Управление вентиляцией. Электронагрев воздуха. Эссе про технику и деньги

Управление вентиляцией: собираем, интегрируем, экономим
Управление вентиляцией. Электронагрев воздуха. Эссе про технику и деньги
Управление вентиляцией. Типовые алгоритмы и их реализация на wb-rules

Продолжаем тему управления вентиляцией, начатую в прошлой статье Управление вентиляцией: собираем, интегрируем, экономим. Там я на примере приточно-вытяжной вентустановки с водяным нагревом разобрал, из чего эта установка состоит и как ее автоматизировать. Сделал это кратко — только необходимое и достаточное. 

Сегодня более детально поговорим про нагрев воздуха электричеством. И про все, что с этим так или иначе связано.

Электричество — самый дорогой энергоресурс. И, выбирая его, надо сразу определиться, можем ли мы себе это позволить. Да и вообще, электронагрев — это далеко не так просто, как кажется.

Исходные данные

Размышлять удобнее с цифрами. Давайте условимся, что наш гипотетический дом, который мы собираемся вентилировать, площадью 150 м2, объемом 450 м3. И живет в нем 3 человека. Нашему критерию (> 86 м3 на человека) дом соответствует, поэтому «дежурная» вентиляция с постоянным расходом в м3/ч обеспечит нам качество воздуха для дыхания.

Сразу извинюсь перед специалистами вентиляционщиками, если где-то чуть наврал с цифрами. Высокая точность нам не нужна, нужен порядок.

Да, еще договоримся, что дом наш находится в Екатеринбурге, городе с достаточно холодным климатом, расположенным в центральной части РФ. Параметры Екатеринбурга для расчета систем отопления и вентиляции:

• температура наружного воздуха в холодный период -32 °С;

• средняя температура наружного воздуха за отопительный период -5.5 °С;

• длительность отопительного периода 6552 часа.

Все эти цифры я взял в СП 131.13330.2020 «Строительная климатология».

Условимся, что воздух будем нагревать до +18 °С — он еще на один-два градуса прогреется по пути в помещение (КПД вентилятора, трение …). Для упрощения расчетов будем считать, что воздух мы нагреваем только во время отопительного периода, который заканчивается при среднесуточной температуре выше 8 °С.

Считаем тепловую нагрузку — требуемую мощность на нагрев воздуха. Формулы не расписываю, все легко определяется по I-d диаграмме влажного воздуха из любого учебника по вентиляции, или в онлайн-калькуляторе).

Итак, тепловая нагрузка:

• максимальная (160 м3/ч, -32 → +18) 2.7 кВт;

• средняя за отопительный период (160 м3/ч, -5.5 → +18) 1.3 кВт.

• минимальная (160 м3/ч, +8 → +18) 0.5 кВт.

Запомним эти цифры.

Деньги

Давайте сразу, «на пальцах», определим сумму, которую мы заплатим за нагрев воздуха. При условии, что вентустановка работает с постоянным расходом воздуха в 160 м3/ч весь отопительный период, не выключаясь.

После последнего повышения цен стоимость одного кВт*ч электроэнергии в моем поселке (коттеджный поселок в пригороде Екатеринбурга) составляет 2 рубля по ночному тарифу и 5.15 руб. по дневному. Если считать упрощенно (не учитывая праздники, но учитывая выходные), то в течение недели мы 88 часов оплачиваем по ночному тарифу, 80 — по дневному. В среднем получается рубля за кВт. За отопительный период выйдет руб. Грубо 30 000 рублей.

Какие выводы мы можем сделать из этой суммы?

1. Стоимость одного кВт*ч тепла, полученного от газового котла (с учетом его КПД), у меня в 7 раз ниже электрического. Соответственно, используя «газовое» тепло, я заплачу менее 4300 руб/год (и сэкономлю 25500 руб/год). Это к вопросу о том, стоит ли заморачиваться с водяным нагревом воздуха.

2. При среднем сроке службы бытовой вентустановки в 10 лет норма ее окупаемости точно не должна превышать пяти лет. Соответственно, если мы поставим ну очень эффективный рекуператор, и снизим потребление тепла на 40% —  он нам за 10 лет сэкономит 30 000 * 0.4 * 10 = 120 000 руб. Если стоимость этого рекуператора (+ все допы и доработки) превышает 60 000 руб. — эта инвестиция сомнительна.

3. Всё, в принципе, определяют тарифы и климат. У меня есть и газ, и электричество, и тарифы божеские. Но и климат немягкий. А у вас? Считать надо, методика понятна.

Пересчитали? Решили, что оно того стоит? Давайте реализовывать.

Вентиляционное оборудование

Непосредственно нагрев осуществляется электрическим нагревателем (все иллюстрации вентоборудования, как и в прошлый раз, с сайта компании КОРФ).

Нагреватель устроен предельно просто. Внутри корпуса в потоке воздуха установлен ТЭН (или ТЭНы). Также есть два защитных термостата: один - в потоке воздуха, второй - на корпусе. Оба соединены последовательно. Оба разрывают цепь при нагреве до 80 °С. Соответственно, при срабатывании любого из них мы должны отключить питание ТЭНов. И это очень важно, поскольку обеспечивает не только безопасность самого нагревателя, но и пожарную безопасность вашего дома.

Никакой другой автоматики в нагревателе нет.

Модели до 3 кВт оснащены одним ТЭНом на 230 В. До 9 кВт — сборкой из трех ТЭНов, соединенных звездой, на 400 В. В моделях на 12 … 18 кВт две таких сборки. Как видите, мощность более чем приличная.

Для нашей гипотетической вентустановки подойдет нагреватель в 3 кВт — он ближайший “сверху” к требуемым нам 2.7 кВт. Однофазный, диаметром 125 мм.

Давайте посмотрим на ограничения, которые на нас накладывает производитель в паспорте на изделие.

1. Установить фильтр перед нагревателем на расстоянии не менее метра (скорее всего, для успокоения потока воздуха).

2. Минимальная скорость в сечении воздуховода не менее 1 м/с. Если меньше, то отключать нагрев. 

3. Температура воздуха на выходе не выше 40 °С.

Фильтр мы с вами уже предусмотрели, надо добавить метровый воздуховод между фильтром и нагревателем. Регулирование температуры воздуха в наших руках — ограничим нагрев 40 градусами. Тем более, что нам столько и не надо — у нас система вентиляции, а не воздушного отопления.

А вот про скорость давайте подробнее. Обычно скорость воздуха в круглых воздуховодах принимают в пределах от 3 до 11 м/с в зависимости от помещения, в котором проходит воздуховод (выше скорость — выше шум). И допустимого аэродинамического сопротивления. Соответственно, и диаметры вентиляторов соответствуют этому диапазону скоростей (ближе к правому краю диапазона). Казалось бы, запас по скорости есть, можно ее не измерять, а руководствоваться косвенными факторами. У нас с вами для определения факта работы вентилятора уже установлено реле перепада давления. Не будем включать ТЭНы, пока реле не сработает, да и все!

Все, да не все. А если мы соберемся клапанов с электроуправлением наставить и сделать регулируемую вентиляцию — как обеспечить нужную скорость в нагревателе? Да не обязательно регулируемую вентиляцию, просто фильтр вовремя не поменяли, вот расход воздуха и упал. Как понять, что упал? Нам с вами поможет характеристика вентилятора.

Этот график также для вентилятора диаметром 125 мм. Чтобы скорость воздуха в воздуховоде d=125 мм была больше 1 м/с, расход должен быть больше 45 м3/ч. Для надежности примем, что производительность вентилятора не должна падать ниже 50 м3/ч. Смотрим на график. Видим, что перепад давления между входом и выходом вентилятора на этом расходе будет в пределах 270-280 Па. Можно поставить на вентилятор еще одно реле перепада давления, настроить его на 270 Па и при срабатывании отключать нагрев ТЭНов. Теперь вопрос решен.

Да! При определении уставки реле не забываем про его гистерезис. И само реле выбираем с небольшим гистерезисом.

С вентоборудованием все.

Регулирование

А как вообще можно регулировать мощность нашего нагревателя?

Гистерезис

Простейший вариант — управление по гистерезису. Если мы будем включать нагрев «на полную» при температуре воздуха в 16°С, а отключать при 20°С — то в среднем получим требуемые 18°С. Пока воздух движется по воздуховоду температура выровняется, и мы этих «качелей» не почувствуем. Главный вопрос — как часто придется «щелкать выключателем»?

Этот вопрос непрост. Мы можем легко посчитать, как будет меняться температура воздуха при передаче ему энергии. Но между энергией и воздухом стоит сам ТЭН, конструкция достаточно массивная, если сравнивать с массой воздуха.

Смотрите, 160 м3/ч — это 0.04 м3/с или 64 грамма воздуха. Массу ТЭНа производитель не называет, но есть старый Советский ГОСТ 19108-81 на ТЭНы. Вряд ли в их конструкции что-то принципиально изменилось. ТЭН подходящей мощности имеет массу порядка 540 грамм. Разница масс в 9 раз! Причем ТЭН между оболочкой и спиралью заполнен периклазом (огнеупорный материал), теплоемкость которого близка к теплоемкости воздуха. Соответственно, масса решает все, и скорость нагрева воздуха определяется в основном характеристиками ТЭНа.

Найти готовый график на конкретный ТЭН (или все его характеристики, необходимые для построения такого графика) практически невозможно. Но я нашел аспирантскую работу, в которой исследовалась работа открытых спиралей и ТЭНов в воздухонагревателе. Не совсем то, что нужно, но близко. График оттуда:

Красная линия — температура ТЭНа, синяя — воздуха. Наклонная линия (а именно на ней мы будем находиться при регулировании мощности) почти линейна. По ней видно, что скорость нарастания температуры воздуха примерно 0.6°С в секунду. Давайте опираться на эту цифру — другой все равно нет.

Самые быстрые переключения у нас будут при +8 на улице. Время нагрева на 12 °С (+8 → +20), очевидно, равно 12 * 0.6 = 7.2 с. Процесс нагрев/охлаждение симметричный, т.е. «щелкать» придется раз в 10 секунд. Можно, конечно, увеличить гистерезис в два раза — будем «щелкать» раз в 20 секунд. Разница непринципиальная. Получается часто, и никакое механическое реле такого издевательства долго не выдержит. Нужны полупроводники.

И при такой частой коммутации вполне может возникнуть серьезная проблема с названием фликер.

Фликер

Красивое слово? Мне тоже нравится. Само слово. А процесс не нравится совсем. 

Фликер — это ощущаемое человеком  мерцание ламп освещения из-за колебаний питающего напряжения, вызванных периодическим изменением электрической нагрузки в сети. ТЭН нашей вентустановки — большая электрическая нагрузка, которую мы периодически подключаем/отключаем. При его подключении может “просаживаться” напряжение в сети. Вот вам и условия для возникновения фликера.

Мерцание — оценка субъективная, т. е. один человек может воспринимать лампу как мерцающую, другой — нет. Но если лично вы воспринимаете, то вас это сильно утомляет. А у кого-то фликер может вызвать и припадок эпилепсии — есть даже термин "светочувствительная эпилепсия”. То есть все серьезно.

Фликер неплохо изучен. Если лампы мерцают с частотой более 40 Гц — человеческий глаз их не воспринимает ввиду собственной инерционности. Если частота менее 0.05 Гц (раз в 20 секунд) — тоже не воспринимает, поскольку зрачок успевает адаптироваться. Самая дискомфортная частота — 8.8 Гц. 

Надо иметь в виду, что при изучении использовались лампы накаливания мощностью 60 Вт, и вышеприведенные цифры для них. Классические люминесцентные лампы с электромагнитным балластом ведут себя хуже. Энергосберегающие (те же люминесцентные, но с электронным балластом) и светодиодные - лучше.

Еще важным фактором наличия/отсутствия фликера является качество вашей электрической сети. Если трансформаторная подстанция (ТП) близко, питающий кабель свежий и достаточного сечения, а электроустановка вашего дома полностью соответствует требованиям ПУЭ — вероятность фликера невелика. А вот если у вас длинная воздушная линия еще советских времен постройки, и ТП непонятно где — фликер очень вероятен. Можно, конечно, экспериментировать, но лучше сделать все, чтобы его не было.

Вывод из сказанного: коммутировать ТЭН с частотой от 0.05 Гц до 40 Гц не стоит, нужно либо чаще, либо реже.

Выше я говорил, что при регулировании по гистерезису, при температуре на улице +8 гр.С, время нагрева нашего ТЭНа в 3 кВт составляет 7.2 с, т.е. частота переключения получается 0.14 Гц. Беда. Выходом может быть простое наблюдение за вашим конкретным ТЭНом - вдруг он намного более инерционен. Либо регулирование по гистерезису не ваш вариант.

ШИМ (PWM)

Какие еще есть варианты? Можно использовать ШИМ (PWM) или широтно-импульсную модуляцию, т.е. измеряем с определенным периодом температуру воздуха, рассчитываем требуемую мощность. А далее питание на ТЭНы подаем импульсами, оставляя частоту прежней, но меняя ширину импульса в соответствии с требуемой мощностью. Например, каждые 20 секунд мы подходим к выключателю и включаем его на 10 сек — получаем мощность в 50%. Будем включать на 2 сек — 10% мощности. На 20 сек — 100% мощности. Все просто. Чтобы не было помех другим электроприборам, коммутацию лучше производить в момент перехода питающего напряжения через 0 (диаграмма с сайта компании KIPPRIBOR):

Понятно, что такой вариант регулирования (с контролем перехода через 0) на механических реле не построишь.

Что можно сказать в пользу такого варианта регулирования? При низких температурах наружного воздуха (когда время нагрева будет существенно выше частоты наших вычислений и переключений) температура воздуха на выходе вентустановки будет поддерживаться точнее. Но фликер также вероятен.

Фазовое регулирование

Еще можно использовать фазовое регулирование или «резать синусоиду» (диаграмма тоже с сайта KIPPRIBOR):

При этом варианте регулирования нет проблем с фликером, поскольку частота коммутации равна 100 Гц (коммутируем два раза за период). И температура поддерживается с высокой точностью, поскольку, в сравнении со 100 Герцами, процесс нагрева воздуха происходит очень медленно. Но! Такой вариант коммутации будет создавать сильные импульсные помехи, как для других электроприборов в сети, так и для радиоприборов. С ними можно бороться при помощи фильтров, но стоимость борьбы будет, скорее всего, выше стоимости самого регулятора.

Других общеупотребимых вариантов регулирования нет. Какой из предложенных выбрать — решать вам. Ниже я покажу как реализовать эти варианты.

Оборудование АСУ

Ключевым полупроводниковым элементом (в смысле ключа, который переключает, а не самого главного элемента) у нас будет твердотельное реле (ТТР). ТТР будем использовать от компании KIPPRIBOR (как вариант).

Надо сразу заметить — мы собираемся коммутировать мощную нагрузку, поэтому ТТР надо будет установить на радиатор.

Это один из вариантов радиатора. Под конкретную модель ТТР и конкретный ток нагрузки подбирается свой радиатор.

Гистерезис или ШИМ

Для «медленных» вариантов (гистерезис, ШИМ) можно использовать недорогую серию HD-xx44.ZD3. Данное ТТР может коммутировать резистивную нагрузку (наш вариант) с токами до 30 А при напряжении до 440 VAC. Максимальная частота переключения не выше 50 Гц. Для включения ТТР на его вход нужно подать от 3 до 32 VDC. Самый простой вариант для нас — использовать выходы A1 – A3 самого контроллера.

Выходы типа «открытый коллектор» на напряжение до 30 VDC – то, что надо. Да, добавится еще один двухпроводный кабель от «главного» щита дома до «щитка» вентустановки, ну так что с того.

Структурная схема:

Обратите внимание на сигнал с термостатов, встроенных в электронагреватель. ТЭН — штука очень опасная, которая легко может привести к пожару. Можно, конечно, подключить эти термостаты на свободный вход WB-MR6C v.3, и в скриптах обработать их сработку. Но безопаснее включить их в разрыв питания ТТР, а нам для обработки этой ситуации в скриптах управления дублировать сигнал при помощи промежуточного реле.

Стоимость этого варианта в ценах декабря 2022 г.

* Цены с сайта компании KIPPRIBOR

Если в вашем случае выходы A1 - A3 контроллера заняты, то можно к нему подключить модуль WBIO-DO-SSR-8.

Это восьмиканальный модуль вывода для управления низковольтной нагрузкой. Содержит 8 оптореле на 30 V AC/DC и ток до 400 мА — нам вполне хватит.

Либо в щиток вентустановки можно установить WB-MAO4 — суть останется той же.

Это четырехканальный модуль аналогового вывода 0-10 V, или ШИМ с амплитудой до 10 V. Использовать его будем в режиме 0-10 V. Дополнительный кабель не понадобится, но потребуется блок питания в щиток.

Фазовое регулирование

Для фазового регулирования KIPPRIBOR предлагает нам ТТР серии HD-xx22.10U. Оно позволяет регулировать напряжение до 220 VAC при токе до 40 А (на резистивной нагрузке). Управляется напряжением 0-10 VDC, соответственно, 10 V = 100% мощности. Управлять ТТР мы будем при помощи уже упомянутого WB-MAO4.

Структурная схема:

Стоимость этого варианта в ценах декабря 2022 г.

* Цены с сайта компании KIPPRIBOR

Сигналы и функции АСУ

Основные сигналы и функции АСУ вентустановки мы разбирали в статье Управление вентиляцией: собираем, интегрируем, экономим.

Специфическими сигналами для электронагрева будут:

• дискретный входной сигнал перегрева электронагревателя;

• дискретный выходной сигнал на включение ТТР (для управления по гистерезису или ШИМ);

• аналоговый сигнал 0-10 В для управления ТТР (для фазового регулирования).

Специфичными функциями для электронагрева будут:

• выбег вентилятора, т. е. работа вентилятора после отключения нагрева в течение некоторого времени для охлаждения ТЭНа (ТЭНов);

• ШИМ или фазовое регулирование мощности.

Заключение

Вот и все, что я хотел сказать про электронагрев. Следующую статью я посвящу алгоритмам управления. Расписывать алгоритмы на все рассмотренные варианты АСУ — дело долгое и смысла не имеющее. Поэтому опрос.