Теме вентиляции мы уже посвятили серию статей:
«Управление вентиляцией. Электронагрев воздуха. Эссе про технику и деньги«;
«Управление вентиляцией. Типовые алгоритмы и их реализация на wb‑rules«.
В них мы рассмотрели, из каких компонентов состоит вентустановка и как ею правильно управлять на примере небольшой домашней системы. Но можно ли перенести те же самые принципы на вентиляцию крупного объекта? Мы обратились к опыту интегратора SuperWise, которому была поставлена задача заменить автоматику Siemens продукцией российских производителей в вентустановках нескольких спортивных объектов. Посмотрим, что у них получилось, и как устроены современные системы автоматизации вентиляции.
Мы посетили бассейн, спортивный комплекс и дворец единоборств. Объекты не новые, их вентустановки 10–15 лет эксплуатировались под управлением автоматики Siemens и других западных вендоров. В какой‑то момент нормативные требования изменились, понадобилась модернизация, а из‑за закрытой экосистемы Siemens доработка существующей системы стала невозможна. Поэтому решили перевести объекты на отечественное оборудование автоматизации. Тендер выиграл интегратор SuperWise.
Интегратор собирает щиты автоматизации на своем производстве в Москве, где мы тоже побывали. Затем их устанавливают на объект, выполняют пусконаладку, для управления и мониторинга используют компьютер со SCADA‑системой. Для автоматизации вентиляции интегратор использует контроллер Wiren Board 7 и модули расширения к нему.
Строение системы вентиляции и алгоритмы работы
Мы начнем со строения и алгоритмов работы вентиляции, после чего перейдем к примерам на объектах.
Дополнительные схемы
Приточная вентиляция
Начнем с приточной вентиляции. Первой по ходу движения воздуха встанет поворотная заслонка Y1. Она оснащена (как и заслонка Y2 на «вытяжке») электрическим приводом с пружинным возвратом. При отключении питания привод закрывает заслонку в целях безопасности, чтобы предотвратить замерзание калорифера. Регулирование степени открытия в диапазоне от 0 до 100% реализовано через аналоговый сигнал 0–10 В с модуля аналоговых выходов WB‑MAO4. Для отслеживания степени открытия воздушной заслонки используются аналоговый выход электрического привода, который также имеет рабочий диапазон 0–10 В и позволяет таким образом получать реальную обратную связь о положении, даже когда заслонка открыта в ручном режиме (с помощью ключа‑шестигранника). Информация поступает на модуль аналоговых входов WB‑MAI6.
Фильтр
После заслонки располагается карманный воздушный фильтр. Отметим, что фильтры могут быть разными — карманный отличается наличием матерчатых сшитых карманов, серьезно увеличивающих площадь фильтрующей поверхности.
Для мониторинга перепада давления на фильтре установлено реле перепада давления, которое трубками подключается в двух контрольных точках венткороба: до фильтра и после него. Чем больше перепад давления в этих двух точках (на фильтре), тем сильнее он загрязнен. Но реле перепада давления — это дискретное устройство. Реле срабатывает, когда перепад давления будет выше уставки. Уставка задается поворотным регулятором на корпусе.
При превышении установленной разницы в 200 Па (может меняться в зависимости от типа фильтра и его материала) будет подан сигнал на модуль дискретных входов WBIO‑DI‑WD-14. Фильтр в таком случае пора менять. Сама вентустановка поддерживает постоянное давление у себя на выходе, ориентируясь на показания датчика PE1 и регулируя обороты вентиляторов. Это позволяет обеспечить расчетный расход воздуха при изменяющихся внешних условиях, в том числе при засорении фильтра.
Водяной калорифер
Следующий элемент — водяной калорифер. Для нагрева используется источник централизованного теплоснабжения. В индивидуальном тепловом пункте (ИТП) здания пар нагревает теплоноситель, который затем циркулирует по калориферу и тем самым нагревает воздух. С помощью регулирующего клапана VL1 можно управлять температурой теплоносителя. Как и в случае с воздушной заслонкой, для управления клапаном используется электропривод (для двухходового или трехходового клапана) и модуль WB‑MAO4. Обратную связь о положении клапана можно получить через аналоговый сигнал 0–10 В, который поступает на модуль WB‑MAI6. Возможно также управление токовым сигналом 0(4)-20 мА.
Циркуляцию воды обеспечивает насос H1 (включается модулем реле WBIO‑D0-R10A-8). Дополнительно калорифер оснащен устройствами защиты от замерзания: термостатом TS1 в воздушном тракте и датчиком температуры «обратки» TE2. Рабочий (и самый главный) параметр для регулирования калорифера — температура приточного воздуха, которая измеряется датчиком TE1.
Зимой приточный воздух с помощью калорифера нагревается до температуры уставки; летом нагрева нет — воздух просто проходит через калорифер.
Канальный кондиционер
Далее опционально устанавливается канальный кондиционер. Он включается только в режиме «Лето», если температура наружного воздуха выше температуры уставки. Включение и отключение производится модулем реле WBIO‑D0-R10A-8. Щит позволяет осуществлять пропорциональное управление производительностью кондиционера при помощи модуля аналоговых выходов WB‑MAO4, но в данной установке эта возможность не используется. Рабочий параметр для охладителя — уже не температура приточного воздуха (в отличие от нагрева), а температура в помещении, либо температура воздуха в вытяжном канале помещения, хотя такой вариант менее точный. То есть температура приточного воздуха при работающем кондиционере может быть ниже 12 °C, а помещение в это время прогрето, например, до 30 °C. Кондиционер будет работать, пока помещение не охладится. Причем здесь предусмотрен гистерезис всего в один градус (при уставке в 24 °C включение будет при 25 °C, выключение — при 23 °C). По опыту интегратора при таком гистерезисе переключение бывает не чаще одного раза в 30–60 минут — вполне щадящий режим для компрессора.
Вентилятор
Следующий компонент приточной установки — вентилятор V1, который включается модулем реле WBIO‑D0-R10A-8. Скорость выставляется при помощи частотника, уставку для которого формирует модуль аналоговых выходов WB‑MAO4 (0–10 В). Такой вариант «общения» между контроллером и частотником (а не посредством Modbus, например) выбран для унификации — парк частотников у заказчиков широк, регистры у всех используются разные, поэтому есть и другие нюансы. А с сигналом 0–10 В готовы работать практически все. Также здесь добавлен дифференциальный датчик давления для контроля работы вентилятора.
Вытяжка
Вытяжка устроена намного проще. Датчики TE3 и ME3 позволяют определять температуру и влажность вытяжного воздуха (они подключены к модулю аналоговых входов WB‑MAI6). Затем в канал устанавливается вытяжной вентилятор V2 с дифференциальным датчиком давления PDS3. И заканчивается канал заслонкой Y2.
Обратите внимание на заслонку Y3, которая нужна для рециркуляции воздуха — часть удаляемого воздуха подмешивается в приточный. Это, в основном, используется для охлаждения помещений и поддержания в них правильной влажности.
Заслонки приточного и вытяжного канала открываются синхронно (например, обе на 50%), чтобы расходы приточного и вытяжного воздуха были одинаковыми, и в помещениях не создавалось избыточного давления или разрежения. Заслонка рециркуляции работает в обратной пропорции (например, если приточные и вытяжные заслонки — на 80%, тогда заслонка подмешивания — на 20%), чтобы расход воздуха через вентилятор не зависел от положения заслонок.
Очень важный вопрос — противопожарная защита. На этих объектах система общеобменной вентиляции никак не участвует в алгоритмах эвакуации при пожаре, поэтому при получении сигнала от системы автоматической пожарной сигнализации (сухой контакт) просто переходит в режим СТОП (отключает вентиляторы, закрывает заслонки). Противопожарными клапанами управляет система АПС.
Бассейн
В бассейне система вентиляции не столько борется с загрязнением воздуха (эта задача проще), сколько обеспечивает поддержание требуемой влажности воздуха. Влаги в бассейне выделяется много, при этом значение относительной влажности не должно превышать 50–60% (требование СП 118.13 330.2012). Если быть более точным, в холодное время года 50%, в теплое — до 60%.
Дополнительной сложностью является наличие нескольких режимов эксплуатации здания: без людей, обычный режим, соревнования и т. д. Ну и требования по энергоэффективности никто не отменял.
В результате система вентиляции бассейна работает с переменным расходом воздуха и с рециркуляцией, то есть удаляемый воздух частично подмешивается на вход приточной установки. Осушение воздуха за счет конденсации на охлаждаемых поверхностях не используется, влажность снижается за счет ассимиляции влаги сухим наружным воздухом. Это накладывает определенные ограничения на эксплуатацию здания: в периоды, когда температура и влажность наружного воздуха не позволяют ассимилировать влагу у внутреннего, влажность воздуха в помещении не регулируется (именно поэтому подобные бассейны летом закрываются). Зато упрощает и удешевляет систему вентиляции.
А вот алгоритмы работы вентустановки простыми не назовешь. Нужно постоянно подавать такое количество «забортного» воздуха, которое не ниже необходимого по санитарным соображениям и не выше достаточного для поддержания влажности воздуха. Также нужно обеспечить высокое значение воздухообмена в помещениях, чтобы не было в них застойных зон с высокой влажностью — именно для этого используется рециркуляция. Даже удивительно, что управляя всего четырьмя исполнительными устройствами (два вентилятора, заслонка рециркуляции и клапан калорифера), можно решить все вышеперечисленные задачи.
Спортивный комплекс
Вентиляция спортивного комплекса по строению и сложности сравнима с вентиляцией бассейна. Здесь нет избыточной влажности, но как и в бассейне, есть несколько режимов работы здания, и есть охлаждение воздуха, которого нет в бассейне.
Здесь рециркуляция воздуха используется в основном для задачи охлаждения помещений. Температура воздуха на входе в обслуживаемую зону строго регламентирована: она может быть ниже температуры воздуха в помещении всего на несколько градусов. Тепловыделений в помещении много — их надо ассимилировать. Соответственно, если мы не можем сильно снизить температуру небольшого количества воздуха, нам приходится слегка охлаждать большое количество воздуха. Всю эту массу воздуха подавать с улицы не энергоэффективно, поэтому и используется рециркуляция.
Автоматика поддерживает температуру в приточном канале и соотношение наружного и рециркулируемого воздуха в зависимости от температуры наружного воздуха, режима работы здания и стратегии управления (есть алгоритмы быстрого нагрева/охлаждения здания к началу работы и т. д.). Исполнительные устройства: два вентилятора, заслонка рециркуляции, калорифер и охладитель.
Интерфейс пользователя
Дежурный сотрудник спортивного комплекса или бассейна может отслеживать параметры системы через интерфейс, который выведен на отдельном компьютере. Для визуализации используется SCADA.
Каждый щит вентиляционной установки оснащен индикаторами рабочего режима и аварии, а также тумблерами, которые позволяют физически включить или выключить систему. Есть и панель оператора, которая позволяет настраивать автоматику вентустановки и непосредственно ей управлять.
Сейчас интегратор разрабатывает интерфейс на основе интерактивных графических панелей SVG (встроенная возможность веб‑интерфейса контроллера Wiren Board). С их помощью удобно визуализировать схемы управления автоматикой, а сами панели настраиваются непосредственно в веб‑интерфейсе контроллера. Подробнее можно прочитать здесь.
Для визуализации на этом объекте используется панель EKF, которая подключается к контроллеру по Modbus. Показывать интерфейс по фотографиям панели мы не стали из‑за плохого качества, поэтому сделали скриншоты в симуляторе, но некоторые цифры нереалистичны.
Дополнительные скриншоты интерфейса
Бассейн
Дополнительные скриншоты интерфейса
В бассейне установлены пять приточных вентиляционных установок со своими щитами автоматизации, для вытяжек есть отдельный щит.
Основная вентиляционная установка бассейна ПР1-ВР1 поддерживает приток воздуха с нагревом, вытяжку, рециркуляцию. Охлаждения воздуха не предусмотрено. Как мы отмечали выше, установка работает по уставке влажности, чтобы она оставалась в определенном диапазоне.
В первый шкаф установки ПР1-ВР1 установлены следующие модули автоматизации:
контроллер Wiren Board 7;
модуль входов WBIO‑DI‑WD-14 (контроль рабочего состояния насоса калорифера, дифференциального датчика давления, сигнала «Пожар», кнопок на внешней панели щита);
модуль реле WBIO‑D0-R10A-8 (управление насосом калорифера, вентиляторами);
модуль аналоговых входов WB‑MAI6 (датчики температуры, влажности, давления, контроль положения заслонок);
модуль аналоговых выходов WB‑MAO4 (управление приводами заслонок).
Поскольку вытяжка установки ПР1-ВР1 расположена в другом помещении, то для нее установлен второй щит автоматизации (соединяется с первым по RS-485) уже без контроллера, но с модулями реле WB‑MR6C v.2, аналоговых входов WB‑MAI6, аналоговых выходов WB‑MAO4.
Вентиляционные установки П2, П3, П4 предназначены для разных помещений бассейна, рециркуляции в них не предусмотрено, только приток воздуха с возможностью нагрева. Модули автоматизации в шкафах здесь идентичны ПР1-ВР1, поэтому отдельно их рассматривать не будем.
Для ИТП предусмотрена отдельная вентиляционная установка П5В7 с рециркуляцией воздуха. Помещение ИТП в отопительный период имеет избыточные тепловыделения от оборудования и трубопроводов, и система вентиляции ассимилирует эти теплоизбытки, поэтому вентустановка ИТП не имеет калорифера. Но подавать воздух с отрицательной температурой тоже опасно — на его пути может оказаться труба с небольшим расходом воды, которая может замерзнуть. Рециркуляция воздуха снимает эту проблему — температура смеси наружного и внутреннего воздуха всегда выше нуля. Модули автоматизации тоже идентичны ПР1-ВР1.
Наконец, отдельный щит автоматизации отвечает за вытяжки из разных зон. В шкафу автоматизации вытяжек находятся контроллер Wiren Board 7, модули аналоговых выходов WB‑MAO4, реле WBIO‑D0-R10A-8 и входов WBIO‑DI‑WD-14.
Дополнительные фотографии
Спортивный комплекс
Дополнительные скриншоты интерфейса
В спортивном комплексе проходят занятия по фитнесу, боксу, айкидо, тяжелой атлетике, фехтованию, другим видам спорта.
В здании установлены четыре приточные системы вентиляции со своими щитами автоматизации, для вытяжек тоже предусмотрен отдельный щит.
Основная система вентиляции К1-ВР1 поддерживает нагрев и охлаждение приточного воздуха, вытяжку, рециркуляцию. Она отвечает за главный спортзал на втором этаже.
В шкаф автоматизации К1-ВР1 установлены следующие устройства:
контроллер Wiren Board 7;
модуль входов WBIO‑DI‑WD-14 (контроль рабочего состояния насоса калорифера, кондиционера, дифференциального датчика давления, сигнала «Пожар», кнопок на внешней панели щита);
модуль реле WBIO‑D0-R10A-8 (управление насосом калорифера, вентиляторами, кондиционером);
модуль аналоговых входов WB‑MAI6 (датчики температуры, влажности, давления, контроль положения заслонок);
модуль аналоговых выходов WB‑MAO4 (управление приводами заслонок).
Приточная система П1 обеспечивает свежим воздухом зал тяжелой атлетики, П2 — помещения первого этажа. Рециркуляции в них не предусмотрено, только приток воздуха с возможностью нагрева.
На ИТП с насосной выделена отдельная система П3-В4 с рециркуляцией, но без охлаждения и нагрева воздуха.
Наконец, отдельный щит автоматизации управляет четырьмя вытяжками.
Дополнительные фотографии
Дворец единоборств
Дополнительные скриншоты интерфейса
Во дворце единоборств проходят занятия по баскетболу, дзюдо, воркауту, пауэрлифтингу, самбо, тхэквондо, футболу и другим видам спорта.
В здании установлены пять приточных систем вентиляции со своими шкафами автоматизации, для вытяжек тоже предусмотрен отдельный шкаф.
Здесь используются две основные вентиляционные системы К1-ВР1 и К2-ВР2, они поддерживают нагрев и охлаждение приточного воздуха, вытяжку, рециркуляцию. Обе отвечают за главный спортзал на втором этаже комплекса. Две системы вентиляции расположены в два этажа в техническом помещении.
В шкаф автоматизации К1-ВР1 и К2-ВР2 установлены следующие устройства:
контроллер Wiren Board 7;
модуль входов WBIO‑DI‑WD-14 (контроль рабочего состояния насоса калорифера, кондиционера, дифференциального датчика давления, сигнала «Пожар», кнопок на внешней панели щита);
модуль реле WBIO‑D0-R10A-8 (управление насосом калорифера, вентиляторами, кондиционером);
модуль аналоговых входов WB‑MAI6 (датчики температуры, влажности, давления, контроль положения заслонок);
модуль аналоговых выходов WB‑MAO4 (управление приводами заслонок).
Приточные системы П1 и П2 обеспечивают свежим воздухом помещения первого этажа. Рециркуляции в них не предусмотрено, только приток воздуха с возможностью нагрева.
На ИТП с насосной выделена отдельная система П3-В4 с рециркуляцией, но без охлаждения и нагрева воздуха.
Отдельный шкаф автоматизации управляет четырьмя вытяжками.
Дополнительные фотографии
Заключение
Как можно видеть, базовые принципы вентиляции, которые мы рассмотрели в статье «Управление вентиляцией: собираем, интегрируем, экономим», масштабируются до крупных объектов, таких как бассейны и спорткомплексы. Конечно, здесь многое зависит от выбранных алгоритмов, которые написаны на движке правил wb‑rules и являются ноу‑хау интегратора SuperWise. Вентиляционные установки поддерживают рециркуляцию воздуха, причем если для спортивных объектов за основу работы алгоритма берется температура, то в бассейнах — влажность.
Интегратор смог заменить оборудование Siemens и других вендоров контроллером Wiren Board и модулями автоматизации российского производителя, поэтому проблем с поддержкой и сервисным обслуживанием, расширением функций или корректировкой алгоритмов уже не будет. Кроме того, использование Modbus‑модулей позволяет легко заменить контроллер или модули в случае необходимости.
Интерфейс оператора выводится на отдельном компьютере через SCADA, но каждый щит оснащен собственной панелью оператора.
Мы надеемся, наша виртуальная экскурсия была интересной. Пишите в комментариях, если у вас остались какие‑либо вопросы.
