Климат-контроль

Не секрет, что человек стремится к комфорту. И непременная составляющая комфорта – микроклимат в доме (квартире, офисе).

За улучшение климатических условий в современных помещениях «отвечает» множество инженерных систем. Обогрев в зимой, и в межсезонье обеспечивает система отопления, а также разнообразные отопительные приборы – теплые полы, конвекторы, обогреватели и тому подобное. Подачей свежего и удалением использованного воздуха «занимаются» системы вентиляции. Охлаждают воздух кондиционеры. Очистка воздуха – функция уловителей (фильтров). Есть ещё увлажнители и осушители воздуха, ароматизаторы, местные (потолочные, настольные и напольные) вентиляторы, создающие локальные потоки воздуха. И это отнюдь не всё оборудование, так или иначе влияющее на микроклимат.

Как минимум, вентиляция, кондиционирование и отопление есть в любом доме.

Часть этих систем – пассивная, то есть в принципе не имеет управления (например, пассивная вентиляция). Другая часть включается и выключается вручную. Но есть системы и приборы, которые снабжены средствами управления. Это кондиционеры, тёплые полы, конвекторы. Однако управляются они локальными, не связанными друг с другом контроллерами.

И зачастую возникает знакомая многим ситуация, когда отопление старательно греет воздух, а кондиционер из последних сил этот воздух охлаждает.

Понятно, что для эффективного управления климатом, как минимум, необходимо согласованное управление отоплением и управление кондиционерами.

Автоматизированная система управления Умный Дом наряду с многими другими функциями осуществляет управление микроклиматом в помещениях дома, то есть выполняет функцию климат-контроля.
Климат-контроль реализуется подсистемой управления климатом, о которой и пойдёт речь ниже.

Назначение подсистемы

Действуя по заложенным алгоритмам, подсистема управления климатом обеспечивает комфортные климатические условия в присутствии человека. А в его отсутствие подсистема поддерживает условия, оптимальные с точки зрения экономии ресурсов и сохранности оборудования и инженерных сетей. При работающем климат-контроле в жаркую погоду в доме царит приятная прохлада, а зимой – не менее приятное тепло. В разных помещениях (спальне, гостиной, тренажерном зале, оранжерее, винном погребе) поддерживается разный микроклимат.

Управление климатом, как и другие функции Умного Дома, как правило, осуществляется по различным сценариям – «Утро», «День», «Семейный ужин», «Гости» и другие. Сценарий выбирается по команде пользователя системы либо по заданному алгоритму.

Вместе с тем, подсистема допускает раздельное дистанционное управление кондиционерами, управление отоплением, управление вентиляцией с пульта или панели дистанционного управления.

Кроме того, возможно не зависящее от чисто «климатических» сценариев автоматическое управление, например, управление системой вентиляции по сигналам от датчиков дыма.

Климатические параметры

Климат-контроль подразумевает управление многими климатическими параметрами:

  • температурой воздуха,
  • влажностью воздуха,
  • ионизацией воздуха,
  • запылённостью воздуха,
  • кратностью обмена воздуха,
  • температурой полов,
  • температурой воды в бассейне,
  • влажностью почвы в зимнем саду и на участке,
  • инсоляцией (солнечным освещением – при избытке закрываются шторы или жалюзи)

и так далее. Кроме того, подсистема управления климатом может контролировать наличие вредных и опасных факторов:

  • задымлённости воздуха,
  • наличия в воздухе угарного газа (окиси углерода).

Наконец, подсистема контролирует состояние оборудования – кондиционеров, котлов, систем отопления и вентиляции. Естественно, выбор управляемых и контролируемых параметров осуществляется индивидуально при проектировании автоматизированной системы Умный Дом.Как минимум, климат-контроль обеспечивает поддержание температуры воздуха на заданном уровне, управление кондиционерами и (там, где это возможно) управление отоплением.

Климатическое зонирование

На этапе проектирования в доме (квартире, офисе) выделяются отдельные климатические зоны. Например, Спальня, Гостиная, Столовая, Кухня, Прихожая, Зимний сад и прочие. Для каждой зоны задаётся набор режимов (сценариев), а для каждого сценария устанавливаются определённые значения управляемых и контролируемых параметров. При необходимости также задаётся изменение параметров во времени. Например, для зоны Спальня сценарий Утро может иметь параметры: температура воздуха +22°С, влажность воздуха от 45 до 60%, проветривание при температуре наружного воздуха от +5 до +25°С в течение 5 минут, жалюзи открыты, трехкратный воздухообмен, включение музыки – в 7:00, громкость 60дБ и так далее.

Выбор того или иного исполняемого подсистемой управления климатом сценариев для каждой зоны осуществляется автоматически (например, по дате, дню недели, времени суток, сезону) или вручную.

Функциональная схема

Как и любая другая автоматизированная система управления, Умный Дом представляет собой аппаратно-программный комплекс и состоит из устройств администрирования, центрального контроллера управления и нескольких локальных контроллеров (регуляторов) со своими датчиками и исполнительными механизмами. Обычно число локальных контроллеров (регуляторов) соответствует числу локальных объектов управления. Например, три установленных в доме кондиционера имеют три локальных контроллера управления кондиционерами. А отопительная система с двумя стоящими рядом котлами обслуживается одним контроллером управления отоплением.
Обмен данными между элементами автоматизированной системы осуществляется с помощью локальной сети передачи данных. В зависимости от применяемого типа сети, управление работой сети осуществляется сетевым контроллером либо, как в случае Ethernet, включенными в сеть коммутаторами. Локальная сеть передачи данных подключается к внешним телекоммуникационным сетям через граничный маршрутизатор, обеспечивающий защиту от несанкционированного доступа.

Рис.1. - Типичная функциональная схема автоматизированной системы управления Умный Дом.

Объекты управления

Объектами управления подсистемы климат-контроля являются системы отопления и вентиляции, кондиционеры, различного рода нагреватели, увлажнители, ионизаторы, механизмы управления окнами и жалюзи и тому подобное. То есть инженерные системы, механизмы и устройства, оказывающие управляемое воздействие на климатические параметры. Основными характеристиками объектов с точки зрения управления являются коэффициент передачи, инерционность и транспортное запаздывание. Чтобы пояснить эти термины рассмотрим пример. Объект управления – автономная система отопления с газовым котлом. Регулируемым параметром системы является температура возвращаемой из системы в котёл воды. Если мы увеличим подачу газа в горелку на 10% и через какое-то время температура увеличится на 15 градусов и дальше изменяться не будет, коэффициент передачи составит 1,5°С на 1% изменения расхода газа. Инерционность определяется как время с момента подачи газа в горелку до момента достижения температурой «обратки» 90% разницы между первоначальным и установившимся значением. Обычно это десятки минут. Транспортное запаздывание – это время с момента изменения подачи газа до начала изменения температуры «обратки». Значения этих характеристик используются при настройке автономного регулятора.


Датчики

Управление климатическими параметрами осуществляется на основании показаний датчиков температуры, влажности, состава и скорости движения воздуха, а в необходимых случаях, ещё и датчиков освещённости (инсоляции), открытия окон и дверей, датчиков дыма и других. Датчики управления климатом располагаются в разных помещениях в местах, позволяющих получить характерные для каждой климатической зоны данные, а также на улице. Информация от датчиков поступает на локальные контроллеры (регуляторы), к которым эти датчики непосредственно подключены. Кроме того, локальные контроллеры используют информацию, получаемую от датчиков, расположенных непосредственно на объектах управления и от исполнительных механизмов, например, данные о температуре теплоносителя в системе отопления, мощности, потребляемой тем или иным сегментом тёплого пола, состоянии вентиляторов и шиберов вентиляционной системы, режимах работы кондиционеров и многое другое.

Исполнительные механизмы

Исполнительные механизмы климат-контроля – это устройства, оказывающие непосредственное воздействие на объекты управления. К ним относятся приводы вентиляторов, клапаны, шиберы, задвижки, электронные выключатели, регуляторы напряжения, электромагниты и тому подобное. Исполнительные механизмы устанавливаются непосредственно на объектах управления и управляются локальными контроллерами (регуляторами). Примером исполнительных механизмов могут служить термоэлектрические и моторные сервоприводы немецкой фирмы «Овентроп», применяемые для автоматизации управления радиаторами отопления. В примере с автономной системой отопления это управляемый вентиль подачи газа в горелку котла.

Локальные контроллеры (регуляторы).

Локальные контроллеры (регуляторы) управления климатом осуществляют управление соответствующими объектами через исполнительные механизмы в соответствии с показаниями датчиков. Функциональная схема регулятора приведена на рис.2. Локальные контроллеры располагаются в непосредственной близости от объектов управления. Например, контроллер управления системой отопления располагается в котельной, а контроллер управления кондиционером – непосредственно в корпусе кондиционера. Чтобы разобраться, как действуют локальные контроллеры (регуляторы), посмотрим, как изменяются регулируемые параметры в процессе работы.

Рис.2. - Функциональная схема локального контроллера (регулятора).

Задатчики

Прежде всего, регулятор «должен знать, к чему стремиться». Иными словами, регулятору нужно задать величину регулируемого параметра, которую должен поддерживать объект управления. Например, температуру теплоносителя на входе в отопительную систему. В подсистеме климат-контроля этот параметр обычно задаётся центральным управляющим контроллером. На функциональной схеме контроллера (рис.2) задание параметра обозначено стрелкой «Команда».

Регулирующее воздействие

Регулятор, сравнивая показания датчиков с заданной величиной параметра, вырабатывает управляющее воздействие, которое через исполнительный механизм изменяет состояние управляемого объекта таким образом, чтобы параметр достиг заданной величины. Например, при заданной температуре теплоносителя на выходе из отопительной системы 80°С датчик показывает 55°С. Регулятор, вычислив отклонение с помощью суммирующего элемента, обозначенного значком ∑, рассчитывает в соответствии с заложенной программой необходимое управляющее воздействие и передаёт полученное значение на исполнительный механизм. В нашем случае – приоткрывает вентиль подачи газа в горелку нагревательного котла и температура повышается. Скорость и точность достижения заданной величины будет зависеть от алгоритма управления (закона регулирования). В контроллере, схема которого приведена на рис.2, предусмотрены программные блоки пропорционального (П), интегрального (И) и дифференциального (Д) регулирования. Соответственно, контроллер, в зависимости от настроек, может осуществлять пропорциональное (П), интегральное (И), пропорционально-интегральное (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование.

Переходные процессы

Изменение регулируемого параметра в процессе достижения заданной величины называется переходным процессом. Продолжительность переходного процесса и точность достижения заданного значения определяются качеством регулятора. Обычно продолжительность переходных процессов в системах управления отоплением составляет десятки минут. Сравним переходные процессы управления одним и тем же объектом регулятором, использующим разные алгоритмы (законы) регулирования. Объект имеет транспортное запаздывание около 4 минут, что видно на всех графиках.

Рис.3. - График переходных процессов пропорционального регулятора.

Это наиболее простой тип регулятора. Три графика, приведённые на рисунке, построены для трёх различных коэффициентов передачи (усиления) регуляторов: К1>K2>K3. Из рисунка видно, что чем меньше коэффициент передачи, тем более плавным оказывается переходный процесс, но тем больше статическая ошибка и тем длительнее переходный процесс. С увеличением коэффициента передачи статическая ошибка уменьшается и длительность переходного процесса сокращается. Однако при этом увеличивается величина перерегулирования (область кривой над уровнем заданной величины) и возрастает риск потери устойчивости и перехода в режим генерации. В режиме генерации значение регулируемого параметра колеблется вокруг заданного уровня с большой амплитудой. График переходного процесса в этом режиме представляет не затухающую синусоиду. Наличие статической ошибки и риск потери устойчивости ограничивают применение пропорциональных регуляторов.

Рис.4. - График переходных процессов интегрального регулятора.

На графике представлены переходные процессы интегрального регулятора с различными настройками периода интегрирования: T1<T2<T3. В отличие от пропорционального регулятора интегральный регулятор не имеет статической ошибки и не подвержен риску потери устойчивости. Но при этом существенно возрастает длительность переходного процесса.

Рис.5. - График переходных процессов пропорционально-интегрального регулятора.

На рисунке представлены графики пропорционально-интегрального регулятора, имеющего для удобства сравнения те же значения коэффициента передачи К1, К2 и К3, как в случае пропорционального регулятора и период интегрирования Т2, как в случае интегрального регулятора. Легко видеть, что длительность переходного процесса сократилась, но увеличилось перерегулирование.

Рис.6. -  График переходных процессов пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора.

Настройки коэффициента передачи и периода интегрирования оставлены, как для случая ПИ регулятора, а настройка дифференциального блока сделана одинаковой для всех трёх кривых и оптимальной для выбранного объекта управления. Из сравнения графиков видно, что ПИД регулятор значительно сокращает перерегулирование и длительность переходного процесса.

Архитектура

Подсистема климат-контроля, будучи частью системы Умный Дом, имеет трехуровневую структуру:

  1. Нижний (локальный) уровень – это датчики, исполнительные устройства, локальные контроллеры, его мы рассмотрели достаточно подробно;
  2. Средний (управляющий) уровень – это центральный контроллер, а также средства связи, объединяющие центральный контроллер с локальными контроллерами с одной стороны, и с панелями управления, пультами и другими устройствами административного уровня, с другой стороны;
  3. Верхний (административный) уровень – это различные средства контроля и управления со стороны пользователей системы.

Рис.7. - Архитектура автоматизированной системы управления Умный Дом.

Управляющий уровень

Центральный контроллер автоматизированной системы Умный дом представляет собой компьютер с соответствующим программным обеспечением. Центральный контроллер собирает с локальных контроллеров данные о климатических параметрах и состоянии объектов управления, формирует в соответствии с исполняемыми сценариями и задаёт локальным контроллерам регулируемые параметры, передаёт на административный уровень запрошенную информацию, принимает с административного уровня и исполняет управляющие команды, отрабатывает возможные аварийные ситуации.

Административный уровень

Для обеспечения контроля микроклимата любой климатической зоны дома из любой точки внутри доме и за его пределами, на административном уровне Умного Дома используются самые разные устройства.

Это могут быть специализированные устройства – сенсорные экраны, комплексные пульты, настенные и носимые панели.

Для этих же целей может использоваться обычный компьютер со специальной программой, включенный в локальную сеть Умного дома непосредственно через Интернет.

Наконец, вы можете послать управляющую команду с помощью простой SMS со своего сотового телефона.

Как это работает

Рассмотрим для примера, как отрабатывает климат-контроль ситуацию с повышением температуры  в той или иной зоне. Прежде всего, автоматически включается управление кондиционерами, которые быстрее справится с  задачей. Кондиционеры сразу начинают охлаждать воздух, приводя его температуру к заданной величине. Одновременно включается и управление отоплением. Система отопления получает команду на снижение температуры радиаторов в зоне. По мере снижения температуры радиаторов работа кондиционеров прекращается.

Другой пример: при резком похолодании на улице, Умный Дом переведёт кондиционеры в режим теплового насоса (обогревателя), а также подаст команду на максимальное повышение температуры радиаторов отопления. При достижении заданной температуры воздуха, подсистема управления климатом снизит температуру радиаторов до необходимого для поддержания нужной температуры уровня, а кондиционеры отключит.

В обоих случаях климат-контроль сначала обеспечивает скорейшее восстановление заданной температуры, а затем переходит в наиболее экономичный режим.

И в любом случае Умный Дом исключит упомянутую в начале статьи ситуацию, когда кондиционеры охлаждают воздух, нагреваемый радиаторами отопления, бессмысленно расходуя электроэнергию на компенсацию столь же бессмысленного расходования топлива отопительным котлом.

К тому же, в ваше отсутствие инженерные системы будут потреблять минимум энергии, а к вашему прибытию (по команде SMS) восстановят комфортные условия.

Итого

Итак, что же даёт Умный Дом?

Прежде всего, комфорт, домашний уют, который не обеспечат сами по себе никакой дизайн и никакая мебель. То качество жизни, ради которого имеет смысл потратиться.

Кроме того, климат-контроль даёт экономию, вполне ощутимую при нынешних ценах энергоносителей. Если к тому же учесть, что с ростом популярности и всё более широким распространением систем управления климатом в доме цены оборудования существенно снизились, а цены энергоносителей неуклонно растут, очевидно, что расходы окупятся в обозримом будущем.

И, наконец, Умный Дом даёт вам в руки полный, оперативный и весьма удобный контроль над всеми домашними системами и оборудованием, причём не только когда вы дома, но и, что более важно, когда вы вдали от дома.

Дополнительно по теме