Automatizarea Sistemelor Si Instalatiilor de Incalziredoc

=== Automatizarea sistemelor si instalatiilor de incalzire ===

AUTOMATIZAREA SISTEMELOR SI

INSTALATIILOR DE INCALZIRE

Banica Ionut

REZUMAT:

Lucrarea de fata prezinta automatizarea sistemelor si instalatiilor de incalzire. Sistemele de incalzire sunt unitati termice de producere a caldurii in scopuri tehnologice sau menajere. Rolul acestora se refera la proiectarea si realizarea de solutii moderne si eficiente pentru: – mentinerea in incaperi a unei temperaturi cat mai uniforme, situata in jurul valorii cerute, atat in plan orizontal cat si in plan vertical; – reglarea temperaturii interioare in functie de necesitati, tinand seama de inertia termica a elementelor de constructie; – mentinerea temperaturii suprafetelor elementelor de constructii astfel incat sa se evite fenomenul de radiatie rece si fenomenul de condensare a vaporilor de apa pe suprafata acestor elemente; – incalzirea fara poluarea aerului din incaperi si fara poluarea mediului; – incalzirea fara curenti perturbatori ai aerului din incaperi; – asigurarea de solutii eficiente si economice din punct de vedere al instalatiilor si al exploatarii. 

CUVINTE CHEIE: automatizare, instalatii, sisteme, incalzire

1 INTRODUCERE

Sistemele de incalzire sunt unitati termice de producere a caldurii in scopuri tehnologice sau menajere. Rolul acestora se refera la proiectarea si realizarea de solutii moderne si eficiente pentru:

mentinerea in incaperi a unei temperaturi cat mai uniforme, situata in jurul valorii cerute, atat in plan orizontal cat si in plan vertical;

reglarea temperaturii interioare in functie de necesitati, tinand seama de inertia termica a elementelor de constructie;

mentinerea temperaturii suprafetelor elementelor de constructii astfel incat sa se evite fenomenul de radiatie rece si fenomenul de condensare a vaporilor de apa pe suprafata acestor elemente;

incalzirea fara poluarea aerului din incaperi si fara poluarea mediului;

incalzirea fara curenti perturbatori ai aerului din incaperi;

asigurarea de solutii eficiente si economice din punct de vedere al instalatiilor si al exploatarii.

Pentru aprecierea unei instalatii de incalzire se defineste un set de cerinte, de importanta diferita. Astfel, confortul termic (apreciat prin temperatura interioara a aerului) trebuie indeplinit cu prioritate, apoi stabilitatea si uniformitatea temperaturii interioare a aerului, temperatura interioara rezultata, ecartul de temperatura pe verticala, indicele global de confort termic, viteza curentilor de aer si umiditatea relativa a aerului.

Adaptarea la utilizarea si economia de energie sunt, de asemenea, exigente prioritare, pentru care se asigura: stabilitatea hidraulica a retelei, masuri pentru reglarea sarcinii termice in functie de parametri climatici exteriori, aparatura de masura si control pentru cunoasterea parametrilor instalatiei de incalzire, conditii speciale pentru extinderi, functionare partiala, avarii.

De asemenea, au o importanta majora siguranta in exploatare, siguranta la foc, rezistenta si stabilitatea, etanseitatea, igiena, sanatatea si protectia mediului, confortul acustic, vizual si tactil, economicitatea.

Instalatiile de incalzire se pot clasifica dupa mai multe criterii si anume:

dupa modul de amplasare a sursei termice: incalzire centrala, locala, la distanta;

dupa natura agentului termic: incalzire cu apa calda, apa fierbinte, abur cu presiune joasa, abur cu presiune medie, aer cald;

dupa natura energiei utilizate: incalzire electrica, incalzire cu pompe de caldura, incalzire cu energie conventionala (combustibili gazosi, lichizi, solizi), incalzire cu energii neconventionale (solara, geotermala, biomasa, etc.), instalatii de recuperare a caldurii reziduale;

dupa modul in care se face transmisia caldurii: incalzire prin convectie, radiatie;

dupa modul in care se asigura parametri din interiorul incaperilor: incalzire normala, incalzire de garda.

2 Sisteme si instalatii de incalzire centrala

Sisteme de incalzire centrala utilizeaza drept agent termic apa calda care isi mareste potentialul termic in cazan, preluand o parte din energia termica cedata de combustibilul ars, iar printr-o retea inchisa de conducte transfera energia termica acumulata spatiului ce urmeaza a fi incalzit, utilizand suprafete de incalzire.

Cele mai importante criterii de clasificare ale sistemelor de incalzire, respectiv ale centralelor termice sunt urmatoarele :

dupa puterea instalata:

CT de putere mica ( 100 kW);

CT de putere medie (100…2000 kW);

CT de putere mare (> 2000 kW).

dupa natura agentului termic utilizat:

instalatii cu apa fierbinte, cu temperatura pana la (115…12 a 0) 0C;

instalatii cu apa calda, de medie temperatura, cu temperaturpana la 95 0C;

instalatii cu apa calda, de joasa temperatura, cu temperatura pana la 65 0C;

instalatii cu abur de joasa presiune, sub 0,7 bar suprapresiune;

instalatii cu abur de medie presiune, peste 0,7 bar suprapresiune;

instalatii cu fluide speciale.

dupa modul de vehiculare a agentului termic:

instalatii cu circulatie naturala (gravitationale);

instalatii cu circulatie fortata.

dupa schema de asigurare impotriva suprapresiunilor accidentale:

instalatii cu vase de expansiune deschise;

instalatii cu supape de siguranta si vase de expansiune deschise/inchise;

instalatii cu supape de siguranta si/sau dispozitive hidraulice.

dupa alcatuirea retelei de distributie:

retele arborescente;

retele radiale;

retele inelare.

dupa gradul de raspuns la conditiile de stabilitate termica:

instalatii cu reglare termo-hidraulica locala;

instalatii cu reglare termo-hidraulica centrala;

instalatii cu gestiune globala a energiei.

dupa natura combustibilului utilizat: cu combustibil gazos, lichid sau solid;

dupa modul de exploatare a centralei:

CT automate;

CT cu supraveghere totala/partiala;

CT manuale.

Indiferent daca sistemul termic deserveste un singur apartament sau o zona intreaga, structura de baza nu difera in mod esential. In alcatuirea unei centrale termice intra cazanele, pompele, elementele de legatura si de distributie, gospodaria de combustibil, elementele de evacuare a produselor arderii, instalatiile de automatizare (Fig.1).

Fig.1. Schema simplificata a sistemului de incalzire centrala

Functionarea unei centrale termice se bazeaza pe conversia unei forme oarecare de energie in energie termica. Forma primara de energie cea mai utilizata in prezent este de natura chimica (hidrocarburi, carbuni). Intr-o masura mai redusa se utilizeaza combustibili organici de origine vegetala (lemn si deseuri).

Caldura produsa, transpusa pe agentii purtatori, are o dubla utilizare: incalzirea incaperilor si furnizarea apei calde.

Sistemul pentru apa calda menajera este un sistem deschis, caracterizat prin temperatura Ta. Deoarece nu toata cantitatea de apa produsa este si consumata, pentru evitarea racirii apei pe conducte, se utilizeaza un sistem de recirculare.

Caldura primara este obtinuta pe baza arderii combustibilului in focarul cazanului si este predata agentului termic prin intermediul unui sistem de tevi incalzite (Fig.2). La iesirea din cazan, agentul primar (apa calda sau fierbinte) este distribuit spre:

sistemul de incalzire centrala;

sistemul de preparare a apei calde.

In vana cu trei cai se face o amestecare a agentului primar si a returului sistemului, obtinand turul cu valorile necesare pentru temperatura, presiune si debit; la crearea presiunii contribuie sistemul de pompe, comutabil in trepte.

Pentru completarea sistemului inchis de incalzire cu apa si pentru a compensa variatia volumului agentului primar cu temperatura, la sistem este legat vasul de expansiune in care se mentine presiunea dorita prin intermediul unei perne de aer produsa de compresorul de aer.

Fig. 2. Statia termica compacta pentru prepararea ACC in doua trepte serie-paralel cu incalzirea

Fig.3. Statia termica compacta pentru prepararea ACC cu acumulare in doua trepte

serie-paralel cu incalzirea

1 Specializarea Conceptie si Management in Productica, Facultatea IMST;

E-mail: [anonimizat];

2.1. Automatizarea sistemelor de incalzire centrala

Analiza solutiilor de automatizare pentru o centrala termica porneste de la un criteriu hotarator – valoarea maxima a raportului performanta tehnica/valoarea investitiei, deci calitate/pret, dar tine seama si de regimul hidraulic din circuitul primar si secundar, respectiv functionarea in sisteme cu debit variabil si functionarea in sisteme cu debit constant de agent termic.

In procesele de incalzire si preparare a apei calde de consum, obiectivul reglarii consta in mentinerea marimii reglate (temperatura, presiunea, debitul purtatorului de caldura) la valoarea prescrisa, in conditiile unor costuri minime si respectarii cerintelor privind parametri optimi de confort.

Analizate prin prisma optimizarii, procesele de incalzire si de preparare a apei calde de consum trebuie sa raspunda unei serii de cerinte:

mentinerea in incaperile din cladiri a unor temperaturi interioare constante (cat mai apropiate de valoarea de confort), cu posibilitatea modificarii acestora in functie de: destinatia incaperii, regimul de utilizare, perioada (zi – noapte, sfarsit de saptamana), obisnuinta cu un anumit regim termic, aparitia unor aporturi gratuite, etc.; ca urmare, in conceperea solutiilor de reglare apare indicat sa se controleze desfasurarea procesului de incalzire in fiecare incapere.

coordonarea regimului hidraulic al instalatiilor de incalzire (circuitele secundare ale punctelor termice) cu caracteristica de pompare debit – presiune; in acest sens se impune echilibrarea retelei de distributie si a coloanelor.

coordonarea regimului hidraulic al punctelor termice si al retelei de apa fierbinte cu caracteristicile functionale ale pompelor de circulatie; in acest sens se impune echilibrarea retelei si prevederea de regulatoare de debit in punctele termice.

mentinerea temperaturii apei calde de consum intr-un domeniu restrans teoretic constant aceasta cerinta, datorita variatiei consumului de apa calda si a temperaturii agentului primar, constituie o sursa de perturbatii.

livrarea agentului termic primar in retea si la punctele termice, la un nivel de temperatura cat mai apropiat de graficul teoretic de reglare, astfel incat buclele de reglare sa opereze eficient in obtinerea parametrilor controlati (temperatura interioara in incaperi, temperatura apei calde de consum).

Functiile de reglare se pot asocia cu alte functii ale buclelor de automatizare (ex. asigurarea protectiei utilizatorilor si personalului de exploatare, precum si a echipamentelor).

Pentru realizarea functiei de reglare se poate utiliza:

reglarea in bucla inchisa, in care marimea reglata este masurata, valoarea ei este comparata cu valoarea prescrisa si se actioneaza asupra puterii termice, pentru ca valoarea marimii reglate sa se apropie de valoarea prescrisa, in limite stranse (ex. controlul temperaturii de preparare a ACC);

reglarea in bucla deschisa, in care marimea reglata este comparata cu valoarea prescrisa, in corelare cu variatia perturbatiilor care influenteaza nevoile de caldura, fara controlul marimii care reflecta calitatea serviciului (ex. realizarea corespondentei dintre temperatura apei calde din conducta de tur si temperatura exterioara a aerului).

Actiunea de reglare este conceputa sa raspunda la trei operatiuni functionale: masurarea, compararea si comandarea. Dintre solutiile utilizate in tehnica reglarii, in functie de modul in care se corecteaza marimea reglata

reglarea “tot sau nimic”, in care se controleaza temperatura apei la iesirea din cazan, prin anclansarea si declansarea arderii; modul “totul sau nimic” este recomandat la reglarea temperaturii interioare din cladirile cu inertie termica mare. Prin efectul inertiei termice a incaperilor si al aporturilor de caldura, duratele de functionare si de intrerupere a emitatorului de energie termica se pot schimba; acest mod de actionare poate fi folosit si la prepararea apei calde de consum in instalatii prevazute cu acumulare;

reglarea tripozitionala (flotanta), in care pozitiile “deschis”, “de echilibru” si “inchis” a elementului de executie (ex. robinet de reglare) se obtin prin comanda de deschidere sau inchidere la anumite valori negative sau pozitive ale abaterii marimii reglate fata de valoarea de consemn; modul tripozitional se poate utiliza la reglarea temperaturii interioare din incaperi, prin modificarea puterii termice emise (debitul de fluid);

reglarea progresiva, in care regulatorul poate fi: proportional (P), integrativ (I), proportional-integrativ (PI) sau proportional–integrativ-derivativ (PID).

In cazul reglarii P, ventilul robinetului de reglare se deplaseaza cu aceeasi valoare pentru fiecare unitate a abaterii marimii reglate. Diferenta dintre valoarea maxima a marimii reglate si valoarea minima admisa a acesteia reprezinta “banda de proportionalitate” (BP). In cazul reglarii I, viteza de deplasare a organului de executie este proportionala cu valoarea abaterii marimii reglate fata de marimea de referinta. Atata timp cat exista o eroare (abatere) regulatorul actioneaza, asigurand corectia pozitiei robinetului de reglare. In cazul reglarii PI, pozitia robinetului de reglare se obtine prin completarea actiunii proportionale cu modul de actiune integral. Constanta de timp de integrare care apare in acest caz, reprezinta timpul dupa care corectia pozitiei robinetului de reglare generata de actiunea P este repetata prin actiunea I si depinde de viteza de deplasare a organului de executie. Un astfel de sistem (cu regulator PI) este precis si sensibil si poate fi folosit la incalzirea cladirilor civile sau industriale si la prepararea apei calde de consum cu schimbatoare de caldura fara acumulare. Suplimentar, fata de modul PI, sistemul PID tine seama de viteza cu care marimea reglata se indeparteaza de valoarea de consemn. Un regulator PID se adapteaza la o bucla de reglare prin trei marimi caracteristice (banda de proportionalitate, constanta de timp de integrare, constanta de timp de derivare), marimi de care se tine seama in operatiunile de acordare a regulatoarelor.

In acelasi timp, echipamentele de automatizare a centralelor pentru incalzirea cladirilor si prepararea apei calde de consum devin tot mai complexe. Aceasta se reflecta prin ponderea in pretul cazanului si in faptul ca tot mai multe disfunctionalitati la instalare sau exploatare se datoreaza automatizarii.

La constructia echipamentelor de automatizare se folosesc atat tehnologii vechi consacrate (termostate, programatoare cu came), cat si ultimele realizari in domeniul prelucrarii informatiilor: microcalculatoare de proces, automate logice programabile executate in tehnologia componentelor electronice montate pe suprafata cablajului imprimat.

Principiile de reglare sunt aproximativ identice cu cele folosite cu mai multi ani in urma, in prezent remarcandu-se implementarea intr-un gabarit tot mai redus a unui numar ridicat de functii de automatizare si o evolutie importanta in ceea ce priveste dialogul cu operatorul uman.

In figura 5 se prezinta schema de conectare in cascada a doua cazane, specifica folosirii agentului termic pentru incalzire si preparare apa calda de consum. Notatiile au urmatoarea semnificatie: C – cazan, B – boiler pentru prepararea ACC, CI – corp de incalzire, P – pompa, V – ventil cu trei cai si servomotor, Te – termostat aer exterior, Ta – termostat de ambianta, Tc – termostat de contact.

Fig. 4. Schema de reglare pentru doua cazane

Rezervorul interior care contine apa ce trebuie incalzita (circuitul secundar), este total imersat in rezervorul exterior ce contine agentul termic incalzitor (circuitul primar). Agentul primar circula intre cele doua rezervoare si cedeaza caldura apei calde menajere.

Reglarea locala a agentului termic este realizata cu o vana cu trei cai (servomotorizata), o pompa de circulatie si o sonda de temperatura montata pe circuitul de tur. Reglarea agentului de incalzire este facuta printr-o vana cu doua cai (servomotorizata). Un gigacalorimetru masoara consumul de energie termica in functie de temperatura de pe tur si retur. Senzorul termostatului din interiorul rezervorului de ACM controleaza circulatia agentului termic de incalzire prin intermediul unui regulator (electronic), care comanda simultan cele doua vane servomotorizate, in functie de necesarul de caldura, temperatura exterioara si temperatura ambientala.

In functie de cerintele impuse si de costul solutiilor care pot fi adoptate, automatizarea centralelor termice poate atinge diferite niveluri de complexitate (urmand evolutia generala din domeniul sistemelor de automatizare), respectiv: automatizare locala, centralizata, ierarhizata si distribuita

O bucla locala de reglare lucreaza independent de celelalte bucle de reglare (si de multe ori in conflict) nu necesita alte conexiuni si are dezavantaje considerabile: parametri ficsi ai regulatorului si imposibilitatea de comunicare (Fig. 5). Cand domeniul de reglare este mare rezultatul reglarii cu astfel de bucle poate fi total nesatisfacator. Lipsa facilitatilor de comunicare face imposibila urmarirea si coordonarea centralizata a instalatiei, cu implicatii economice, mai ales la sarcini mici.

Fig.5. Sistem de conducere locala

Conceptul pe care se bazeaza arhitectura sistemelor centralizate este camera de comanda, in care se afla regulatoarele, acesta fiind un avantaj important din punctul de vedere al operatorului, care poate urmari evolutia diferitilor parametri si interveni in comanda instalatiei (Fig.8). Aparatele locale sunt complet dependente de comenzile venite de la centru, ele neputand lucra independent, iar parametrii de acord ai regulatoarelor raman, in general, ficsi, operatorul actionand numai asupra valorilor de referinta. Traductoarele si elementele de executie sunt montate in instalatie (in camp, dupa limbajul specialistilor).

Implementarea acestor sisteme se face cu aparate analogice sau numerice. In sistemele analogice, transmiterea se face prin semnal unificat pneumatic sau electric, preponderent fiind cel electric. Implementarea cu aparatura numerica a conducerii centralizate prezinta avantajul posibilitatii de modificare a parametrilor de acord ai regulatoarelor pentru a optimiza functionarea instalatiei, precum si o urmarire selectiva a parametrilor din instalatie. Traductoarele si elementele de executie sunt insa comandate cu semnal electric analogic.

Fig.6. Sistem de conducere centralizata

Principalele dezavantaje ale acestor arhitecturi sunt date de traseele lungi de semnal mic si de dependenta sistemului de aparatura centrala (aparatele locale sunt complet dependente de comenzile venite de la centru, ele neputand lucra independent).

Conducerea ierarhizata are o structura piramidala, in care primul nivel, realizat cu regulatoare distincte, asigura conducerea subproceselor, cu mentinerea regimurilor de functionare optime, atat timp cat sunt respectate restrictiile locale. Al doilea nivel, format din blocuri de automatizare, modifica restrictiile locale si criteriile de performanta ale regulatoarelor si transmite informatia la un calculator central. Nivelul ierarhic cel mai inalt coordoneaza nivelurile inferioare, pentru a optimiza intregul sistem.

Conducerea distribuita combina avantajele arhitecturilor precedente, principiul pe care se bazeaza fiind cel al conlucrarii: fiecare bucla de reglare lucreaza independent dar comunica cu celelalte sisteme pentru a optimiza intreaga instalatie. Tendinta este ca reglarea sa se faca local, prin bucle simple de reglare care comunica cu restul sistemului .Traductoarele de constructie recenta sunt echipate cu un microsistem de calcul (de tip microprocesor) care realizeaza anumite functii, precum liniarizarea semnalului de iesire.

Integratorul sistemului de conducere este reteaua de comunicatie, care-l face sa lucreze unitar. Aceasta face ca toate marimile masurate din instalatie sau parametrii de reglare sa fie accesibili pentru programe orare, estimarea tendintei, afisare si monitorizare in orice punct al retelei. Sistemul de comunicatie trebuie sa fie capabil sa transmita informatia ceruta automat, fara ca operatorul sa fie obligat sa modifice setarile.

Fig. 7. Sistem de conducere distribuita

Pana recent, aproape toate sistemele de conducere numerice utilizau comunicatia seriala pe standardul RS 232, cu o viteza maxima de 9600 baud. Cu exceptia unor aplicatii mici, o astfel de viteza este prea mica pentru conducerea distribuita. Retelele de comunicatie actuale realizeaza viteze de comunicatie de ordinul megabaud, care imbunatatesc semnificativ performantele sistemului de conducere.

Sistemele distribuite de conducere necesita un limbaj de programare dedicat conducerii automate, care trebuie sa asigure:

controlul automat al fiecarei marimi in instalatie, printr-un singur program, fara a intra in conflict cu alte module de control;

facilitati de editare, de modificare a unui program de control al unei marimi, precum si de modificare rapida a bazei de date;

functii matematice si logice, calcule de optimizare;

posibilitatea de a da valori marimilor din sistem, in cazul defectarii unor traductoare;

afisarea in timp real a datelor si graficelor de evolutie si de tendinta.

Schimbarile majore tehnologice actuale sunt legate de comunicare, de la mass-media la retelele de calculatoare, afectata fiind si aparatura de automatizare. Acest impact a condus la elaborarea unui standard pentru o retea dedicata automatizarii cladirilor, numita BAC-Net, care a devenit ghid pentru producatorii de aparatura numerica de automatizare.

Fig. 8. Sistem de conducere distribuită

3. CONCLUZII

Reabilitarea si modernizarea instalatiilor interioare se impune datorita faptului ca
prin intermediul lor se ofera posibilitatea realizarii unor importante economii
energetice, economii vizate direct prin reabilitarea termica a cladirilor pe parte de constructive.

Reabilitarea si modernizarea instalatiilor interioare implica insa o functionare variabila, fluctuanta in timp a consumatorilor; Situatia consumatorilor racordati la sistemul de alimentare centralizata cu caldura este diversa, in functie de gradele de reabilitare si modernizare Implementate, insa furnizarea puterii termice se face la parametrii termici unici, fapt ce ingreuneaza fructificarea efectiva a economiilor de energie termica pe care consumatorii reabilitati si modernizati le fac acum posibile;

Reabilitarea termica pe parte de constructive a cladirilor asociata cu suprafata deja existenta a instalatiei de incalzire si cu reglajul termic calitativ centralizat reprezinta pemtru aceste caldiri o cauza a unei risipe nejustificate de energie termica.

Se impune in aceste situatii redimensionarea curbelor de reglaj termic si asigurarea de catre sistemul centralizat a unei alimentari diversificate in functie de situatia fiecarui consummator.

4 BIBLIOGRAFIE

[1]. Hussein Joumaa, Stephane Ploix, Shadi Abras, Gregory De Oliveira (2011), „A Mas integrated into Home Automation system, for the resolution of power management problem in smart homes”, disponibila: www.sciencedirect.com Accesat la data: 15.12.2015

[2]. Rudai Shan (2013), „Optimization for heating, cooling and lighting load in building facade design”, disponibila: www.sciencedirect.com Accesat la data: 15.12.2015

[3]. Tobias Teich, Sebastian Wolf, Tim Neumann, Sebastian Junghans, Susan Franke (2013), „Concept for a Service-Oriented Architecture in Building Automation Systems”, disponibila: www.sciencedirect.com Accesat la data: 15.12.2015

[4]. Calin Sebarchievici, Daniel Dan, Ioan Sarbu (2015), „Performance assessment of a ground-coupled heat pump for an office room heating using radiator or radiant floor heating