Автоматизированная система управления микроклиматом жилых помещений. АС управления микроклиматом. Управления
 Скачать 2.26 Mb.
|
|
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА Автоматизированная система управления микроклиматом жилых помещений Содерж 1.1. Микроклимат помещений и его параметры 5 1.2. Способы контроля микроклимата жилых помещений 9 1.3. Нормы и параметры микроклимата жилых помещений 13 Глава 2. Автоматизация управления микроклиматом в доме 18 2.1. Назначение систем управления микроклиматом 18 2.2. Методика индивидуального управления микроклиматом 20 2.3. Автоматизация управления вентиляцией и кондиционированием 22 2.4. Методика управления температурой с помощью термостата 24 2.5. Управления температурой с помощью программатора 26 2.6. Методика регулирования параметров системы отопления 27 2.7. Системы погодозависимой автоматики 29 2.8. Методика отопления с помощью теплого пола 31 2.9. Автоматизированная система «Умный дом» 33 Глава 3. Проектирование прототипа системы управления микроклиматом жилых помещений 40 3.1. Функциональные модели компонентов прототипа системы управления микроклиматом жилых помещений 40 3.2. Общий алгоритм функционирования системы 43 3.3. Система автоматизации и управления зданиями HDL 47 3.4. Программная реализация системы управления микроклиматом 50 Заключение 55 Список использованных источников 57 Приложения 58 Приложение 1 59 Приложение 2 60 Приложение 3 61 Приложение 4 62 Приложение 5 63 Среда обитания людей в квартире или доме носит название микроклимата. С научной точки зрения микроклимат – это комплекс физических факторов внутренней среды помещений, оказывающий влияние на тепловой обмен организма и здоровье человека. К микроклиматическим показателям относятся температура, влажность и скорость движения воздуха, температура поверхностей ограждающих конструкций, предметов, оборудования, а также некоторые их производные: градиент температуры воздуха по вертикали и горизонтали помещения, интенсивность теплового излучения от внутренних поверхностей. Если все эти параметры находятся в норме, то человек не чувствует ни жары, ни холода, ни духоты, т.е. у него не возникает ощущений дискомфорта. Комфортные микроклиматические условия – это сочетание значений показателей микроклимата, которые при длительном воздействии на человека обеспечивают нормальное тепловое состояние организма при минимальном напряжении механизмов терморегуляции и ощущение комфорта не менее чем у 80% людей, находящихся в помещении. Именно нарушения микроклимата являются самыми частыми среди всех нарушений санитарно-гигиенических норм. Микроклимат жилых помещений формируется в результате воздействия внешней среды, особенностей постройки здания и систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Особенно сильно воздействуют на человека тепловые условия и состав воздуха в помещении. В воздухе, вдыхаемом человеком, может быть превышена концентрация пыли, паров, вредных газов, углекислоты. В многоэтажных домах наблюдается сильный перепад давления воздуха снаружи здания и внутри. В итоге возникает сильное бактериологическое и газовое загрязнение на верхних этажах и опасность переохлаждения на нижних этажах, сопряженное с повышением опасности радонового загрязнения. Большие площади окон многоэтажных домов вызывают радиационный дискомфорт зимой и чрезмерную освещенность летом. Особенности микроклимата каждой конкретной квартиры или дома формируются под влиянием потоков воздуха, влаги и тепла. Воздух в помещении постоянно находится в движении. С улицы в помещение попадает, как правило, охлаждающий воздух, а из соседних квартир и лестничной клетки – воздух, загрязненный газовыми примесями. Таким образом, в воздухе помещения могут постоянно находиться различные химические соединения, отравляя здоровье человека. Внутри комнат воздух распределяется неравномерно, и могут образоваться зоны с повышенным содержанием вредных примесей. Эти и другие факторы, действующие на человека в жилом помещении, показывают важность управления микроклиматом, в связи с чем тема работы является актуальной. Основными задачами выпускной квалификационной работы являются: анализ технологии и процессов управления температурным режимом жилого помещения; построение функциональных моделей компонентов системы управления микроклиматом и общего алгоритма функционирования системы; разработка программного интерфейса прототипа компьютерной системы управления микроклиматом. Реализация этих задач позволит построить базовый фундамент для полноценной системы управления микроклиматом. Глава 1. Контроль показателей микроклимата в жилых помещениях 1.1. Микроклимат помещений и его параметры Под микроклиматом понимается состояние наземно-воздушной среды обитания в некотором ограниченном пространстве, обусловленное как объективными природными, так и субъективными факторами. К объективным природным факторам относятся географические, геофизические и климатологические особенности некоторой местности, ее макро- и микрорельеф, состояние литосферных плит. Субъективными факторами являются такие, как результаты хозяйственной деятельности людей, применение изменяющих климатическую картину систем управления кондиционированием, теплосберегающих архитектурно-строительных конструкций и материалов. В более узком смысле говорят о микроклимате помещений, в которых живут или работают люди, а также размещаются, хранятся или функционируют некоторые ценные предметы, приборы, конструкции или механизмы. Нынешний уровень развития технического прогресса позволяет практически полностью контролировать параметры микроклимата в жилых помещениях и общественных зданиях. Согласно [1] допустимыми параметрами микроклимата считаются сочетания значений показателей микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать общее и локальное ощущение дискомфорта, ухудшение самочувствия и понижение работоспособности при усиленном напряжении механизмов терморегуляции и не вызывают повреждений или ухудшения состояния здоровья. К параметрам, характеризующим микроклимат в жилых и общественных помещениях, относятся: температура воздуха; скорость движения воздуха; относительная влажность воздуха; результирующая температура помещения; локальная асимметрия результирующей температуры. В табл. 1.1 приводятся оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий. Табл. 1.1. Нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий.
Необходимый уровень качества воздуха в помещениях жилых и общественных зданий должен достигаться необходимым уровнем вентиляции, т.е. величиной воздухообмена в помещениях. Вентиляция должна обеспечивать допустимые значения содержания углекислого газа в помещении. Необходимый воздухообмен в помещении может быть определен двумя способами: на основе удельных норм воздухообмена; на основе расчета воздухообмена, необходимого для обеспечения допустимых концентраций загрязняющих веществ. Расходы воздуха систем вентиляции, принимаемые для обеспечения качества воздуха, зависят от количества людей в помещении, их деятельности, технологических процессов, таких как выделения загрязняющих веществ от бытовой и оргтехники, из строительных материалов, мебели и др. На расход воздуха влияют также системы отопления и вентиляции. Применение второго способа, основанного на балансе вредностей в помещении, позволяет определить воздухообмен с учетом загрязнений наружного воздуха и заданного уровня качества воздуха (комфорта) в помещении. При этом определяющим вредным веществом является углекислый газ (CO2), выдыхаемый людьми. Эквивалентом вредных веществ, выделяемых ограждениями, мебелью, коврами и др., принимается также углекислый газ. Требования к качеству воздуха в помещениях должны удовлетворять показателям, приведенным в табл. 1.2. При этом допустимое содержание углекислого газа в помещениях принимается сверх его содержания в наружном воздухе. Табл. 1.2. Требования к качеству воздуха в помещениях
В табл. 1.3 приводятся примеры содержания загрязняющих веществ в наружном воздухе. Табл. 1.3 Содержание загрязнений в наружном воздухе
Приведенные значения являются среднегодовыми. Они не должны использоваться при проектировании систем контроля, анализа и управления микроклиматом жилых помещений, поскольку максимальные концентрации имеют большие значения. Для более подробной информации необходимо выполнить оценку загрязнений на месте. В самом начале проектирования жилого или общественного здания в чертеж закладывается полный расчет вентиляции, отопления и кондиционирования будущего сооружения. В ходе эксплуатации жилых зданий вентиляции отводится главная роль в создании комфортных условий жизнедеятельности для его обитателей. Умеренный климатический пояс России позволяет создавать стабильные системы поддержания микроклимата как в городских домах, так и на объектах загородной недвижимости - в коттеджах, на дачах, в деревянных и каменных строениях. Так, максимальная амплитуда колебаний температуры воздуха в зоне обитания людей составляет от двадцати до двадцати четырех градусов тепла. При этом обязательным условием является наличие общеобменной приточно-вытяжной вентиляции с естественным побуждением. Следует отметить, что в эпоху урбанизации с развитием современных технологий производства наличие в атмосфере города чудовищного количества промышленных отходов и побочных продуктов развитой цивилизации ставит ребром вопрос о необходимости установки в каждом жилом помещении принудительной механической системы вентиляции воздуха. Влияние абиотических и антропогенных факторов на состояние экосистемы планеты Земля растет, ускоряясь, угрожающими темпами, и защититься от этой агрессии ухудшающегося климата помогут только индивидуальные системы микроклимата, создаваемые в каждом отдельном жилище. Радиационное заражение почвы и атмосферы является еще одним аргументом в пользу того, чтобы оснастить жилище системой вентиляции с полномасштабной регулярной циркуляцией воздуха. Становится совершенно ясно, что установка простого бытового кондиционера настенного типа, распространенного в современной муниципальной инфраструктуре, который в лучшем случае охладит, отфильтрует и наполнит озоном воздух, не может полностью удовлетворить нынешнего обитателя городской квартиры. Кардинальное решение вопроса нормализации микроклимата в жилье - это организация полноценного вентиляционного воздухообмена с выведением наружу веществ, загрязняющих и отравляющих атмосферный воздух, то есть устройствоквартирной системы вентиляции и кондиционирования. 1.2. Способы контроля микроклимата жилых помещений Рассмотрим возможности изменения параметров микроклимата при помощи кондиционеров и систем вентиляции. Получившие широкое распространение сплит-системы обеспечивают кондиционирование воздуха в любом замкнутом пространстве. В случае необходимости обеспечения частичного воздухообмена, применяются кондиционеры кассетного типа, а также сплит-системы канального типа. Для полноценного же контроля параметров микроклимата, поддержания в норме всех его показателей (среднесуточная температура, значения влажности, вязкости и плотности, класс микробиологической чистоты воздуха, уровень его радиационного загрязнения) необходимо устанавливать систему вентиляции и кондиционирования, обеспечивающую полный контроль над санитарно-гигиеническими характеристиками воздушной среды. Современная техника подготовки воздуха дает возможность создавать такие системы обеспечения комфортного микроклимата, которые обладают самыми совершенными функциями воздушной термообработки и регуляции климатических условий. Это и оборудование для подготовки воздуха к технологическим и производственным процессам, и техника для кондиционирования жилых, офисных и промышленных зданий, и приточно-вытяжные вентиляционные установки. Эти устройства призваны обеспечить оптимальные условия микроклимата как на производстве, так и в быту. Существуют некоторые оптимальные гигиенические параметры микроклимата в производственной среде и быту. Формирование и поддержание оптимального микроклимата на рабочем месте значительно увеличивает как работоспособность каждого отдельного трудящегося, так и общие резервы роста производительности труда в рабочем коллективе. Когда говорят о производственном микроклимате, прежде всего имеют ввиду о температурный баланс между работающими людьми и окружающей их обстановкой. Эту задачу решают системы кондиционирования воздуха, позволяющие сбалансировать тепловую нагрузку между окружающей средой и работающим в ней человеком. Согласно требованиям ГОСТ к параметрам микроклимата рабочей зоны, кондиционируемые производственные области должны иметь постоянную температуру воздуха от 18 до 26 градусов и коэффициент эффективности воздухообмена не менее единицы. Это означает, что весь воздушный объем, находящийся в помещении, должен полностью замещаться новым воздухом не менее чем один раз в течение часа. Промышленная вытяжная вентиляция, включающая в себя систему автоматизированного управления микроклиматом, в ходе своей эксплуатации не только поддерживает тепловые характеристики локальной атмосферной зоны, но и обеспечивает стабильный воздухообмен на всем пространстве, занятом производственными процессами, будь то машинный зал, заводской сборочный цех или пошивочная мастерская. Важное значение имеет вентиляция химических производств, заводов и фабрик по выпуску синтетических изделий и материалов (пластмасс, синтетиков), лакокрасочных и нефтеперерабатывающих предприятий. Метеорологическая обстановка на подобных объектах является предметом пристального внимания соответствующих служб по мониторингу и контролю условий труда на потенциально вредных видах работ. Постоянное наблюдение за применением и сертификацией систем обеспечения микроклимата представляет одну из задач, стоящих перед профсоюзной организацией на предприятиях с повышенной степенью опасности для здоровья работающего персонала. На практике применяется специальная методика расчета микроклимата в проектировании вентиляции промышленных зданий. Отправной точкой при расчете микроклимата производственных, также как и жилых, помещений являются физиологические и адаптационные возможности человеческого организма. Каждая клетка организма дышит, находясь в состоянии непрерывного обмена информацией с окружающей средой. Каждый индивидуум - это уникальная биологическая система, рецепторы которой чутко реагируют на малейшее изменение теплового соотношения между ними и прилегающей биосферой, мгновенно определяя состояние микроклимата как "комфортное" либо "неблагоприятное". Исходя из показаний этих индивидуальных ощущений, при расчете параметров микроклимата рабочей и жилой зоны условия труда и отдыха могут оцениваться как "допустимые" или как "комфортные" на основании данных, полученных не менее чем от восьмидесяти процентов работающих или проживающих. Основным способом нормализации микроклимата в производственных помещениях является создание и установка систем центрального кондиционирования и вентиляции, являющихся одной из мер профилактики появления профессиональных заболеваний. Теплотехнический расчет микроклимата на рабочем месте каждого сотрудника в первую голову решает задачу определения допустимых и комфортных зон с точки зрения режимов тепла и влажности. Например, для создания допустимых параметров микроклимата достаточно оборудовать рабочее пространство кондиционером с термообработкой воздуха либо автоматизированной системой кондиционирования. В этом случае будет иметь место уравнивание теплового баланса между кондиционером и внешней атмосферой. Такая кондиционирующая установка решает проблему теплопередачи, то есть сброса излишков тепловой энергии и выравнивания температурного фона до допустимых значений, чему во многом способствует такая характеристика здания, как его теплоустойчивость (способность противостоять резким колебаниям температуры наружной среды), а также уровень теплопроводности материалов, применяемых при строительстве. Достижение микроклиматом уровня "комфортный" возможно только с применением на производстве полноценных систем вентиляции и кондиционирования воздуха. С их помощью успешно решаются проблемы избыточного или недостаточного влагосодержания, терморегуляции микроклимата, борьбы с вредными выделениями и излучениями путем регулярного обновления и соответствующей обработки воздуха. Автоматизированная система управления микроклиматом, построенная на основе данных, получаемых от микроконтроллеров, позволяет предотвращать нарушение терморегуляции организма работающих людей, а также поддерживать необходимый климатический режим для электротехники и тонкой электроники, работы фрезерных и токарных станков и прессов с ЧПУ, другого оборудования. Во вручаемом заказчику паспорте вентиляционной системы четко прописываются все основные параметры и нормы микроклимата, поддерживаемые данной системой вентиляции. Руководитель предприятия должен таким образом продумать организационную и инженерно-технологическую структуру своего производства, чтобы каждый работник на своем рабочем месте был полностью обеспечен необходимым вентиляционно-отопительным оборудованием для поддержания установленных норм микроклимата. 1.3. Нормы и параметры микроклимата жилых помещений Эволюция жилища человека привела к тому, что в самом начале проектирования жилого или общественного здания в чертеж закладывается полный расчет вентиляции, отопления и кондиционирования будущего сооружения. В ходе эксплуатации жилых зданий вентиляция играет главную роль в создании комфортных условий жизнедеятельности для его обитателей. Ниже перечислены требования к системам вентиляции: обеспечение потребностей людей, находящихся в помещении, в поступлении кислорода в объеме, необходимом для их полноценной жизнедеятельности и высокой трудоспособности; удаление при помощи системы вентиляции опасных примесей, содержащихся в отработанном воздухе, и опасных для здоровья человека токсических веществ, выделяемых в результате жизнедеятельности и производственной деятельности; удаление из помещений, обслуживаемых системой вентиляции, пахучих и едких веществ, выбрасываемых в воздух в результате работы каких-либо агрегатов или производственных механизмов; своевременный отвод влаги, скапливающейся в строительных конструкциях и наносящей прямой ущерб сооружению и угрозу безопасности людей, находящихся в здании; фильтрация и очистка воздуха от пыли и грязи непосредственно в системе вентиляции с целью достижения необходимого уровня чистоты, приемлемого для каждого конкретного случая; поддержание системой вентиляции заданных параметров температуры и влажности воздуха методом целенаправленной температурной поготовки воздушных масс непосредственно в системе кондиционирования и вентиляции, а именно в нагревателях, охладителях, увлажнителях и осушителях; экономия энергии в системе вентиляции за счет регенерации тепла, когда наружный воздух подвергается нагреванию или охлаждению посредством теплообмена с удаляемым воздухом; обеспечение надежной звукоизоляции благодаря отсутствию необходимости держать открытыми окна и двери; Расчет системы вентиляции, как правило, начинается с подбора оборудования, подходящего по такому параметру, как производительность по прокачиваемому объему воздуха и измеряемому в кубометрах в час. Важнейшим показателем в системе является кратность воздухообмена, которая показывает, сколько раз происходит полная замена воздуха в помещении в течение часа. Кратность воздухообмена определяется СНиП (Строительными Нормами и Правилами) и зависит от назначения помещения, количества оборудования, выделяющего тепло, а также от того, сколько людей находится в помещении. Как правило, для жилых помещений необходимая кратность воздухообмена составляет единицу, в то время как для рабочих помещений (офис и др.) это значение должно составлять 2-3. В сумме все значения кратности воздухообмена для всех помещений составляют производительность по воздуху. Как правило, обычные значения производительности составляют: для офисов: 1000-10000 м3/ч; для коттеджей: 1000-2000 м3/ч; для квартир: 100-800 м3/ч. Следующий этап в расчете вентиляции – проектирование воздухораспределительной сети, состоящей из таких компонентов, как воздуховоды, распределители воздуха, а также фасонные изделия: переходники, повороты, разветвители. Сначала разрабатывается схема воздуховодов, на основании которой производится расчет уровня шума, рабочего давления и скорости потока воздуха. Рабочее давление напрямую зависит от того, какова мощность используемого вентилятора и рассчитывается с учетом диаметров воздуховодов, количества переходов с одного диаметра на другой, и количества поворотов. Рабочее давление должно возрастать с увеличением длины воздуховодов и количества поворотов и переходов. Средняя скорость потока воздуха определяется диаметром воздуховодов и, как правило, составляет 12-16 метров в секунду. Проектируя системы вентиляции, необходимо находить оптимальное соотношение между мощностью вентилятора, уровнем шума и диаметром воздуховодов. Расчет мощности калорифера производится с учетом необходимой температуры в помещении и нижним уровнем температуры воздуха снаружи. Приведем средние значения мощности калорифера: для квартир: от 1 до 5 кВт; для офисов: от 5 до 50 кВт. Умеренный климатический пояс России позволяет создавать стабильные системы поддержания микроклимата как в городских домах, так и на объектах загородной недвижимости - в коттеджах, на дачах, в деревянных и каменных строениях. Так, максимальная амплитуда колебаний температуры воздуха в зоне обитания людей составляет от двадцати до двадцати четырех градусов тепла. При этом обязательным условием является наличие общеобменной приточно-вытяжной вентиляции с естественным побуждением. Системы естественной вентиляции используют для передвижения воздуха природные факторы – силу ветра и гравитационное давление. С помощью естественной вентиляции можно обустроить как организованный, так и неорганизованный воздухообмен в самых различных помещениях. Как правило, между температурой воздуха в помещении и наружной температурой воздуха имеется определенная разница. Благодаря этому возникает разница удельного веса воздуха внутри помещения и окружающей его атмосферы, что приводит к появлению гравитационного давления. Этот фактор активно используют при организации естественной вентиляции помещений. В большинстве случаев температура внутреннего воздуха в помещении значительно выше температуры воздуха на улице, и благодаря возникающему гравитационному давлению воздух из верхней части помещения стремится выйти наружу, а в нижней части помещения создается некоторое разряжение, за счет которого внешний воздух, наоборот, устремляется в помещение. Гравитационное давление является постоянно действующей силой, изменяться может лишь его величина в зависимости от разности наружной и внутренней температуры, что соответственно, оказывает напосредственное влияние на изменение эффективности работы естественной вентиляции, которая, в отличие от механической приточно-вытяжной вентиляции, не обеспечивает достаточной стабильности и точности в поддержании заданных параметров микроклимата. Кроме гравитационного давления, в функционировании естественной вентиляции может принимать участие и такой природный фактор, как ветровое давление, то есть давление, оказываемое ветровым потоком на поверхность дома или здания. Перепад давления, возникающий через наветренную и заветренную стороны здания, обуславливает движение воздуха либо по каналам (воздуховодам), либо через неплотности, щели и проемы в самом здании. Оба перечисленных природных фактора, использующихся в системах естественной вентиляции, создают сравнительно небольшое давление, которое позволяет использовать эти природные факторы только для организации общеобменной или местной системы естественной вентиляции с очень ограниченной протяженностью сетей воздуховодов. Кроме того, давление воздуха, создаваемое этими естественными силами, напрямую зависит от таких изменчивых показателей, как сила ветра и температура воздуха, поэтому интенсивность воздухообмена в помещении с естественной вентиляцией становится крайне зависимой от внешних факторов природы, и не будет обеспечивать на определенном уровне поступление и замену воздуха в помещении. Различают организованную (аэрация) и неорганизованную систему естественной вентиляции. При организованной вентиляции поступление и удаление воздуха происходит через специально подготовленные отверстия и каналы. При неорганизованной вентиляции замена воздуха происходит через неплотности и щели в наружных ограждениях здания, окна и двери. Развитие современных технологий производства и наличие в атмосфере города большого количества промышленных отходов и побочных продуктов развитой цивилизации, ставит вопрос о необходимости установки в каждом жилом помещении принудительной механической системы вентиляции воздуха. Влияние абиотических и антропогенных факторов на состояние экосистемы планеты Земля растет, ускоряясь, угрожающими темпами, и защититься от этой агрессии ухудшающегося климата помогут только индивидуальные системы микроклимата, создаваемые в каждом отдельном жилище. Радиационное заражение почвы и атмосферы - еще один аргумент в пользу того, чтобы оснастить свое жилище системой вентиляции с полномасштабной регулярной циркуляцией воздуха. Становится совершенно ясно, что установка простого бытового кондиционера настенного типа, столь распространенного в современной муниципальной инфраструктуре, который в лучшем случае охладит, отфильтрует и наполнит озоном воздух, не может полностью удовлетворить нынешнего обитателя городской квартиры. Кардинальное решение вопроса нормализации микроклимата в жилье - это организация полноценного вентиляционного воздухообмена с выведением наружу веществ, загрязняющих и отравляющих атмосферный воздух, то есть устройство квартирной системы вентиляции и кондиционирования. Такой подход к проблеме поможет создать подходящий микроклимат в жилище. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||