1 Введение

Для среды TAC Menta были разработаны ряд моделей общих процессов HVAC, таких как теплообменники контуров охлаждения и нагрева, вентиляторы и т.д. Модели могут быть использованы вместе с прикладной программой. Применяя прикладные программы (макросы) для подходящих моделей, мы можем моделировать не только сами макросы, но и то, как система управления и физические процессы влияют друг на друга (поведение системы). Таким образом, мы можем получить хорошие знания о поведении системы уже в стадии программирования. Но самая важная причина для использования моделей процессов, вероятно, не то, что они дают нам общую информацию о системе. Система моделирования также дает нам отличный инструмент для поиска неисправностей в очень удобной и эффективной среде. После того как вы привыкнете к работе с моделями процессов, вы, вероятно, заметите, что количество программных ошибок, которые обычно раньше были обнаружены во время ввода в эксплуатацию, в настоящее время обнаружены во время стадии программирования.

 

1.1 Точность моделей и ограничения

Когда вы делаете модели физических процессов, важно знать, как эти модели будут использоваться. Если вы, например, являетесь производителем теплообменников, вы можете быть заинтересованы в модели теплообменника для точного расчета теплообмена для различных скоростей воды и свойств пластин. Такой подход, вероятно, приведет к сложной модели. Также отметим, что производители теплообменников может быть не столь заинтересованы в динамическом поведении, если его в первую очередь интересует расчет эффективности теплообменника.

Программист или тот, кто работает с вводом в эксплуатацию имеет совершенно различные требования к модели. Они заинтересованы в модели, которые могут быть использованы для оценки системы управления. Эти модели должны описывать динамическое поведение, но требования к точности умеренные. Модели должны быть относительно простыми, потому что простые модели занимают меньше места на экране и будет выполняться быстрее. Цель модели в этой библиотеке в первую очередь по соблюдению требований этой категории людей.

В связи с тем, что модели очень простые, есть некоторые ограничения. Важным ограничением для моделей компонентов, используемых в каналах, то есть секции охлаждения, осушителя, нагревателя, нагревателя влажности (???), увлажнителя воздуха, сложного увлажнителя и теплообменников HX Air2Air в том, что они разработаны при допущении, что у нас есть постоянный поток воздуха в воздуховоде. В этих моделях потока воздуха устанавливается как постоянный или в некоторых случаях (Cooler и HX Air2Air) зависимость воздушного потока не берётся во внимание вообще. Это означает, что мы не можем использовать модели в этой библиотеке для изучения, что происходит с температурой и влажностью, когда у нас есть различные воздушного потока. Частный случай – пуск и останов вентиляторов. Отметим, что модель вентилятора, конечно, работает с различными потоками, но поведение других компонентов не влияет на поток воздуха, рассчитываемого в этой модели. Это, конечно, физически неправильное поведение, но мы разработали модели таким образом, чтобы они были простые.

 

1.2. Простой пример агрегата для использования моделей процессов

Мы здесь приведем пример того, как модели процессов должны быть использованы. Алгоритм/макрос должен управлять температурой приточного воздуха простым вентиляционным агрегатом, состоящим из секции нагрева, утилизатора тепла роторного типа и секцией охлаждения, см. рисунок 1.1. Для простоты будем пренебрегать управлением вентиляторов.

Рисунок 1.1. – Простой вентиляционный агрегат.

В этом примере мы выбрали разные уставки охлаждения и нагрева. Контроллер переключается в режим нагрева, когда температура теплоносителя ниже уставки и переключается в режим охлаждения, когда температура приточного воздуха выше заданного значения уставки охлаждения. Поскольку мы хотим, чтобы этот пример был относительно простым, мы просто изучаем последовательность работы в нормальном режиме, поэтому у нас нет защиты от замерзания, функций размораживания и т.д. Вопрос в том, как мы можем использовать модели процессов и проверить, что наши контроль температуры притока работает так, как хотелось бы.

Первый шаг заключается в определении, как система вентиляции и кондиционирования выглядит, например, какие из каких компонентов состоит система и как они связаны между собой. В нашем примере у нас есть 3 компонента, которые влияют на температуру приточного воздуха (мы пренебрегаем влиянием приточного вентилятора на изменение температуры приточного воздуха), ротор регенератора, контур нагрева и охлаждения. Это означает, что нам понадобятся следующие модели от модели библиотеки: HX Air2Air (модель вращающегося регенератора), нагреватель (модель нагреватель) и Cooler (модель охлаждения).

Следующим шагом будет определение, как входы той или иной модели должен быть подключены. Для того, чтобы сделать это, часто бывает полезно иметь схематическое изображение системы вентиляции и кондиционирования, как на рисунке 1.1. Программа TAC Menta для макроса показана в models demo.aut файле, к которой можно обращаться при чтении этого раздела.

Давайте посмотрим, как модель вращающегося теплообменника (HX Air2Air) должны подсоединена. Эта модель имеет 3 входа. Входы: температура до HEX (наружный воздух), температура до HEX (отработанный) и управляющего сигнал. Если мы взглянем на рисунок 1.1 мы увидим, что подача воздуха в HEX приходит извне, то есть мы должны подключить температуру наружного воздуха на вход температура до HEX (наружный воздух). Мы могли бы например, использовать PVR блок со значением 10, представляющим температуру наружного воздуха. Таким же образом мы видим, что воздух, поступающий в HEX выходит из комнаты. Если предположить, что температура в помещении 25 ° C, мы можем подключить PVR блок со значением 25 температуры до HEX (отработанный воздух). Наконец, мы должны подключить сигнал управления. Этот сигнал является выходом из контроллера. Подключение сигналов управления немного отличается по сравнению с другими входными сигналами, так как он должен быть подключен к физическому выходу контроллера. Сигналы, которые поступают из физических выходов, должны быть подключены к модели с помощью датчиков, (смотрите справочное руководство) (АО, AI…). В обратном случае, когда у нас есть сигналы от модели, которые используются в программе управления, эти сигналы связаны также для тестовых датчиков (см. SupplyTemp) в модели demo.aut. Управляющая программа может считать эти сигналы с помощью своих физических входов.

В некоторых случаях это может быть необходимо задаться константами. Основное правило –  если вы не являетесь опытным пользователем вы должны придерживаться номинальных значений. Причиной этого является то, что модели были испытаны с использованием этих констант и дают хорошие результаты.

 

2 Модели процессов

 

2.1 Краткая информация

Секция охлаждения – простая модель секции охлаждения. Принимаются во внимание только отношения температур.

Осушитель – модель секции охлаждения. Приняты во внимание отношения температур и влажности.

Вентилятор – модель вентилятора с регулируемой скоростью.

Секция нагрева – модель секции нагрева (калорифер).

Секция нагрева с учетом влажности – расширенная модель секции нагрева (калорифер). Отношения температур такие же, как в секции нагрева, но секция нагрева полной теплоты помимо температуры вычисляет относительную влажность.

Увлажнитель – простая модель увлажнителя, который вводит пар в воздушный поток. Точность только для ограниченного диапазона температур.

Увлажнитель расширенный – модель увлажнителя, который вводит пар в воздушный поток. Стационарные соотношения точны в широком диапазоне условий эксплуатации.

HX Air2Air – модель теплообменника воздух-воздух (вращающийся регенератор).

HX Water2Water – модель теплообменника вода-вода (пластинчатого).

Комната – простая модель динамики температуры в помещении. Температура в помещении регулируется путем изменения температуры приточного воздуха.

Комната расширенная – модель динамики температуры в помещении. Температура в помещении регулируется путем изменения температуры приточного воздуха. Динамика помещения рассчитывается исходя из физических данных комнаты.

 

2.2. Как использовать определенную модель

В этом разделе приведена более подробная информация о различных моделях. Также приведены несколько советов о том, как использовать эти модели.

 

2.2.1.  Секция охлаждения

Описание

Охладитель рис. 1 представляет собой простую модель секции охлаждения. Динамика воздуха моделируется в виде фильтра первого порядка с номинальной постоянной времени 30 с. Падение температуры  воздуха (°C) в стационарном  состоянии, когда используется 100% мощность  охлаждения  определяется блоком PVR MaxFall. Номинальное значение MaxFall 20 °C.

Советы

При увеличении значения MaxFall,  достигается более высокая мощность охлаждения. Tai, как правило, связана с температурой наружного воздуха или с температурyым выходом секции в канале до охладителя. Если  Tai связана с температурой наружного воздуха, отклик контура управления температуры может  быть проверен путем изменения (возмущения) Tai.

Входы

Tai =  температура входящего воздуха (°C). Real.

Uc = управляющий сигнал (0-100%). Real.

Выходы

Тао = температура воздуха на выходе (°C). Real.

Рисунок 1 – Структурная схема секции охлаждения

 

2.2.2. Осушитель (Осушение с секцией охлаждения)

Описание

Осушитель, представленный на рис. 2, представляет собой модель осушения с секцией охлаждения. Поскольку этот процесс является довольно сложным, мы должны сделать некоторые допущения для того, чтобы получить достаточно простую модель.

Будем считать, что охладитель состоит из трех частей: охлаждающей жидкости внутри труб (вместе с металлическим теплообменником), воздушная пленка на поверхности теплообменника и воздушного потока. Состояние воздуха, выходящего из катушки будет зависеть от тепловых балансов между различными частями теплообменника.

Энтальпию  воздуха на поверхности теплообменника будем считать простой функцией энтальпии воздуха, поступающего на теплообменник и температуры воды. Тогда энтальпия воздуха, выходящего из теплообменника, вычисляется из баланса энтальпий между потоком воздуха и воздушной пленкой. Чтобы определить, приведёт ли снижение энтальпии к осушению или нет, мы рассчитываем точку росы входящего потока воздуха. Если снижение энтальпии приводит к температуре ниже точки росы, мы предполагаем, что воздух, выходящий из теплообменника, насыщен, т.е. RH = 100% (чего не может быть в действительности). В этом случае температура воздуха, выходящего из теплообменника, рассчитывается из энтальпии и информации о том, что воздух насыщен (выполняется аппроксимация полиномом третьего порядка для связи между температурой и энтальпией насыщенного влажного воздуха). С другой стороны, если точка росы не достигнута, влажность воздуха на выходе из теплообменника равна влажности воздуха на его входе. В этом случае температура воздуха, выходящего из теплообменника, рассчитывается в зависимости от энтальпии и уровня влажности. Относительная влажность воздуха может быть рассчитана как функция этой температуры и уровня влажности.

Мы решили смоделировать лишь статическую часть процесса. Динамика между управляющим сигналом (u) и температурой воды (TWI) представлена апериодическим звеном 1 порядка с постоянной времени 30 с.

Температура воды (TWI) является линейной функцией от управляющего сигнала.

u= 0% => TWI = Тair, u = 100% => Twi = Twi0.

Это соотношение верно для смешивающего клапана.

Советы

Tai, как правило, связано с температурой наружного воздуха или выходом модели, которая расположена в канале до секции охлаждения. Если Tai связана с температурой наружного воздуха, могут быть внесены возмущения изменением этой температуры, чтобы проверить отклик контура регулирования температруы. Fi, чаще всего, относительная влажность наружного воздуха. Для проверки реакции контура управления осушением, можно изменить значение относительной влажности наружного воздуха и посмотреть, как система управления отреагирует.

Входы

Tai = температура воздуха на входе (°C). Real.

u = управляющий сигнал (%). Real.

Fi = относительная влажность поступающего воздуха (%). Real.

Выходы

Tout = температура воздуха на выходе (°C). Real.

FiOut = относительная влажность воздуха на выходе (%). Real.

Константы

qair – расход воздуха через теплообменник (м³/с). Номинальный уровень 5,0 м³/с. Real.

Patm – атмосферное давление (Па). Patm = 101 315 Па. Real.

rhо – плотность воздуха (кг/м³). rhо = 1,2 кг / м ³, при Р = 101 315 Па и      20 °C. (1993 ASHRAE HANDBOOK, FUNDAMENTALS). Real.

Uh – "обобщенный" коэффициент теплопередачи (кг/с). Номинальное значение – 20.0 кг/с. Большое значение Uh дает бльшую теплоотдачу при данной разнице энтальпий между пленкой воздуха и воздушным потоком. Низкое значение Uh дает противоположный эффект. Real.

С8-С18 = константы для расчета давления насыщения, см. (1993 ASHRAE HANDBOOK, FUNDAMENTALS). Real.

Ссылки

ASHRAE. (1992):"1992 ASHRAE HANDBOOK, HVAC Systems and Equipment," SI-edition. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta.

ASHRAE. (1993):"1993 ASHRAE HANDBOOK, FUNDAMENTALS," SI-edition. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta.

 

Рисунок 2 – Структурная схема осушителя

 

2.2.3. Вентилятор (с регулируемой скоростью вращения)

Описание

Вентилятор – модель вентилятора с регулированием скорости (рис. 3). Динамика влияния управляющего сигнала на скорость вращения вентилятора (об/мин) моделируется как апериодическое звено первого порядка. Остальная модель является статической. Модель основана на допущении, что известна одна точка на кривой характеристики вентилятора. Эта точка определяется потоком воздуха (q0), давлением (p0) и скоростью вращения вентилятора (N0). Другие условия работы получают от известной рабочей точки и вентиляторных законов, cf. 1992 ASHRAE HANDBOOK, pg. 18.4.

Скорость вращения вентилятора считается линейной функцией управляющего сигнала:

uc = 0% => N = 0 и р = 0

uc = 100% => N = N0, р = р0

Советы

Модель вентилятора может быть использована для проверки давления в воздуховоде. Обратите внимание на то, что поток на выходе модели вентилятора не влияет на поведение других моделей. Поэтому модель вентилятора не может быть использована для проверки того, как влияет переменный расход воздуха на регулирование температуры.

Входы

uc – управляющий сигнал (%). Real.

Выходы

P – давление вентилятора (Па). Real.

Qair – расход воздуха (м³/с). Real.

Константы

р0 – давление вентилятора в известной рабочей точке (Па). Номинальное значение – 500 Па. Real.

q0 – известный воздушный поток в рабочей точке (м³/с). Номинальное значение – 5.0 м³/с. Real.

N0 – скорость вращения вентилятора в известной рабочей точке (оборотов в минуту). Номинальное значение – 1400 об./мин. Real.

Ссылки

ASHRAE. (1992):"1992 ASHRAE HANDBOOK, FUNDAMENTALS," SI-edition. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta.

 

Рисунок 3 – Структурная схема вентилятора с регулируемой скоростью вращения