Разработка автоматизированной системы управления «климат-контроль» в «умном доме» с использованием теплового насоса

Содержание
Введение ...................................................................................................... ...7
1. Аналитический обзор современного состояния исследуемой
проблемы ................................................................................................................ ...8
1.1 Постановка задачи .............................................................................. .10
2. Выбор оборудования .............................................................................. .11
2.1 Обзор существующих видов кондиционеров .................................. .11
2.2 Обоснование выбора теплового насоса ............................................ .16
2.3 Принцип действия теплового насоса …………………………….... 20
2.4 Выбор контроллера ……………………………………………….... 26
3 Разработка технического обеспечения ……………………………….. 30
3.1 Разработка структуры системы ……………………………………. 31
3.2 Принципиальная схема автоматизации системы …………………. 32
3.3 Функциональная схема системы автоматизации управления
температурой тепловым насосом …………………………….…………….….. 39
4 Разработка программного обеспечения ……………………………..... 40
4.1 Визуализация проекта на SCADA-системе Genesis 32 …………... 40
4.2 Построение электрической схемы ………………………………... 40
5. Технико-экономическое обоснование .................................................. 43
5.1 Значение кондиционирования воздуха ……………………………42
5.2 Определение затрат в системах автоматизации............................... 42
5.3 Расчет стоимости первого варианта автоматизации ....................... 43
5.4 Расчет стоимости второго варианта автоматизации ....................... 47
5.5 Вывод по экономической части......................................................... 49
6. Безопасность жизнедеятельности.......................................................... 51
6.1 Анализ условий труда работников .................................................... 50
6.2 Пожарная безопасность ...................................................................... 51
6.3 Расчет параметров микроклимата в помещении диспетчерской...
6.4 Расчет общего искусственного освещения....................................... 54
6.5 Вывод по разделу безопасности жизнедеятельности...................... 60
Заключение .................................................................................................. 63
Список литературы ..................................................................................... 64
Приложение А ............................................................................................. 65
1 Аналитический обзор современного состояния исследуемой
проблемы
«Умный дом» характеризуется наличием системы автоматизации.
Целью автоматизации здания является эффективное и безопасное
обслуживание всей техники помещения.
Автоматикой называется отрасль науки и техники, которая
рассматривает теорию автоматического управления, а также принципы
построения автоматических систем и образующих их технических средств.
Применение автоматизированного управления дает значительные
преимущества:
-дает возможность сосредоточить управление нескольким
автоматизированными насосами в одном пункте, что делает систему более
гибкой и надежной;
- повышает бесперебойность, четкость и надежность работы;
-снижает строительную стоимость, так как оборудование концентрируется на меньшей площади;
- снижает экономические расходы уменьшением числа обслуживающего
персонала, а также расходов на отопление и освещение помещений;
Введение автоматизации управления тепловыми насосами является
одним из важнейших направлений технического прогресса в области подачи и
отвода тепла в населенных пунктах и на промышленных предприятиях.
Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от
источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к
потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.
Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать),
то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается
в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление,
а летом на охлаждение здания. Очевидно, что теплонасос одновременно
может выполнять вытекающие функции - греть воду для горячего бытового
водоснабжения, кондиционировать через франкойлы, греть бассейн,
охлаждать например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда.
То есть одно оборудование может взять на себя все функции по тепло
холодоснабжению здания.
Идея теплового насоса была известна уже сто лет тому назад, но только
последние несколько лет соотношение цена - качество - надёжность достигло
необходимого для рынка уровня. Кроме того, с ростом цен на энергию и
большими требованиями к окружающей среде в мире, увеличилось
использование тепловых насосов в качестве отопительных систем в домах.
В Казахстане основным производителем тепловых насосов в течение
последних 15 лет является Усть-Каменогорский завод тепловых насосов.
Завод выпускает широкий спектр климатического оборудования и
вентиляционных установок. Дополнительный профиль завод это пусконаладка и монтаж систем холодо- и теплоснабжения, где используется
возобновляемая энергетика. Создание и проектировка источников холода и
тепла, происходит по разработанными профессионалами компании стандарту
Республики Казахстан СТ ТОО 39622717-001-2008. Сейчас завод занимает
первое место в Казахстане по числу установленных и реализованных
тепловых насосов.
На тепловых насосах автоматизируются: пуск и остановка агрегатов и
вспомогательных установок; контроль и поддержание заданных параметров
(например, уровня воды, подачи, напора и т. д.); прием импульсов параметров
и. передача сигналов в диспетчерский пункт. Для наблюдения за параметрами
работы служат различные датчики, которые преобразуют контролируемую
величину в электрический сигнал, поступающий в исполнительный механизм.
Датчик – это элемент автоматического устройства, контролирующий
колебания той или иной физической величины и преобразующий эти
колебания в изменения другой величины, удобной для передачи на расстояние
и воздействия на последующие элементы автоматических устройств. Для
реализации дипломного проекта потребуются датчики давления и
температуры.
В основе работы любых температурных датчиков, использующихся в
системах автоматического управления, лежит принцип преобразования
измеряемой температуры в электрическую величину. Это обусловлено
следующими достоинствами электрических измерений: электрические
величины универсальны , электрические величины удобно передавать на
расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью .
Для реализации дипломного проекта в качестве температурного датчика
были выбраны термоэлектрические преобразователи (термопары)
Рис. 1.4 - Термопара

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, и
суть его в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных
проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников
имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из
разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут
термо - ЭДС E(t) и E(t0), зависящие от температур этих спаев t и t0. Спай,
погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концом термопары, а другой
– свободным. Термопары позволяют измерять
температуру в диапазоне от –200 до 22000С. Наибольшее распространение
для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина,
платинородий, хромель, алюмель . Постоянная времени термоэлектрических
преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта
рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар
исчисляется в минутах.
Датчик давления — устройство, физические параметры которого
изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы,
пар). Датчик давления состоит из сенсора, модуля преобразования сигнала
сенсора, дисплея и корпуса. В настоящее время наиболее распространены
тензометрические сенсоры с металлической мембраной. Все более широкое
применение находят емкостные сенсоры с мембраной из сверхчистой
керамики (99,9% Al2O3), например, фирмы Endress+Hauser и
пьезорезистивные сенсоры фирмы Honeywell.
Принцип действия тензосенсоров с металлической мембраной основан
на измерении деформации тензорезисторов, сформированных в тонкой пленке
кремния на сапфировой подложке, припаянной твердым припоем к титановой
мембране. Несмотря на множество достоинств, таких как: высокая степень
защиты от воздействия агрессивных сред, высокая предельная температуры
измеряемой среды, низкая стоимость, отлаженное серийное производство
датчики давления с тензосенсорами и металлической мембраной имеют ряд
недостатков. В частности, неустранимую временную нестабильность
передаточной характеристики (давление-ток) и существенные гистерезисные
эффекты от воздействия давления и температуры. Это обусловлено
неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с корпусом
сенсора. При эксплуатации датчиков с сенсорами данного типа практически
всегда наблюдается эффект прямого и обратного хода.

1.1 Постановка задачи

Задачей проектирования данной дипломной работы является разработка
автоматизированной системы управления «климат-контроль» в «умном доме»
с использованием теплового насоса. Для реализации этой задачи требуется:
- произвести обзор различных типов и моделей тепловых насосов,
- выбрать модель теплового насоса, отвечающую требованиям
комфортных условий в «умном доме»;
- произвести обзор контроллеров различных фирм – производителей,
выбрать наиболее подходящий, обосновать свой выбор;
- разработать принципиальную схему автоматизации;
- разработать функциональную схему автоматизации;
- составить электрическую схему;
- визуализировать систему управления;
- разработать программный продукт
- произвести технико-экономический расчет и расчеты по безопасности
жизнедеятельности дипломного проекта.
2. Выбор оборудования
2.1 Обзор существующих видов кондиционеров

Крышные кондиционеры (руфтопы)
Крышный кондиционер или Roof-top (Руфтоп) - это моноблочная
холодильная машина, которая предназначена для установки на плоских
кровлях зданий. Если крыша имеет наклон, то кондиционер устанавливается
на специальных рамах, а так же возможна установка на земле. Преимущества
данного решения - отсутствие необходимости прокладки трубных линий
хладагента, позволяющее сократить время и стоимость монтажных работ,
полная заправка хладагентом на заводе-изготовителе, обеспечивающая
экологическую безопасность и энергетическую эффективность оборудования.
Крышные кондиционеры позволяют одновременно осуществлять вентиляцию
и регулировать температуру воздуха в помещении. Обычно применение
руфтопов наиболее эффективно для складских и производственны
помещений малой и средней площади, торговых залов магазинов,
супермаркетов, универсамов, больших вестибюлей, холлов, концертных и
конференц-залов, спортивных сооружений закрытого типа. Обеспечивая
подачу свежего воздуха и рециркуляцию, они являются эффективной и
недорогой альтернативой использования обычных сплит-систем или
центральных систем кондиционирования
Рис. 2.5 - Внешний вид крышного кондиционера

Шкафные кондиционер
Шкафный кондиционер представляет собой моноблок,который
предназначен для установки в помещении, где необходимо круглосуточно и
ежедневно регулировать чистот и температуру воздуха. Шкафные
кондиционеры очень просты в монтаже, и в обслуживания. Основные
компоненты кондиционера расположены во внутреннем блоке, доступ к
которым обеспечивается с лицевой стороны кондиционера.
Шкафные кондиционеры, в основном, применяются в киноконцертных залах,
производственных помещениях, вычислительных центрах.
Основная проблема в случае применения шкафных кондиционеров с
водяным охлаждением - необходимость использования системы оборотного
водоснабжения.
Рис. 2.6 - Внешний вид шкафных кондиционеров

Центральные кондиционеры
Центральные кондиционеры - это неавтономные кондиционеры,
снабжаемые извне холодом (подводом холодной воды или незамерзающих
жидкостей), теплом (подводом горячей воды или пара) и электроэнергией для
привода вентиляторов, насосов, запорно-регулирующих аппаратов на
воздушных и жидкостных коммуникациях и пр.
Центральные кондиционер используются для обслуживани
нескольких помещений или одного большого помещения. Иногда несколько
центральных кондиционеров обслуживают одно помещение больших
размеров: гостиницы, театральный зал, музеи, катки, закрытый стадион,
производственный цех.
Современные центральные кондиционеры выпускаются в секционном
исполнении и состоят из унифицированных типовых секций (трехмерных
модулей), предназначенных для регулирования, смешивания, нагревания,
охлаждения и перемещения воздуха
Рис. 2.7 - Внешний вид центрального кондиционера.

Наряду с существенными преимуществами, связанными с
возможностью эффективного поддержания заданной температуры, влажности
и подвижности воздуха в помещениях большого объема, центральные
кондиционеры имеют некоторые недостатки, основными из которых являются
необходимость проведения сложных монтажно-строительных работ,прокладка по здани
протяженных коммуникаций (воздуховодов и трубопроводов).Кондиционеры сплит-систем
Состоят из внутреннего испарительного блока и внешнего
компрессорно-конденсаторного блока.
Во внешнем блоке находятся вентилятор, компрессор и конденсатор.
Внешний блок устанавливается в местах, где горячий конденсатор может
продуваться атмосферным воздухом более низкой температуры, например, на
крыше, на стене здания, на чердаке или на балконе.

Внутренний блок монтируется в кондиционируемом помещении и
предназначен для нагревания или охлаждения воздуха и работают практиче-
ски бесшумно. Конструктивное и дизайнерское исполнение внутренних
блоков весьма разнообразно, что позволяет решать практически любые задачи
по кондиционированию помещений от 15 до 140 м2, учитывая при этом
интерьер помещений и индивидуальные требования потребителя.
Блоки между собой соединены двумя тонкими медными трубками в
теплоизоляции.

Главным преимуществом кондиционеров сплит-систем считается относительная простота конструкции, позволяющая при низкой стоимости
быстро и легко установить кондиционер.
Недостатком такого кондиционера является невозможность подачи в
помещение свежего воздуха. Только модели большой мощности и настенно-
потолочного типа позволяют организовывать подмес небольшого количества
свежего воздуха (до 10%).
Типология кондиционеров сплит-систем представлена на рисунке 1.1
Рис. 2.1 - Топология кондиционеров сплит-систем

Наибольшее распространение получили настенные кондиционеры, в
которых к одному наружному блоку подключается один внутренний блок.
При кондиционировании нескольких соседних комнат могут использоваться
модели, в которых к одному наружному блоку подключены два или более
внутренних блока - мульти-сплит-системы.
Рис. 2.2 – Мульти-сплит-система

Канальные кондиционеры
Канальный кондиционер состоит из двух блоков — внешнего и
внутреннего. Сплит-системы канального типа предназначены для установки
в квартирах и офисных помещениях большой площади.
Рис. 2.3 - Внешний вид канального кондиционера

Внутренние блоки сконструированы так, чтобы помещаться в
небольших пространствах за потолком. Канальный кондиционер позволяет
распределять охлажденный или нагретый воздух на большой площади, в том
числе на несколько помещений. Канальные кондиционеры имеют
возможность подмеса свежего воздуха и его централизованного увлажнения,
что особенно важно в современных квартирах, оборудованных
стеклопакетами и не оборудованных приточной вентиляцией.
Системы с чиллерами и фанкойлами
Они представляют собой центральную систему кондиционирования.
Системы с чиллерами и фанкойлами позволяют обеспечить независимое
регулирование температуры одновременно в большом количестве помещений.
Фанкойл - это агрегат, устанавливаемый в помещении и включающий
теплообменник с вентилятором, фильтр, пульт управления. Они могут
произвольно включаться и выключаться, изменяя свою холодо- или
теплопроизводительность.
Чиллер представляет собой законченную холодильную машину,
предназначенную для охлаждения жидкости. Некоторые модели чиллеров
могут работать в режиме теплового насоса. В этом случае возможен подогрев
помещений.....