt quay là một bánh xe lớn chứa đầy lưới kim loại Một nửa củabánh xe là trong không khí ngoài trời và nửa còn lại, trong ống dẫn khí thải Khibánh xe quay, lưới kim loại hấp thụ nhiệt từ không khí thải và tiêu tan nó trongkhông khí nạp
Một ống dẫn nhiệt là một ống dài, bịt kín, bịt kín với chất làm lạnh Ống đượcnghiêng nhẹ với một đầu trong không khí ngoài trời và đầu kia trong không khíthải Trong một ứng dụng làm nóng, chất làm lạnh bốc hơi ở đầu dưới trong khôngkhí thải ấm, và hơi tăng lên về phía cao hơn trong không khí ngoài trời mát mẻ, nơi
nó tạo ra hơi nóng của hơi nước và ngưng tụ Một bấc mang chất làm lạnh lỏng trởlại phần ấm, nơi chu trình lặp lại Ống dẫn nhiệt không yêu cầu đầu vào nănglượng Để làm mát, quá trình này được đảo ngược bằng cách nghiêng ống theocách khác
Trang 15Các điều khiển có thể là khí nén, điện, điện tử, kỹ thuật số hoặc kết hợp Kiểm soátthỏa đáng có thể đạt được bằng cách sử dụng các vòng điều khiển độc lập trên mỗi
hệ thống Hiệu quả hoạt động tối đa và mức độ thoải mái có thể đạt được với một
hệ thống điều khiển điều chỉnh hoạt động của hệ thống trung tâm theo yêu cầu củakhu vực Một hệ thống như vậy có thể tiết kiệm đủ chi phí vận hành để tự chi trảtrong một thời gian ngắn
Các điều khiển cho hệ thống xử lý không khí và các khu vực được thiết kế đặc biệtcho một tòa nhà bởi kiến trúc sư, kỹ sư hoặc đội ngũ thiết kế tòa nhà Các điềukhiển thường được cài đặt tại vị trí công việc Điều khiển thiết bị đầu cuối thườngđược cài đặt tại nhà máy Nồi hơi, máy bơm nhiệt và các thiết bị trên tầng máithường được bán kèm với gói điều khiển do nhà máy lắp đặt được thiết kế đặc biệtcho thiết bị đó
Dẫn là quá trình mà nhiệt di chuyển giữa các không gian liền kề với nhiệt độ khônggian bằng nhau Nhiệt có thể di chuyển qua các bức tường bên ngoài và mái nhà,hoặc qua sàn nhà, tường hoặc trần nhà Bức xạ mặt trời làm nóng các bề mặt màsau đó truyền nhiệt đến không khí xung quanh Tăng nhiệt bên trong được tạo rabởi người cư ngụ, ánh sáng và thiết bị Không khí ấm áp đi vào một tòa nhà bằngcách xâm nhập và thông gió cũng góp phần tăng nhiệt
Định hướng xây dựng, che chắn nội thất và ngoại thất, góc của mặt trời và gióthịnh hành ảnh hưởng đến lượng nhiệt mặt trời tăng lên, có thể là nguồn nhiệtchính Nhiệt mặt trời nhận được thông qua cửa sổ gây ra tăng nhiệt tức thời Cáckhu vực có cửa sổ lớn có thể tăng thêm năng lượng mặt trời vào mùa đông so vớimùa hè Các bề mặt xây dựng hấp thụ năng lượng mặt trời, trở nên nóng và chuyểnnhiệt sang không khí bên trong Lượng nhiệt độ thay đổi qua từng lớp của bề mặtcomposite phụ thuộc vào khả năng chịu nhiệt và độ dày của từng vật liệu
Người cư ngụ, ánh sáng, thiết bị, và các yêu cầu thông gió và xâm nhập không khí
Trang 16tạo ra khoảng 400 Btu mỗi giờ Ánh sáng nóng sáng tạo ra nhiều nhiệt hơn ánhsáng huỳnh quang Máy photocopy, máy tính và các máy văn phòng khác cũngđóng góp đáng kể vào việc tăng nhiệt bên trong.
Trang 17khi các hệ thống DX thường được làm mát bằng không khí Bởi vì nước làm máthiệu quả hơn làm mát không khí, thiết bị làm lạnh lớn luôn luôn làm mát bằngnước.
Máy nén cho hệ thống nước lạnh thường là ly tâm, qua lại, hoặc loại vít Năng lựccủa máy nén ly tâm và vít loại có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi thể tíchcủa chất làm lạnh hoặc kiểm soát tốc độ máy nén Máy nén hệ thống DX thườngchuyển động qua lại và, trong một số hệ thống, công suất có thể được điều khiểnbằng cách dỡ các xylanh Hệ thống làm lạnh hấp thụ, sử dụng năng lượng nhiệttrực tiếp để sản xuất nước lạnh, đôi khi được sử dụng cho các hệ thống nước lạnhlớn
Trong khi máy bơm nhiệt thường mở rộng trực tiếp, một máy bơm nhiệt lớn có thể
ở dạng máy làm lạnh Không khí thường là nguồn nhiệt và tản nhiệt trừ khi có một
hồ chứa nước lớn (ví dụ, nước ngầm)
Chi phí ban đầu và vận hành là các yếu tố chính trong việc lựa chọn thiết bị làmmát Hệ thống DX có thể rẻ hơn thiết bị làm lạnh Tuy nhiên, bởi vì một hệ thống
DX vốn đã được twoposition (on / off), nó không thể kiểm soát nhiệt độ với độchính xác của một hệ thống nước lạnh Kiểm soát nhiệt độ thấp là điều cần thiếttrong một hệ thống DX được sử dụng với một hệ thống khối lượng không khí thayđổi
Để biết thêm thông tin về các thiết bị hệ thống khác nhau, hãy tham khảo các phầnsau của hướng dẫn này:
- Ứng dụng điều khiển hệ thống làm lạnh, nồi hơi và phân phối
- Ứng dụng điều khiển hệ thống xử lý không khí
- Ứng dụng kiểm soát phòng cá nhân
HÚT ẨM
Không khí quá ẩm có thể gây ra các vấn đề như ngưng tụ và khó chịu về thể chất.Phương pháp khử ẩm lưu thông không khí ẩm thông qua các cuộn nguội hoặc cácđơn vị hấp phụ Việc hút ẩm chỉ được yêu cầu trong mùa làm mát Trong các ứngdụng đó, hệ thống làm mát có thể được thiết kế để cung cấp độ ẩm cũng như làmmát
Để hút ẩm, một cuộn dây làm mát phải có công suất và nhiệt độ bề mặt đủ để làmmát không khí dưới điểm sương của nó Làm mát không khí ngưng tụ nước, sau đóđược thu gom và thoát nước Khi độ ẩm rất quan trọng và hệ thống làm mát được
sử dụng để hút ẩm, không khí khử ẩm có thể được hâm nóng để duy trì nhiệt độkhông gian mong muốn
Trang 18Khi cuộn dây làm mát không thể giảm độ ẩm đủ, các đơn vị hấp phụ được lắp đặt.Một đơn vị hấp phụ sử dụng một dạng hạt dạng hạt xoay của silica gel, nhôm hoạttính hoặc muối hút ẩm (Hinh 12), hoặc một dung dịch nước muối lithium cloruahoặc glycol Trong cả hai loại, vật liệu hấp phụ hấp thụ độ ẩm từ không khí và sau
đó vật liệu hấp phụ bão hòa đi qua một phần riêng biệt của thiết bị áp dụng nhiệt đểloại bỏ độ ẩm Chất hấp phụ tạo ra độ ẩm cho một luồng khí “xác thối”, sau đó cạnkiệt Không khí thiêu đốt thường là khí thải hoặc có thể là không khí ngoài trời
Hình 12 Đơn vị hấp thụ giường hạt.
Các cuộn dây làm mát được phun (Hình 13) thường được sử dụng để kiểm soát độ
ẩm không gian để tăng hiệu suất hút ẩm và cung cấp khả năng kiểm soát độ ẩmquanh năm (độ ẩm mùa đông)
Hình 13 Máy hút ẩm dạng cuộn.
Để biết thêm thông tin về hút ẩm, hãy tham khảo các phần sau của hướng dẫn này:
- Các nguyên tắc cơ bản về biểu đồ tâm lý
- Ứng dụng điều khiển hệ thống xử lý không khí
ĐỘ ẨM
Độ ẩm thấp có thể gây ra các vấn đề như khó chịu hô hấp và tĩnh điện Máy tạo độ
ẩm có thể làm ẩm không gian một cách trực tiếp hoặc thông qua hệ thống xử lýkhông khí Đối với điều kiện môi trường thỏa đáng, độ ẩm tương đối của khôngkhí phải từ 30 đến 60% Ở những khu vực quan trọng, nơi có khí nổ, tối thiểu 50
Trang 19phần trăm được đề nghị Độ ẩm thường chỉ được yêu cầu trong mùa nóng ngoại trừ
ở vùng khí hậu cực kỳ khô
Độ ẩm trong hệ thống xử lý không khí thường bơm hơi trực tiếp vào luồng khôngkhí (phun hơi), phun nước phun vào luồng không khí (phun), hoặc làm bay hơinước nóng từ chảo trong ống dẫn vào luồng không khí đi qua ống dẫn ) Các loạimáy tạo độ ẩm khác là phun nước và cuộn dây phun Trong các hệ thống phun,nước có thể được đun nóng để làm bay hơi tốt hơn hoặc được làm lạnh để hút ẩm
Để biết thêm thông tin về độ ẩm, hãy tham khảo các phần sau của hướng dẫn này:
- Các nguyên tắc cơ bản về biểu đồ tâm lý
- Ứng dụng điều khiển hệ thống xử lý không khí
THÔNG GIÓ
Thông gió giới thiệu không khí ngoài trời để bổ sung nguồn cung cấp oxy và thoátkhỏi không gian xây dựng của mùi hôi và khí độc Thông gió cũng có thể được sửdụng để gây áp lực cho một tòa nhà để giảm sự xâm nhập Trong khi thông gióđược yêu cầu trong gần như tất cả các tòa nhà, thiết kế của một hệ thống thông gióphải xem xét chi phí sưởi ấm và làm mát không khí thông gió Không khí thônggió phải được giữ ở mức tối thiểu cần thiết trừ khi được sử dụng để làm mát miễnphí (tham khảo Tiêu chuẩn ASHRAE 62, Thông gió cho chất lượng không khítrong nhà được chấp nhận)
Để đảm bảo không khí thông gió chất lượng cao và giảm thiểu số lượng cần thiết,cửa hút gió ngoài trời phải được đặt để tránh tạo ra khí thải, khí thải xe và cácnguồn ô nhiễm khác Hệ thống ống xả trong nhà nên thu thập mùi hôi hoặc chấtgây ô nhiễm tại nguồn của chúng Lượng thông gió mà một tòa nhà yêu cầu có thểgiảm xuống bằng máy giặt, bộ lọc hiệu quả cao, hóa chất hấp thụ (ví dụ: than hoạttính) hoặc hệ thống sửa đổi mùi
Yêu cầu thông gió thay đổi tùy theo số lượng người cư ngụ và mục đích sử dụngcủa không gian Để biết chi tiết về các loại không gian, mức độ chiếm dụng vàthông gió cần thiết, hãy tham khảo Tiêu chuẩn ASHRAE 62
Hình 14 cho thấy một hệ thống thông gió cung cấp 100% không khí ngoài trời.Loại hệ thống thông gió này thường được sử dụng trong đó mùi hoặc chất gây ônhiễm bắt nguồn từ không gian có điều kiện (ví dụ: phòng thí nghiệm nơi ống xả
và quạt hút khói) Các ứng dụng như vậy đòi hỏi không khí trang điểm được điềuhòa để cung cấp một môi trường có thể chấp nhận được
Trang 20Hình 14 Hệ thống thông gió sử dụng 100 phần trăm Không khí bên ngoài.
Trong nhiều ứng dụng, chi phí năng lượng làm cho hệ thống khối lượng không khíngoài trời 100 phần trăm không kinh tế Vì lý do đó, các phương tiện kiểm soátchất gây ô nhiễm nội bộ có sẵn, chẳng hạn như điều chỉnh âm lượng khói, điềukhiển áp suất không gian và hệ thống làm sạch không khí
Một hệ thống thông gió sử dụng không khí trở lại (Hình 15) là phổ biến hơn so với
hệ thống không khí ngoài trời 100% Hệ thống thông gió returnair tuần hoàn hầuhết không khí trở về từ hệ thống và thêm không khí ngoài trời để thông gió Hệthống trả lại không khí có thể có một quạt riêng để vượt qua tổn thất áp suất ốngdẫn Hệ thống khí thải có thể được tích hợp vào thiết bị điều hòa không khí, hoặc
nó có thể là một ống xả từ xa riêng biệt Cung cấp không khí được làm nóng hoặclàm mát, ẩm hoặc khử ẩm, và thải vào không gian
- Nguyên tắc cơ bản về chất lượng không khí trong nhà
- Ứng dụng điều khiển hệ thống xử lý không khí
- Xây dựng ứng dụng điều khiển hệ thống luồng không khí
Trang 21Hình 16 Bộ lọc HEPA.
BỘ LỌC PLEATED
Trang 22TÚI LỌC Hình 17 Bộ lọc cơ khí.
Các loại bộ lọc cơ khí khác bao gồm bộ lọc, nhớt bộ lọc tráng và bộ lọc khuếchtán Căng thẳng loại bỏ hạt lớn hơn không gian trong lưới của bộ lọc kim loại vàthường được sử dụng làm bộ lọc sơ bộ cho các bộ lọc tĩnh điện Trong nhớt bộ lọctráng, các hạt đi qua các sợi lọc va chạm với các sợi và được giữ trên bề mặt xơ.Khuếch tán loại bỏ các hạt mịn bằng cách sử dụng hiện tượng hỗn loạn trong luồngkhông khí để đưa hạt vào các sợi của bộ lọc bề mặt
Một bộ lọc tĩnh điện (Hình 18) cung cấp giảm áp suất thấp nhưng thường đòi hỏimột bộ lọc cơ học để thu thập lớn các hạt và một bộ lọc cơ học để thu thập kết tụcác hạt có thể bị thổi ra khỏi bộ lọc tĩnh điện An bộ lọc tĩnh điện điện tích các hạt
đi qua
một trường ion hóa và thu thập các hạt tích điện trên các tấm với điện tích ngượclại Các tấm có thể được tráng với chất kết dính
Hình 18 Bộ lọc tĩnh điện.
Trang 23ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG KIỂM
SOÁT
Các điều khiển tự động được sử dụng ở bất kỳ nơi nào có điều kiện biến đổi phảiđược kiểm soát Trong hệ thống HVAC, phổ biến nhất điều kiện được kiểm soát là
áp suất, nhiệt độ, độ ẩm và Đánh giá thấp Các ứng dụng của hệ thống điều khiển
tự động từ quy định nhiệt độ dân cư đơn giản đến độ chính xác kiểm soát các quytrình công nghiệp
BIẾN ĐƯỢC KIỂM SOÁT
Điều khiển tự động yêu cầu hệ thống có thể điều khiển được biến tồn tại Một hệthống điều khiển tự động điều khiển biến bằng cách thao tác biến thứ hai Thư haibiến, được gọi là biến điều khiển, gây ra sự cần thiết thay đổi trong biến kiểm soát
Trong một căn phòng được làm nóng bằng không khí di chuyển qua một cuộn dâynước nóng, cho ví dụ, bộ điều chỉnh nhiệt đo nhiệt độ (được kiểm soát biến) củakhông khí trong phòng (môi trường được kiểm soát) tại một mức quy định vịtrí Khi phòng nguội đi, bộ điều nhiệt hoạt động một van điều chỉnh dòng chảy(biến điều khiển) của nước nóng (tác nhân điều khiển) thông qua cuộn dây Bằngcách này, các cuộn dây cung cấp nhiệt để làm ấm không khí trong phòng
VÒNG ĐIỀU KHIỂN
Trong hệ thống điều hòa không khí, biến được kiểm soát là duy trì bằng cách thayđổi đầu ra của thiết bị cơ khí bằng một vòng điều khiển tự động Một vòng điềukhiển bao gồm của một yếu tố cảm biến đầu vào, chẳng hạn như cảm biến nhiệtđộ; một bộ điều khiển xử lý tín hiệu đầu vào và tạo ra một đầu ra tín hiệu; và mộtyếu tố kiểm soát cuối cùng, chẳng hạn như van, hoạt động theo tín hiệu đầu ra
Cảm biến có thể tách rời hoặc một phần của bộ điều khiển và nằm trong môitrường được kiểm soát Các biện pháp cảm biến giá trị của biến được kiểm soát vàgửi kết quả tín hiệu cho bộ điều khiển Bộ điều khiển nhận cảm biến tín hiệu, sosánh nó với giá trị mong muốn, hoặc điểm đặt, và tạo tín hiệu điều chỉnh để chỉ đạohoạt động của
thiết bị điều khiển Thiết bị được điều khiển thay đổi điều khiển tác nhân điềuchỉnh đầu ra của thiết bị điều khiển tạo ra điều kiện mong muốn
Trang 24Ứng dụng HVAC sử dụng hai loại vòng điều khiển: mở và đóng cửa Một hệ thốngvòng lặp giả định một mối quan hệ cố định giữa điều kiện được kiểm soát và điềukiện bên ngoài An ví dụ về điều khiển vòng lặp mở sẽ là sự kiểm soát chu vi bức
xạ sưởi ấm dựa trên một đầu vào từ một không khí ngoài trời cảm biến nhiệt
độ Bơm tuần hoàn và nồi hơi được cấp nguồn khi nhiệt độ không khí ngoài trờigiảm xuống một thiết lập cụ thể, và nhiệt độ hoặc lưu lượng nước được kiểm soát
tỷ lệ như một chức năng của nhiệt độ ngoài trời Một hệ thống mở vòng lặp khôngtính đến việc thay đổi điều kiện không gian từ tăng nhiệt bên trong, xâm nhập /exfiltration, tăng năng lượng mặt trời, hoặc khác thay đổi các biến trong tòanhà Điều khiển vòng mở không kiểm soát chặt chẽ và có thể dẫn đến tình trạngquá nóng hoặc quá nóng Vì lý do này, các hệ thống vòng lặp không phải là phổbiến trong các ứng dụng dân cư hoặc thương mại
Một hệ thống vòng kín dựa trên đo lường của kiểm soát biến để thay đổi đầu ra bộđiều khiển Hình 19 hiển thị sơ đồ khối của hệ thống vòng kín Một ví dụ kiểm soátvòng kín sẽ là nhiệt độ xả không khí trong ống dẫn xác định dòng chảy của nướcnóng để sưởi ấm cuộn dây để duy trì nhiệt độ xả tại bộ điều khiển điểm đặt
Hình 19 Phản hồi trong một hệ thống vòng kín.
Trong ví dụ này, yếu tố cảm biến đo lường sự phóng điện nhiệt độ không khí vàgửi tín hiệu phản hồi tới bộ điều khiển Bộ điều khiển so sánh tín hiệu phản hồi vớiđiểm đặt Dựa trên sự khác biệt, hoặc độ lệch, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu điềuchỉnh cho van, điều chỉnh lưu lượng nóng nước để đáp ứng nhu cầu của quátrình Thay đổi trong kiểm soát biến do đó phản ánh nhu cầu Phần tử cảm biến tiếptục để đo lường những thay đổi trong nhiệt độ không khí xả và thức ăn điều kiệnmới trở lại bộ điều khiển liên tục so sánh và hiệu chỉnh
Hệ thống điều khiển tự động sử dụng phản hồi để giảm độ lớn của độ lệch và tạo ra
sự ổn định của hệ thống miêu tả trên Một đầu vào phụ, chẳng hạn như đầu vào từmột
cảm biến bù trừ không khí ngoài trời, có thể cung cấp thông tin về các rối loạn ảnhhưởng đến biến được kiểm soát Sử dụng một đầu vào ngoài biến kiểm soát chophép
điều khiển để dự đoán ảnh hưởng của sự xáo trộn và bù đắp cho nó, do đó làmgiảm tác động của nhiễu loạn trên biến được kiểm soát
Trang 25PHƯƠNG THỨC KIỂM SOÁT
KHÁI QUÁT
Một hệ thống điều khiển tự động được phân loại theo loại truyền năng lượng vàloại tín hiệu điều khiển (analog hoặc kỹ thuật số) nó sử dụng để thực hiện các chứcnăng của nó
Các dạng năng lượng phổ biến nhất để điều khiển tự động hệ thống điện và khínén Hệ thống có thể bao gồm một hoặc cả hai dạng năng lượng
Các hệ thống sử dụng năng lượng điện là điện cơ, điện tử, hoặc bộ vi xử lý đượckiểm soát Kiểm soát khí nén hệ thống sử dụng áp suất không khí khác nhau từcảm biến làm đầu vào cho điều khiển, do đó tạo ra tín hiệu đầu ra khí nén cho mộtyếu tố kiểm soát cuối cùng Khí nén, điện cơ và hệ thống điện tử thực hiện kiểmsoát hạn chế, được xác định trước chức năng và trình tự Bộ điều khiển dựa trên bộ
vi xử lý sử dụng
điều khiển kỹ thuật số cho một loạt các chuỗi điều khiển Các hệ thống tự cấpnguồn tương đối nhỏ nhưng vẫn loại kiểm soát quan trọng Các hệ thống này sửdụng sức mạnh của biến được đo để tạo ra hành động khắc phục cần thiết Ví dụ,nhiệt độ thay đổi ở áp suất gây ra cảm biến hoặc thay đổi thể tích được áp dụngtrực tiếp cho cơ hoành hoặc ống thổi trong van hoặc thiết bị truyền động van điềutiết
Nhiều hệ thống điều khiển hoàn chỉnh sử dụng kết hợp các danh mục trên Một ví
dụ về một hệ thống kết hợp là hệ thống điều khiển cho bộ xử lý không khí bao gồmbật / tắt điện điều khiển quạt và điều khiển khí nén để sưởi ấm và cuộn dây làmmát
Các phương pháp kiểm soát khác nhau được mô tả trong phần sau các phần của sổtay này:
- Các nguyên tắc cơ bản về kiểm soát khí nén
- Nguyên tắc cơ bản về kiểm soát điện
- Nguyên tắc cơ bản về kiểm soát điện tử
- Cơ sở vi xử lý dựa trên / DDC cơ bản
Xem ĐẶC ĐIỂM VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT
Trang 26TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ VÀ ĐIỀU KHIỂN SỐ
Theo truyền thống, các thiết bị analog đã thực hiện điều khiển HVAC Một bộđiều khiển HVAC tương tự điển hình là loại khí nén nhận và hoạt động liên tụctrên dữ liệu Trong khí nén điều khiển, bộ cảm biến sẽ gửi bộ điều khiển liên tụctín hiệu khí nén, áp suất trong đó tỷ lệ thuận với giá trị của biến được đo Bộ điềukhiển so sánh áp suất không khí do cảm biến gửi đến giá trị mong muốn của khôngkhí áp lực được xác định bởi điểm đặt và gửi điều khiển tín hiệu dựa trên so sánh
Bộ điều khiển kỹ thuật số nhận tín hiệu điện tử từ cảm biến, chuyển đổi tín hiệuđiện tử sang xung kỹ thuật số
(giá trị) và thực hiện các phép toán trên các giá trị này giá trị Bộ điều khiển điềuchỉnh giá trị đầu ra thành tín hiệu để vận hành một thiết bị truyền động Bộ điềukhiển lấy mẫu dữ liệu số tại đặt khoảng thời gian, thay vì đọc liên tục Các phươngpháp lấy mẫu được gọi là tín hiệu điều khiển rời rạc Nếu khoảng thời gian lấy mẫucho bộ điều khiển kỹ thuật số được chọn đúng cách, thay đổi đầu ra rời rạc cungcấp điều khiển đồng đều và không bị gián đoạn hiệu suất
Hình 20 so sánh các tín hiệu điều khiển kỹ thuật số và analog Các bộ điều khiển
kỹ thuật số định kỳ cập nhật quá trình như một hàm của một tập hợp các biến kiểmsoát được đo lường và một tập hợp kiểm soát đã cho thuật toán Bộ điều khiển tínhtoán toàn bộ tính toán, bao gồm thuật toán điều khiển và gửi tín hiệu đến thiết bịtruyền động Trong nhiều hệ thống kiểm soát thương mại lớn hơn, bộ chuyển đổiđiện tử-khí nén chuyển đổi đầu ra điện với một đầu ra áp suất biến đổi cho hoạtđộng bằng khí nén của yếu tố kiểm soát cuối cùng
Trang 27Hình 20 So sánh các tín hiệu điều khiển số và tín hiệu tương tự.
KIỂM SOÁT MÔ HÌNH
Hệ thống điều khiển sử dụng các chế độ điều khiển khác nhau để thực hiện mụcđích của họ Chế độ điều khiển trong các ứng dụng thương mại bao gồm kiểm soáthai vị trí, bước và nổi; tỷ lệ thuận, tỷ lệ tích phân, và tỷ lệ-tích phân-phái sinh điềukhiển; và điều khiển thích ứng
ĐIỀU KHIỂN HAI VỊ TRÍ
KHÁI QUÁT
Trong điều khiển hai vị trí, phần tử điều khiển cuối cùng chiếm một trong hai vị trí
có thể ngoại trừ thời gian ngắn khi nó đang đi từ vị trí này sang vị trí khác Điềukhiển hai vị trí được sử dụng trong các hệ thống HVAC đơn giản để bắt đầu vàdừng điện động cơ trên máy sưởi đơn vị, đơn vị cuộn dây quạt và làm lạnh máy
Trang 28móc, để mở vòi phun nước cho ẩm, và để tiếp thêm sinh lực và deenergize máysưởi dải điện.
Trong điều khiển hai vị trí, hai giá trị của biến được kiểm soát (thường tươngđương với bật và tắt) xác định vị trí của yếu tố kiểm soát cuối cùng Giữa các giátrị này là một vùng được gọi là "khoảng cách vi phân" hoặc "vi sai" trong đó bộđiều khiển không thể khởi tạo hành động của phần tử điều khiển cuối cùng Nhưbiến được kiểm soát đạt đến một trong hai giá trị, phần tử điều khiển giả định vị trítương ứng với nhu cầu của bộ điều khiển, và vẫn ở đó cho đến khi được kiểm soátthay đổi biến đối với giá trị khác Yếu tố kiểm soát cuối cùng di chuyển đến vị tríkhác và vẫn ở đó cho đến khi kiểm soát biến trở về giới hạn khác
Một ví dụ về khoảng cách vi sai sẽ ở trong một hệ thống làm mát trong đó bộ điềukhiển được đặt để mở van làm mát khi nhiệt độ không gian đạt 78F, và đóng vankhi
nhiệt độ giảm xuống 76F Sự khác biệt giữa hai nhiệt độ (2 độ F) là khoảng cáchkhác biệt Các biến điều khiển biến động giữa hai nhiệt độ
Điều khiển hai vị trí cơ bản hoạt động tốt cho nhiều ứng dụng Tuy nhiên, để kiểmsoát nhiệt độ gần, đạp xe phải là tăng tốc hoặc hẹn giờ
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HAI CƠ BẢN
Trong điều khiển hai vị trí cơ bản, bộ điều khiển và cuối cùng phần tử điều khiểntương tác mà không sửa đổi từ nguồn nhiệt hoặc cơ học Kết quả là hoạt động theochu kỳ thiết bị được kiểm soát và điều kiện trong đó kiểm soát biến chu kỳ qua lạigiữa hai giá trị (các điểm bật và tắt) và bị ảnh hưởng bởi độ trễ trong hệ thống Bộđiều khiển không thể thay đổi vị trí của trận chung kết phần tử điều khiển cho đếnkhi biến được kiểm soát đạt đến một hoặc khác của hai giới hạn của sự khácbiệt Vì lý do đó, sự khác biệt là swing tối thiểu có thể được kiểm soát biến Hình
21 cho thấy một hệ thống sưởi ấm điển hình mẫu
Hình 21 Hoạt động điển hình của điều khiển hai vị trí cơ bản.
Trang 29Các điều kiện vượt qua và undershoot thể hiện trong hình 21 là do sự chậm trễtrong hệ thống Khi hệ thống sưởi ấm đầy sinh lực, nó tạo nên sức nóng di chuyểnvào không gian làm ấm không khí, nội dung của không gian và bộ điều nhiệt Bởithời gian nhiệt độ nhiệt đạt đến điểm tắt (ví dụ: 72F), không khí trong phòng đã ấmhơn nhiệt độ đó Khi bộ điều nhiệt tắt nhiệt, hệ thống sưởi tiêu tan nhiệt được lưutrữ của nó để làm nóng không gian nhiều hơn, gây ra vượt qua Undershoot là quátrình tương tự ngược lại.
Trong điều khiển hai vị trí cơ bản, sự hiện diện của độ trễ gây ra điều khiển để sửachữa một điều kiện đã trôi qua một cái đang diễn ra hoặc sắp diễn ra Do đó, điềukhiển hai vị trí cơ bản được sử dụng tốt nhất trong hệ thống với tổng độ trễ hệthống tối thiểu (bao gồm cả chuyển giao, đo lường, và yếu tố kiểm soát cuối cùngchậm) và nơi đóng kiểm soát là không cần thiết
Hình 22 cho thấy một vòng điều khiển mẫu cho hai vị trí cơ bản điều khiển: một
bộ điều chỉnh nhiệt bật hoặc tắt lò đốt trong phản ứng với nhiệt độ không gian Bởi
vì bộ điều nhiệt không thể bắt kịp với biến động về nhiệt độ, vượt qua và sự thiếuhụt cho phép nhiệt độ thay đổi, đôi khi đáng kể Một số quy trình công nghiệp vàphụ trợ các quy trình trong điều hòa không khí có độ trễ hệ thống nhỏ và có thể sửdụng điều khiển hai vị trí một cách hợp lý
Hình 22 Vòng điều khiển hai vị trí cơ bản.
ĐIỀU KHIỂN HAI VỊ TRÍ TIMED
KHÁI QUÁT
Phương pháp lý tưởng để kiểm soát nhiệt độ trong không gian là thay thế nhiệt bịmất hoặc thay thế nhiệt độ trong chính xác số lượng cần thiết Với điều khiển hai vịtrí cơ bản, chính xác như vậy hoạt động là không thể bởi vì hệ thống sưởi ấm hoặclàm mát
hoặc là đầy hoặc tắt và truyền tải tại thời điểm cụ thể hoặc là quá nhiều hoặc quá
ít Điều khiển hai vị trí theo thời gian,tuy nhiên, dự đoán yêu cầu và phân phốiđược đo lường số lượng sưởi ấm hoặc làm mát trên cơ sở tỷ lệ phần trăm theo thờigian để giảm biến động điểm điều khiển Thời gian được hoàn thành bởi một bộphận dự báo nhiệt trong điều khiển điện và bởi một bộ đếm thời gian điều khiển
Trang 30giữa bộ điều khiển và phần tử điều khiển cuối cùng cũng giống như kiểm soát hai
vị trí cơ bản Tuy nhiên, bộ điều khiển phản hồi để thay đổi dần dần giá trị trungbình của kiểm soát
thay vì biến động theo chu kỳ
Vượt mức và thiếu hụt được giảm hoặc loại bỏ vì dự đoán nhiệt hoặc tính năng tỷ
lệ thời gian kết quả trong tốc độ chu kỳ nhanh hơn của các thiết bị cơ khí Kết quả
là kiểm soát chặt chẽ của biến hơn là có thể trong hai cơ bản điều khiển vị trí (Hinh23)
Hình 23 So sánh hai vị trí cơ bản và thời gian Kiểm soát hai vị trí.
KIỂM SOÁT NHIỆT
Trong kiểm soát điện, điều khiển hai vị trí theo thời gian có thể đạt được bằng cáchthêm bộ phận dự báo nhiệt vào cảm biến lưỡng kim thành phần Trong một hệthống sưởi ấm, bộ phận dự báo nhiệt được kết nối để nó tiếp sinh lực bất cứ khinào nguyên tố lưỡng kim gọi nhiệt Khi nhiệt độ giảm, yếu tố cảm biến hoạt động
để bật
cả hệ thống sưởi và bộ dự đoán nhiệt Bộ gia nhiệt nhiệt làm nóng phần tử lưỡngkim đến điểm tắt của nó sớm và làm dấy lên hệ thống sưởi ấm và bộ phận dự báonhiệt Khi nhiệt độ môi trường giảm, thời gian cần thiết cho phần tử lưỡng kim đểlàm nóng đến điểm tăng, và thời gian làm mát giảm Do đó, bộ dự báo nhiệt sẽ tựđộng thay đổi tỷ lệ thời gian tắt theo thời gian như một hàm của nhiệt độ môitrường xung quanh
Trang 31Do nhiệt chỉ được cung cấp cho bộ cảm biến, nên tính năng dự đoán nhiệt sẽ làmgiảm điểm điều khiển khi yêu cầu nhiệt tăng lên Điểm điều khiển hạ xuống, đượcgọi là “giọt nước”, duy trì nhiệt độ thấp hơn ở điều kiện thiết kế và được thảo luận
kỹ hơn trong các đoạn sau Tăng năng lượng cho lò sưởi trong thời gian tắt nhiệtthực hiện dự đoán hành động trong bộ điều nhiệt làm mát Trong cả hai trườnghợp, tỷ lệ phần trăm theo thời gian thay đổi theo tỷ lệ với tải hệ thống
THỜI GIAN PHÂN LƯỢNG
Thời gian kiểm soát tỷ lệ cung cấp kiểm soát twoposition hiệu quả hơn so với kiểmsoát dự đoán nhiệt và có sẵn với một số bộ ổn nhiệt điện và trong bộ điều khiểndựa trên điện tử và vi xử lý Nhiệt được đưa vào không gian sử dụng chu kỳ on /off dựa trên tải nhiệt thực tế trên tòa nhà và các thiết lập chu kỳ thời gian lập trìnhđược Phương pháp này làm giảm sự thay đổi nhiệt độ lớn gây ra bởi tổng độ trễlớn và đạt được lưu lượng nhiệt cao hơn
Trong máy điều nhiệt điện, tốc độ chu trình có thể điều chỉnh bằng cách điều chỉnh
lò sưởi Trong các hệ thống điện tử và kỹ thuật số, tổng thời gian chu kỳ và thờigian tối thiểu vào và tắt của bộ điều khiển có thể lập trình được Tổng thời gian chu
kỳ cài đặt được xác định chủ yếu bởi độ trễ của hệ thống được kiểm soát Nếu thayđổi cài đặt tổng thời gian chu kỳ (ví dụ: từ 10 phút đến 20 phút), thời gian bật / tắtkết quả sẽ thay đổi tương ứng (ví dụ: từ 7,5 phút trên / 2,5 phút xuống còn 15 phútvào / 5 số phút tắt), nhưng tỷ lệ của chúng vẫn giữ nguyên cho một tải nhất định
Thời gian chu kỳ trong Hình 24 được đặt ở mười phút Ở điều kiện tải 50%, bộđiều khiển, hoạt động tại điểm đặt, tạo ra chu kỳ tắt 5 phút / phút Ở điều kiện tải75%, thời gian tăng lên đến 7,5 phút, thời gian giảm xuống còn 2,5 phút và tỷ lệchu kỳ ngược lại xảy ra ở mức tải 25% Tất cả các điều kiện tải đều duy trì chu kỳtổng cộng 10 phút đặt trước
Hình 24 Kiểm soát tỷ lệ thời gian.
Bởi vì bộ điều khiển phản ứng với nhiệt độ trung bình hoặc độ ẩm, nó không chờđợi một sự thay đổi tuần hoàn trong biến được kiểm soát trước khi báo hiệu hànhđộng khắc phục Vì vậy, hệ thống kiểm soát độ trễ không có tác dụng đáng kể
Trang 32Droop trong kiểm soát nhiệt là giảm điểm kiểm soát khi tải trên hệ thống tăng lên.Trong kiểm soát làm mát, droop là một nâng cao của các điểm kiểm soát Trongcác hệ thống điều khiển kỹ thuật số, droop có thể điều chỉnh và có thể được đặt ởmức độ thấp hoặc thậm chí ít hơn Hình 25 cho thấy mối quan hệ của giọt để tải.
Hình 25 Mối quan hệ giữa Điểm điều khiển, Droop,
và Tải (Kiểm soát Sưởi).
Kiểm soát tỷ lệ thời gian của tải hai vị trí được khuyến nghị cho các ứng dụng như
hệ thống một vùng yêu cầu kiểm soát hai vị trí sưởi ấm và / hoặc làm mát (ví dụ,một đơn vị trên mái được đốt bằng khí với làm mát mở rộng trực tiếp) Kiểm soát
tỷ lệ thời gian cũng được khuyến nghị cho việc kiểm soát nhiệt điện, đặc biệt đốivới nhiệt điện từ ván chân tường Với điều khiển tỷ lệ thời gian, việc chăm sócphải được sử dụng để tránh đi xe đạp thiết bị được kiểm soát thường xuyên hơn sovới khuyến nghị của nhà sản xuất thiết bị
KIỂM SOÁT BƯỚC
Bộ điều khiển bước hoạt động chuyển mạch hoặc rơ le theo thứ tự để bật hoặc tắtnhiều đầu ra, hoặc các giai đoạn, của các thiết bị hai vị trí như máy sưởi điện hoặcmáy nén lạnh qua lại Kiểm soát bước sử dụng tín hiệu analog để cố gắng thu đượcđầu ra tương tự từ thiết bị thường bật hoặc tắt Hình 26 và 27 cho thấy rằng cácgiai đoạn có thể được bố trí để hoạt động có hoặc không có sự chồng chéo của sựkhác biệt (on / off) hoạt động Trong cả hai trường hợp, sự khác biệt hai vị trí điểnhình vẫn tồn tại nhưng tổng sản lượng được cân đối