HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Institutt for elektroteknikk 7004 TRONDHEIM Prosjekt Oppgavens tittel: Behovsstyrt ventilasjon Fag: PO501E Hovedprosjekt i Automatiseringsteknikk Gruppedeltakere: Pål Jacob Nessjøen Sindre Rynning Hansen Stian Bueide Gitt dato: 12.01.04 Innlevings dato:13.05.04 Antall sider:52 Veiledere: Arnfinn Hofstad Institutt/studieretning: Automatiseringsteknikk Prosjektnummer: 72 Oppdragsgiver: Høgskolen i Sør-Trøndelag. Program for maskinteknikk og logistikk. Kontaktperson hos oppdragsgiver: Finn Drangsholt Fritt tilgjengelig X Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver Rapporten frigitt etter 18.05.04
Forord. I vårsemesteret i tredje klasse ved studieretning for automatiseringsteknikk blir det gjennomført et avsluttende hovedprosjekt. Dette prosjektet kjøres for at studentene skal få erfaring i å gjennomføre et større prosjekt. Prosjektet gir 18 studiepoeng, og strekker seg over hele vårsemesteret (fra 12.januar til 13. mai). Prosjektet avsluttes med en prosjektrapport og en muntlig eksaminasjon. Prosjektgruppe 72, som består av Pål Jacob Nessjøen, Stian Bueide og Sindre Rynning Hansen, valgte hovedprosjekt innen behovsstyrt ventilasjon. Prosjektet ble gitt av Finn Drangsholt ved program for maskinteknikk og logistikk. Rapporten er rettet mot lesere som har teknisk bakgrunn. For å ha fullt utbytte av rapporten er det en fordel å ha litt kjennskap til ventilasjonssystemer, regulering og LabVIEW - programmering. En del ord og uttrykk som ikke er selvforklarende er forklart i et eget kapittel (Kap.1). Rapporten er levert med en del vedlegg. Disse vedleggene bør leses ved videre jobb med prosjektet, men for å få en forståelse av hva som er gjort, skal det være nok å lese rapporten. Rapporten med vedlegg og programmer (reguleringsprogram og beregningsprogram i LabVIEW) er levert på CD. Vi vil takke oppdragsgiver Finn Drangsholt, laboratorieingeniør Morten Uv og Arnfinn Hofstad, for veiledning og hjelp i løpet av prosjektet. En spesiell takk rettes til Finn Drangsholt og Morten Uv som har ordnet med resurser og utstyr til prosjektet. Vi vil også takke teknisk rådgiver Morten Christian Svensson, for gode innspill i prosjektets startfase. Behovsstyrt ventilasjon i
Sammendrag. Målet med prosjektet var å konstruere, instrumentere og ferdigstille et ventilasjonsanlegg fullautomatisert, det vil si at alt skulle kunne styres fra en PC. Anlegget skulle instrumenteres med spjeldmotorer, volumstrømmålere og frekvensomformere. Alle styrbare komponenter skulle kobles opp mot LabVIEW ved hjelp av FieldPoint-moduler. Selve reguleringen og styringen av riggen skulle programmeres i LabVIEW. Ved prosjektets start hadde vi noe av utstyret vi trengte, men det meste av utstyret ble kjøpt eller lånt under prosjektets periode. Det skulle også lages en hjemmeside for prosjektet der interesserte kunne finne informasjon om prosjektet. En komplett systemløsning for behovsstyrt ventilasjon innebærer: Detektering av luftbehov i rommene. Reguleringssystem for å fordele luften til rommene. System for å fordele frisk luft inne i rommene. I dette prosjektet er det sett nærmere på hvordan en skal få luft fordelt, etter ønske, til rommene. Da prosjektet startet eksisterte det løsninger for dette problemet. Disse løsningene er ikke optimal med hensyn på ENØK, og er relativt dyre. Det ble satset på to forskjellige strategier for å forsøke å løse denne problemstillingen på en bedre måte. Strategiene har to helt forskjellige utgangspunkt, der den ene går ut på å regulere systemet etter et reguleringsprinsipp som kalles HighSelect. Den andre benytter estimering av kanalnettet for å beregne hvordan en skal oppnå ønskede luftfordeling, denne strategien kalles i dette prosjektet for styring. For å kunne prøve ut begge strategiene har det i løpet av prosjektet blitt bygd en testrigg. Denne testriggen ble bygd slik at en får gjengitt de fleste av de utfrodringene en vil oppleve i et reelt ventilasjonsanlegg. Gruppen har fått begge strategiene til å fungere på testriggen. De to strategiene har forskjellig egenskaper som gjør de har hver sine fordeler og ulemper. Regulering med HighSelect krever et veldig instrumentert anlegg for å løse problemet. Denne strategien har mange fellestrekk med tidligere løsninger. Men på grunn av strategiforskjell, vil den ha høyere ENØK - besparelser. Styring-metoden løser problemstillingen på en helt annen måte enn tidligere løsninger. Denne strategien krever veldig lite instrumentering, en får fordelt luften til de forskjellige rommene som ønsket, men ikke med like høy nøyaktighet som når en regulerer. Gruppen ser gjerne at det arbeidet som er gjort i dette prosjektet blir videreført, spesielt utprøving av styringsstrategien på et større anlegg. Behovsstyrt ventilasjon ii
Innholdsfortegnelse Innledning.... 1 1 Defenisjoner og begreper... 2 2 Gruppens deltagere... 3 3 Systembeskrivelse... 4 3.1 Problembeskrivelse... 5 4 Testrigg... 6 4.1.1 Spjeld/spjeldmotor... 7 4.1.2 Volumstrømmålerne... 8 4.2 Elektrisk oppkobling... 12 4.3 Kommunikasjon mellom PC og FieldPoint-moduler... 14 5 Regulering... 15 5.1 Valg av reguleringsstrategi... 16 5.1.1 Kort om HighSelect reguleringsstrategien.... 16 5.1.2 Oppdelig i tre reguleringssløyfer... 16 5.2 Forklaring av HighSelect.... 20 5.3 Oppkobling av et komplett system... 22 5.4 Regulatorene... 23 5.4.1 Regulatortype.... 23 5.4.2 Regulatorparametrene.... 24 5.5 Reguleringsprogrammet.... 25 5.5.1 Brukergrensesnittet... 25 5.5.2 Funksjoner til reguleringsprogram... 26 5.5.3 Muligheter for flere funksjoner i reguleringsprogram.... 27 5.6 Resultat... 28 5.7 Konklusjon.... 30 6 Styring.... 31 6.1 Trykkfordeling i kanalnett... 32 6.2 Beregninger.... 35 6.3 Brukergrensesnittet... 40 6.4 Resultat... 42 6.5 Konklusjon.... 44 7 Prosjektstyring... 45 7.1 Prosjektets mål.... 45 7.2 Ansvar og tidsforbruk... 45 7.3 Gruppesamarbeid... 47 7.4 Konklusjon... 47 8 Sammenligning av strategiene... 48 9 Videreføring av prosjektet... 49 10 Konklusjon...50 11 Litteraturliste... 51 12 Vedleggsliste... 52 Behovsstyrt ventilasjon iii
Innledning. Hovedprosjektet er gitt av Finn Drangsholt ved program for maskinteknikk og logistikk. Oppgaven er behovsstyrt ventilasjon ( Demand and Control Ventilation, DCV). Årsaken til at behovsstyrt ventilasjon blir mer i søkelyset nå, er grunnet lovendringer som begrenser hvor mye energi per kvadratmeter som er lovlig i nye bygg. Høyere energipriser og mer miljøbevissthet, har også bidratt til økt fokus på emnet. I dagens bygg er det nesten utelukkende CAV (Constant Air Volum) ventilasjonsanlegg, det vil si at luftmengden er beregnet ut fra normalbelastningen til hvert enkelt rom. Dette er ikke energieffektivt, verken for oppvarming, eller når det gjelder energien brukt for å transportere luftmengden. Samtidig betyr dette at en leverer luft til rom som ikke er i bruk. Alt etter hvilket bygg det er snakk om, kan det her være store muligheter for energisparing. I bygg med lav samtidsfaktor (sannsynlig andel rom i bruk til en hver tid) vil det være et stort potensial for energisparing. Feil! Fant ikke referansekilden. er hentet fra referanse KTsensor-1, som viser hvor mye firmaet KT Sensor, har regnet seg frem til i energisparing ved forskjellige samtidsfaktorer. Tabell 0-1 Enøk gevinst ved behovsstyring. S-faktor Uten varmegjenvinning Med varmegjenvinning 1,0 0 % 22 % 0,9 18 % 37 % 0,8 33 % 51 % 0,7 46 % 61 % 0,6 57 % 70 % 0,5 67 % 78 % Tabellen antyder hvilken ENØK - innsparing som kan oppnås ved full behovsstyring av ventilasjonen, både med og uten varmegjenvinning. For mer nøyaktige beregninger kreves bedre informasjon om hvordan energibruken fordeler seg i en aktuell bygning. Regulering av ventilasjonsanlegg er noe avansert reguleringsteknisk problem, fordi disse anleggene er multivariable. Det vil si at en forandring i en del av anlegget, vil påvirke alle tilstandene(i dette tilfellet luftstrømmene) i hele anlegget. Det har vært noe forskning på ventilasjonsregulering fra før, mesteparten gjort av VVSingeniører. Dette har ført til løsninger som fungerer, for eksempel VAV - systemet (Variable Air Volume), men som ikke er optimale og som har høye instrumenteringskostnader. Oppdragsgiver hadde derfor ønske om at personer med elektrobakgrunn og bedre kjennskap til regulering, skulle se på problemet. Gruppen har i dette hovedprosjektet sett på nye metoder å behovsstyre et ventilasjonsanlegg. Der det er sett på mulighetene for bedre regulering med optimal ENØK - gevinst, og en løsning der en estimerer anleggets kanalnett som gir optimal besparelse både på instrumentering og ENØK. Behovsstyrt ventilasjon 1
1 Defenisjoner og begreper. LabVIEW - Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench. Leveres av National Instrument. Programmeringsspråk basert på grafisk programmering. AutoCAD Tegneprogram for teknisk tegning. PC-ene her på skolen har AutoCAD LT (Light versjon) installert. Tekniske tegninger av riggen er/blir tegnet i AutoCAD. VAV Variable Air Volume (Variabel Luft Strøm) VVS Varme Ventilasjon Sanitær DCV Demand and Control Ventilation CAV Constant Air Volum FieldPoint Kommunikasjons enhet mellom pc og prosess. (I/O enhet). LabVIEW brukes for å styre modulene, FieldPoint lages av National Instrument. IML Institutt for Maskinteknikk og Logestikk, har byttet til Program Maskinteknikk og Logestikk IET Institutt for ElektroTeknikk, har byttet til Program Elektro- og datateknikk. AFT Avdeling for teknologi ved Høgskolen i Sør-Trøndelag (HiST). ENØK energiøkonomisering, samlebegrep for tiltak som gjør det mulig å dekke energibehovet til lavere (samfunnsøkonomisk) kostnad. Oftest brukt om tiltak som reduserer selve energibehovet, f.eks. bedre isolering av bygninger. Bernoulis ligning Bernoulis ligning for strømmende fluider og gasser 2 2 p1 v1 p2 v2 + + gz1 = + + gz2 ρ 2 ρ 2 hvor p er trykk, ρ er mediets tetthet og v er hastighet. Indeksene ( )1 og ( )2 representerer henholdsvis tilstanden før og etter retardasjon av mediet. PID Regulator Regulator med Proporsjonal forsterkning, Integrasjonstid og Derivatorvirkning Behovsstyrt ventilasjon 2
2 Gruppens deltagere Sindre Hansen Alder:26 Mail: sindrehansen@hotmail.com Tidligere utdanning/erfaring: Fagbrev Audio - video. Jobbet 2 år som Audio/video service tekniker. Førstegangstjeneste. Våpen assistent på F5 jagerfly. Teknisk fagskole data. Elektrolinje ved HiST - Avdeling for Teknologi. Stian Bueide Alder: 25 Mail: s_bueide@hotmail.com Tidligere utdanning/erfaring: Fagbrev automatikkmekaniker. Førstegangstjeneste. Elektrolinje ved HiST - Avdeling for Teknologi. Pål Jacob Nessjøen Alder: 22 Mail: paljacob@msn.com Tidligere utdanning/erfaring: Elekro GK/ElektronikkVK1 Førstegangstjeneste. Elektrolinje ved HiST - Avdeling for Teknologi. Behovsstyrt ventilasjon 3
3 Systembeskrivelse Målet med dette prosjektet var å finne nye og bedre måter å fordele luften i et ventilasjonsanlegg. I et ventilasjonsanlegg har en vifter som sørger for forflyttning av luft gjennom et rørsystem(kanalnett). Kanalnett sørger for å transportere den luften som viftene leverer, ut til de forskjellige rommene. For å styre hvor mye luft som blir transportert til hvert enkelt rom, har en spjeld i kanalnettet, som stenger eller åpner for luftstrømmene. For å vite hvor mye luft som går til hvert enkelt rom har en volumstrømmålere. Figur 3-1 Enkelt ventilasjonssystem For å styre et behovsstyrt ventilasjonsnett må en i tillegg ha komponenter for overvåking, styring av luftstrømmen, og et program som er selve hjernen i systemet. Overvåkingsenhetene i dette systemet er volumstrømmålere og spjeldposisjonsgivere, styreenhetene (aktivatorene) er spjeldmotorer og vifter. For å oppnå kommunikasjon mellom programmet (hjernen) og prosessen trengs en tolk som kan kommunisere med begge deler av systemet, programmet på den ene siden og overvåking komponenter, styreenheter på den andresiden. I Figur 3-2 er flytskjema for systemet gruppen brukte. Figur 3-2 Flytskjema Behovsstyrt ventilasjon 4
3.1 Problembeskrivelse Systemet skal reguleres slik at alle rommene får den volumstrømmen som er ønsket og det totale trykkfallet over alle spjeldene skal være minste mulige. Det vil si at viften skal gå på minste mulige hastighet. Systemet er et stabilt multivariabelt system. Systemet kan sammenlignes med vanntilførselen i et hus. Hvis du dusjer og en annen tapper vann på kjøkkenet vil trykket på vannstrålen din bli mindre. I dette systemet kan en tenke seg at det er fem som dusjer og trykket inn til huset er justerbart. En hver forandring i en del av systemet vil få konsekvenser i hele systemet. I dette prosjektet er det ikke sett på hvordan ønsket volumstrøm til hvert enkelt rom blir detektert og heller ikke hvordan luften sprer seg i rommene. Behovsstyrt ventilasjon 5
4 Testrigg. For at gruppen skulle få testet de to strategiene regulering og styring (se Kap 5 og 6), valgte gruppen å sette opp en testrigg. I dette kapittelet beskrives testriggen og de komponentene denne er bygd opp av, slik at en får en oversikt over systemet og tankegangen bak hvorfor den er bygd som den er. Testriggen skal representere et virkelig ventilasjonsnett, og er bygd med tanke på det. Ventilasjonsriggen er bygd opp med fem rom, tilluft, fraluft, to vifter og spjeld i forskjellige deler av kanalnettet. Rommene er bygd av kryssfiner og er kubiske i form, dette for å få mest 3 volum i forhold til areal (materiale). Rommene er bygd like store og er på ca 1,72 m. Rommene er lagd med et lokk, slik at en kan bestemme om rommet skal være tett eller ikke. Alle rommene har både tilluft og fraluft, det vil si at det blåses luft inn i rommene, og det suges luft ut av rommene. Det er derfor bygd opp med to separate ventilasjonskanalnett som hver har sin vifte, viftehastighetene er styrt av frekvensomformere. Kanalnettene for til- og fraluft er bygd forskjellige. Dette er gjort for å best mulig representere et reelt ventilasjonskanalnett. Figur 4-1 3D tegning av testriggen. Det er montert et spjeld på tilluften og et på fraluften til alle rom (romspjeld). Det er i tillegg montert et grenspjeld som er plassert før tilluftspjeldene og et grenspjeld som er plassert etter fraluftspjeldene på de tre rommene i midten, rom 2, 3 og 4. I prinsippet er det ikke nødvendig med et grenspjeld for å justere inn ønsket luftstrøm. Hensikten med grenspjeld er å redusere luftstrømshastigheten forbi romspjeldene. Dersom denne hastigheten blir for høy, vil en få luftsus og støy (plystring) inne i rommene. Det monteres ofte en lyddemper etter grenspjeldet for å fjærene lyd som skapes av økt fart på luften ved innsnevrede spjeldet. Støyen fra viften blir også redusert i lyddemperne. Det er heller ikke ønskelig å regulere volumstrøm i området hvor spjeldet er nesten stengt, fordi i dette området er karakteristikken til spjeldet sterkt ulineært. Behovsstyrt ventilasjon 6
4.1.1 Spjeld/spjeldmotor Spjeldenes posisjon styres av en spjeldmotor (LM24SR). I motoren er det innebygd en P- regulator, derfor er signalet til spjeldmotoren settpunkt for ønsket posisjonen til motoren/spjeldet. Signalområdet for motorens settpunkt, er fra 2-10V, det vil si 2V er den ene endeposisjonen (i vårt tilfelle stengt) og 10 V er den motsatte posisjonen (åpen). For mer informasjon om oppsetet av spjeldmotor og kalibrering se vedlegg 1. Figur 4-2 Motor med P-regulator. I denne rapporten blir det brukt prosent for posisjonen til spjeldet, 0 % er stengt (ikke noe luft går gjennom) og 100 % er helt åpent (minimalt trykkfall over spjeldet). På spjeldene er det montert en gummilist rundt kanten av spjeldet, den er der for at det skal være helt tett når spjeldet er 0 % åpent. Det finnes forskjellige type spjeld: perforerte spjeld, spjeld med tetningslist og spjeld uten tetningslist. Tetningslist ble valgt for å kunne regulere hele området. Spjeldenes diameter er forskjellig ettersom hvor de er montert, det er montert spjeld i Ø100mm, Ø160mm og Ø200mm dimensjoner, motorene er av samme type på alle spjeldene. Motoren bruker ca 2 min fra den ene endeposisjonen til den andre. Dette er med på å begrense hvor raskt systemet kan bli. Figur 4-3 Spjeld med motor. Behovsstyrt ventilasjon 7
4.1.2 Volumstrømmålerne For å vite hvor mye luft som går i de forskjellige delene av ventilasjonssystemet, må det monteres volumstrømmålere. Det er montert en volumstrømmåler på tilluft, og en på fraluft til hvert rom. Måten volumstrømmen blir målt er ved å montere en blende og en differensialtrykkmåler. Blenden som vist i Figur 4-4 skaper trykkdifferanse. Størrelsen på blenden vil variere med rørdimensjon. Trykket ved hullet i fremkant av blenden (dynamisk trykk) varierer med farten på luften som treffer blenden. Hullet bak (statisk trykk) er trykket i kanalen. Ved å se på differansen mellom det statiske og dynamiske trykk kan en regne ut volumstrømmen. Figur 4-4 Måleblende. Blendene er plassert i en avstand, minimum fem ganger rørdiameter, fra bend eller forgreninger. Etter spesifikasjonene fra leverandør, skal en da kunne oppnå en målenøyaktighet på 5 % av virkelig volumstrøm. For å måle trykket skapt av måleblendene, ble det benyttet differansetrykkmålere av typen Calair-PS, se Figur 4-5. Denne måleren omformer trykksignalet til et 0-10 V DV signal. Måleren har mulighet til å forandre måleområde, det sitter en bryter inne i måleren hvor det er mulig å velge mellom 0-100 Pa, 0-500 Pa og 0-1000 Pa. Hvilket område en skal velge avhenger av hvilken luftstrømshastigheter en ønsker i kanalene. Trykkområdene på testriggen er: Ø100 blende: 0-500 Pa Ø160 blende: 0-100 Pa Ø200 blende: 0-500 Pa Ved disse innstillingene kan en måle volumstrøm gjennom kanalene i disse områdene: Ø100 kanal: 30-100 [l/s] Ø160 kanal: 40-130 [l/s] Ø200 kanal: 100-350 [l/s] Behovsstyrt ventilasjon 8
En har en grense for hvor lave volumstrømmer en kan måle. Dette fordi en kvadratisk sammenheng mellom volumstrømmen og trykket over måleblenden. Dette fører til at en får for dårlig nøyaktighet dersom volumstrømmen blir for lav. Figur 4-5 Differanstrykkmåler Calair-PS. For å finne sammenhengen mellom signal fra Calair-måleren og reell volumstrøm, ble det benyttet en annen differansetrykkmåler (SwemaAir 300) sammen med en venturidyse, med høyere nøyaktighet, for å måle reell volumstrøm. Venturidysen er levert med en kalibrert formel som beskriver sammenhengen mellom trykk over dysen, og volumstrøm som går gjennom dysen. Måleoppstillingen er vist i Figur 4-6. Figur 4-6 Måleoppstilling for kalibrering volumstrømsmålere. Forholdet vi fikk mellom volumstrøm og spenningssignal ut fra differensialtrykkmåleren, Calair, har en andreordens funksjon, se Figur 4-7. For å få mest mulig nøyaktig måling av volumstrømmene på testriggen, ble det laget en kalibreringskurve for hver enkelt Calairmåler, etter de var montert på testriggen (målerne forandrer karakteristikk dersom en flytter på de). Den tabellen en fikk for hver enkelt måler, er benyttet i programmene, for å konvertere spenningssignalet om til volumstrøm. Dette blir gjort ved linear interpolering. Behovsstyrt ventilasjon 9
Figur 4-7 Sammenheng mellom volumstrøm og signal fra Calair-PS. Signalet ut fra strømningsmålerne varierer mye selv om den reelle volumstrømmen er konstant (se Figur 4-8 ). Figur 4-8 Signal fra strømningsmålerne i [l/s]. Går over en periode på 9 sek. Årsaken til at det varierende signalet kan ha to opprinnelser. Det kan være støy fra differansetrykkmåleren, eller trykket over måleblenden kan variere, selv om volumstrømmen er konstant. Trykkdifferansemåleren viser ikke noe støy i signalet ved påsatt statisk trykk. En mulighet kunne da være at en har turbulent strømning i kanalen. For å finne ut om det er turbulent eller laminær strøm i kanalnettet må en regne Reynoldstallet til systemet. Verdien på Reynoldstallet er avhengig av mediet som strømmer gjennom rørene, diameteren på rørene og strømningshastigheten i rørene. Dette tallet forteller hvordan mediet oppfører seg i rørene. Utregningen er som følger: Behovsstyrt ventilasjon 10
ρvd h vd Re = = h Her er ρ væskens tetthet, v er væskens hastighet, d h er hydraulisk η ν diameter og η er viskositeten ν er det som kalles kinematisk viskositet og er definert ved η 2 A ν = og har benevning m / s. Den hydrauliske diameter er gitt ved d h = 4 hvor A er ρ O rørets tverrsnitt og O er den delen av rørets omkrets som har kontakt med væsken. For et helt d π fylt sirkulært rør blir den hydrauliske diameter d 2 h = 4 = d altså det samme som den πd ordinære diameteren. Det viser seg at når Re < 2000 har vi laminer strøm. Når Re > 3000 har vi vanligvis turbulent strøm. Mellom 2000 og 3000 har vi et overgangsområde hvor begge typene strømning kan forekomme. For dette tilfellet blir Reynolds tallet: d = 0,1m _( Ø100) q q min max = 30l / s 0,03m = 120l / s 0,12m 3 / s v / s v max 4q = 2 πd 4q = 2 πd Kinematisk _ viskositet _ forluft _ ν = 15,1*10 Re Re min max 3 min vd 3,82*0,1 = = 2529801 6 ν 15,1*10 vd 15,28*0,1 = = 10119205 6 ν 15,1*10 3 4*0,03m / s = 3,82m / s 2 2 π *0,1 m 3 4*0,12m / s = 15,28m / s 2 2 π *0,1 m 6 Etter utregningen over konkluderes det med at det turbilent strømning i kanalnettet. Årsaken til det varierende volumstrømssignalet antaes å være på grunn av turbulens i kanalen og turbilens skapt av måleblenden. Støyproblemet blir løst ved å midle måleverdiene i programmene. m 2 / s 2. Behovsstyrt ventilasjon 11
4.2 Elektrisk oppkobling For å kommunisere mellom prosess og PC ble det valgt å bruke FieldPoint-systemet. Dette og programmet LabVIEW er levert av National Instruments, som gjør at det er lett å sette opp (se kap.4.3). Det ble valgt å lage et koblingsbrett som inneholdt nesten alle komponentene for å kontrollere og drive alle komponentene i systemet. Frekvensomformerne er ikke montert på dette brettet da de er alt for store. På koblingsbrettet er det: 220 til 24V AC strømforsyning 220 til 24V DC strømforsyning Rekkeklemmer 1 stk FP 1000 (FieldPoint National Instruments kommunikasjonsmodul). 2 stk FP-AO-200 (8 analoge utganger per modul, 16 totalt). 3 stk FP-AI-100 (8 analoge innganger per modul, 24 totalt). Figur 4-9 Koblingsbrett for testrigg. På de fleste av utgangene til utgangsmodulene (FP-AO-200) er det montert 500Ω motstand for å konvertere 4-20mA til 2-10V eller 0-20mA til 0-10V (hvordan en bestemmer utgangsignalene til FP-AO-200 er forklart i kap.4.3). 24V AC strømforsyningen leverer driftsspenning til trykksensorene (Calair-PS(-D)), 24V DC strømforsyningen leverer driftsspenning til spjeldmotorene. Behovsstyrt ventilasjon 12
På spjeldmotorene (LM24SR) er det fire ledninger, nr 1 og 2 er driftsspenning, 3 (Y) er pådrag (2-10V) og 5(U) er motorposisjon tilbakemelding (2-10V). Spenningen på ledning 3 og 5 er i forhold til jord (ledning merket 1). Det sitter en P-regulator inne i motoren som sørger for at motoren oppnår ønsket posisjon. Denne reguleringen er ikke helt god, og en vil få litt avvik mellom ønsket og virkelig posisjon. En har mulighet for å hente ut den virkelige posisjonen til motoren/spjeldet på ledningen merket 5(U). Det er i LabVIEW programmene lagt til en ekstra regulator sløyfe for å ta bort dette avviket. Figur 4-10 Spjeldmotor. Koblingene på rekkeklemmen brukes til fordeling av driftsspenning til spjeldmotorene og trykkdifferansemålerne. Pådragende til spjeldmotorene og frekvensomformerne, signalene fra spjeldmotorene og volumstrømsmålerne går direkte inn på FieldPoint-modulene. Koblings liste finnes på vedlagt cd. Frekvensomformernes oppsett og konfigurasjon finners i brukermanualen til frekvensomformeren. Behovsstyrt ventilasjon 13
4.3 Kommunikasjon mellom PC og FieldPoint-moduler Kommunikasjonen mellom FieldPoint-modulene og PCen går ved hjelp av en vanelig seriell RS232 kabel. Kabelen kobles inn på seriell porten på PCen og seriell porten på kommunikasjonsmodulen FP 1000. For å opprette kommunikasjon mellom PCens hardware og LabVIEW må en bruke National Instruments Measurement & Automation programmet. Versjonen 3.0 er brukt i dette prosjektet. For mer detaljert beskrivelse om hvordan en setter opp kommunikasjon mellom FieldPoint og PC ved hjelp av Measurement & Automation Explorer, se vedlegg 2. Figur 4-11 Measurement & Automation Explorer. I dette programmet har en mulighet for å bestemmer hvilke type signal og signalområde som skal sendes/motas ut/inn fra de forskjellige utgangene/inngangene på modulene. Hvilke signal en kan sende og motta vil være avhengig av hvilke tilleggsmoduler en har. FP-AI-100 har mulighet for å ta inn både strøm og spenningssignaler, mens FP-AO-200 kan kun sende ut strømsignaler. I programmet Measurement & Automation er det lett å sjekke om kommunikasjonen mellom FieldPoint-modulene og PCen fungerer som den skal. Det går an å sette utgangsverdiene direkte og lese inngangsverdiene direkte. Behovsstyrt ventilasjon 14
5 Regulering. Strategien med regulering etter HighSelect metoden er forklart og dokumentert i dette kapittelet. I denne delen av prosjektet er det blitt programmert et reguleringsprogram som regulerer volumstrømmene på testriggen (se kap.feil! Fant ikke referansekilden. for mer informasjon om denne). Før programmet ble utviklet, hadde vi satt oss mål og sett på problemområder som vi ville komme borti. I tillegg til løsningen på regulering av ventilasjonsanlegget er det lagt inn noen ekstra funksjoner, for å vise noen av de mulighetene en har ved å ha et sentralt regulert ventilasjonsanlegg. Mål for reguleringsprogrammet: Regulere inn ønsket volumstrøm inn i alle rom, med en nøyaktighet ±10 % av ønsket verdi. Takle forskjell i kanalnett på til- og fraluft. Benytte reguleringsstrategi som gir størst mest mulig åpne spjeld og dermed mest mulig besparelse på vifteeffekt. Stabil og robust regulering, men raskest mulig. Skape et program som lager en erfaringsdatabase der tidligere innreguleringer blir tatt vare på (logging av systemtilstander). Få systemet til å bruke erfaringsdatabasen når samme ønsket volumstrøm til alle rom gjentar seg, og styre alle spjeld og vifter etter kjente innstillinger. Rykkfrie overganger mellom regulering og databasestyring av systemet. Enkel programstruktur. Problemområder: Systemet er multivariabelt (endring av en spjeldposisjon vil gi endringer i alle volumstrømmene i systemet). Kanalnettet på tilluft og fraluft er forskjellig. For å utnytte viften maksimalt, må reguleringsstrategien være utformet på en slik måte at den sørger for å åpne spjeldene mellom vifte og rommene. Reguleringen må ikke være ustabil. Den må være innstilt slik at den ikke under noen tilfeller skaper stående svingninger, men likevel er raskest mulig. Programmet skal ha et loggesystem, som logger innstillingene når prosessverdiene er korrekte og stabile. Logikk for dette må utarbeides. Få programmet til å være oversiktlig og enkelt. Behovsstyrt ventilasjon 15
5.1 Valg av reguleringsstrategi. Ut fra samtaler med rådgiver Morten Christian Svensson, var en reguleringsstrategi kalt HighSelect ønskelig å prøve. Dokumentasjon på tidligere forsøk eller benyttelse av denne metoden i ventilasjonsanlegg, har gruppen ikke greid å finne. Denne metoden tilfredsstiller alle målene til reguleringsstrategi vi har satt oss, og er spesielt egnet for tilnærmet maksimal utnyttelse av vifteeffekten. 5.1.1 Kort om HighSelect reguleringsstrategien. Denne reguleringsstrategien finner tyngste forbruker, som ordet betyr på norsk velg høyeste. I vår problemstilling er det ønskelig å gi tyngste forbruker åpne spjeld helt fra vifte til rom, for ikke å tape trykk over spjeldene imellom. Tyngste forbruker vil si, det rommet som har største motstand mot ønsket luftstrøm, fra viften til det aktuelle rommene. På alle spjeld i systemet har vi en tilbakemelding på spjeldposisjon. Denne informasjonen brukes for å finne det rommet som er tyngste forbruker i ventilasjonsanlegget. Vifter og grenspjeld reguleres etter denne informasjonen slik at en får åpnet spjeldene mellom viften og tyngste forbruker. For mer detaljert beskrivelse av HighSelect se kap.5.2. 5.1.2 Oppdelig i tre reguleringssløyfer. På grunn av strukturen en normalt har i ventilasjonskanalnett, er det hensiktsmessig å dele systemet inn i tre forskjellige reguleringssløyfer. En kan da benytte en form for kaskaderegulering, der sløyfene er tregere og tregere jo mer av systemet de påvirker. Dette vil gjøre det enklere å oppnå stabil regulering. Figur 5-1 Reguleringsløyfene på testriggen. Oppdelingen av systemet er naturlig oppdelt i 3 sløyfer, fordi systemet har 3 ledd, romspjeld, grenspjeld og viften. Leddene har forsjellig påvirkning på systemet. I forklaringene av sløyfene er forklaringene basert på tilluft. Reguleringssløyfene er satt opp likt på til- og fraluftsiden (to uavhengige reguleringssystem). Behovsstyrt ventilasjon 16
Reguleringssløyfe 1. Dette er den enkle sløyfen, der romspjeldet reguleres etter ønsket volumstrøm inn. Referansen eller ønsket volumstrøm må settes av bruker ettersom vi ikke har detektorer som kan gi ønsket volumstrøm i rommene. Målt volumstrøm hentes fra volumstrømsmålerne inn til hvert enkelt rom. Spjeldet reguleres direkte for å gi ønsket volumstrøm (det åpner mer hvis målt volumstrøm er mindre enn ønsket volumstrøm, og stenger ved motsatt). Det er denne sløyfen som påvirker resten av anlegget minst, og derfor vil vi at denne skal være den kjappeste av alle reguleringssløyfene. Men på grunn av trege spjeldmotorer, og et midlingsfilter (midler verdien fra volumstrømsmåleren over x antall målinger) på volumstrømsmålingene, blir denne sløyfen treg. Figur 5-2 Reguleringssløyfe 1. På testriggen er denne sløyfen i bruk på rom 1, 2, 3, 4 og 5, der rom 1 og 5 egentlig er en hel gren, og skulle ha bestått av flere rom bak et grenspjeld med reguleringssløyfe 2 (se Figur 5-8). Behovsstyrt ventilasjon 17
Reguleringssløyfe 2. Grenspjeld reguleres etter HighSelect på spjeldposisjonene til rommene. Grenspjeldet vil derfor hele tiden forsøke å gi rommene akkurat nok luft slik at et av rommene alltid har en spjeldåpning på 95 %. Posisjonen til grenspjeldet har veldig mye å si for resten av systemet. Det er viktig at rommene er raskere enn grenspjeldet slik at romspjeldene greier å regulere seg inn, mens grenspjeldet åpner eller lukker. Derfor må denne sløyfen være tregere enn sløyfe 1. Figur 5-3 Reguleringssløyfe 2. Sløyfen er satt opp på testriggen for å regulere grenspjeldet, ut fra tilstandene til spjeldene inn til rom 2, 3 og 4. Men hvis rom 1 og 5 hadde vært grener med flere rom, ville disse vært regulert på samme måte i forhold til sine rom under seg. (se Figur 5-8) Behovsstyrt ventilasjon 18
Reguleringssløyfe 3. Viften turtallsreguleres etter HighSelect på spjeldposisjonene til grenspjeldene. Viften vil derfor hele tiden forsøke å gi grenene akkurat nok luft slik at et av grenspjeldene alltid har en spjeldåpning på 95 %. Hastigheten til viften har sterk påvirkning på systemet. Det er viktig at grenspjeldene er raskere enn viften slik at grenspjeldene greier å regulere seg inn, mens viften øker eller senker turtall, og volumstrømmen endres. Derfor må denne sløyfen være tregere enn reguleringssløyfe 2. Figur 5-4 Reguleringssløyfe 3. Sløyfen er satt opp på testriggen for å regulere viften, ut fra tilstandene til grenspjeldet og romspjeldene til rom 1 og 5. Romspjeldene til rom 1 og 5, ligger på samme nivå som grenspjeldet (se Figur 5-8). Behovsstyrt ventilasjon 19
5.2 Forklaring av HighSelect. Målet med denne reguleringsstrategien er å få spjeldene til å være mest mulig åpne, slik at viften kan gå på minst mulig effekt, samtidig alle rom får ønsket volumstrøm. Gruppen har satt seg som mål at rommet som er tyngst å levere ønsket luftmengde til, skal ha 95 % åpent både romspjeld og grenspjeld (gir tilnærmet minimalt trykkfall over spjeldene). For å enklest forklare funksjon og virkemåte, kan en se på et eksempel hvor HighSelect benyttes i systemet. Vi tar for oss reguleringen av grenspjeldet med HighSelect på rom 2, 3 og 4 (sløyfe 2): 1. Enkel logikk velger ut det spjeldet som har størst spjeldåpning, av rom 2, 3 og 4, og sender dette til regulatoren som regulerer grenspjeldet. 2. La en si at rom 4 har høyst spjeldåpning og er 100 % åpent, som vil si at rom 2 ikke har ønsket volumstrøm, men vil ha mer. Figur 5-5 HighSelect forklaring, grenspjeldet reguleres med HighSelect mot rom 2, 3 og 4. 3. Grenspjeldet ønsker at HighSelect-spjeldet skal være 95 % åpen, derfor vil regulatoren på grenspjeldet, åpne grenspjeldet for å gi mer luft til grenen. 4. På grunn av økning i volumstrømmen inn i grenen, vil rom 3 og 4 stenge, for å fortsatt holde sine volumstrømmer konstant. Figur 5-6 HighSelect forklaring, grenspjeldet innregulert med HighSelect mot rom 2, 3 og 4. 5. Når målt volumstrøm blir over ønsket volumstrøm i rom 4, vil spjeldet inn til rom 4 begynne å lukke. Når rom 4 har en spjeldåpning på 95 % vil grenspjeldet stå i ro. 6. Når romspjeldet har en åpning på 95 %, er trykkfallet over spjeldet tilnærmet lik null. Som en ser ut fra eksemplet vil grenspjeldet hele tiden prøve å få et av rommene til å ha et spjeld 95 % åpent. Behovsstyrt ventilasjon 20
Det samme skjer med viften mot grenspjeldene. Siden viften reguleres etter HighSelect på grenspjeldene, vil en av grenspjeldene i gå mot å være 95 % åpent. Figur 5-7 Viser hvordan systemet vil tilstrebe åpne spjeld for tyngste rom å levere ønsket luftmenge til. I Figur 5-7 reguleres viften med HighSelect mot rom 1, grenspjeldet og rom 5. Denne sløyfen er veldig treg, fordi sløyfene under skal regulere seg inn mens viften øker/synker i turtall. Behovsstyrt ventilasjon 21
5.3 Oppkobling av et komplett system. Gruppen har gjort begrensninger på testriggen for å spare tid og deler. Men siden reguleringen er basert på et komplett anlegg, viser Figur 5-8, hvordan reguleringssløyfene i et anlegg med flere grener, skal kobles opp med. Figur 5-8 Eksempel på et komplett system for tilluft/fraluft. I Figur 5-8 ser man sammenhengen mellom reguleringssløyfene. Systemet vil regulere seg til å få et romspjeld i hver gren til å være 95 % åpent og et grenspjeld i systemet. Reguleringssløyfene på til og fraluft, settes opp på samme måte. Behovsstyrt ventilasjon 22
5.4 Regulatorene. For å få et anlegg godt regulert, med hensyn på stabilitet og hurtighet, må valg av regulatortype og regulatorparametrene være korrekt i forhold til reguleringssløyfene, og ikke minst i forhold til prosessen. 5.4.1 Regulatortype. For å velge rett regulatortype må en se på hvilke krav en har til reguleringen av prosessen. De mest vanlige regulatorene er: P-regulator: I et ventilasjonssystem vil en enkel P-regulator kunne gjøre jobben med et avvik. Kan bare stille på en parameter, som kan gjøre ting noe enklere og mer robust. Den kan gi et uønsket høye stasjonæravvik, som kommer i tillegg til måleutstyrets unøyaktighet. PI-regulator: Har egenskapene til en P-regulator. Null stasjonæravvik (kjører prosessverdiene mot ønsket verdi). Ved å stille på I-parametere kan en bestemme hvor rask regulatorene skal være. Dermed kan vi bedre gjøre reguleringssløyfene tregere/raskere enn hverandre. PID-regulator: Derivatorvirkning brukes for å hindre for raske justeringer på prosessverdien, eller den benyttes for regulering av veldig raske prosesser. Følsom for støy (fordi stigningstallene i et støysignal er høye). Etter vurdering av egenskapene valgte gruppen å bruke en PI-regulator, siden den er veldig fleksibel og ikke for vanskelig å stille inn. I programmet bruker vi en PID-regulator der derivatorvirkningen er satt til null, som tilsvarer en PI-regulator. De regulatorene som er benyttet i programmene er realisert etter følgende formel: 1 u = Kc 1 + + Td s e Ti s u = pådrag e = avviket Kc = Pr oposjonalforsterkningen( P) Ti = Integrasjonstiden( I) Td = Derivatforsterkningen( D) Behovsstyrt ventilasjon 23
5.4.2 Regulatorparametrene. For å finne parametere gjorde vi en utdannet gjetning på hvordan disse innstillingene burde være. Det vart da sørget for at reguleringssløyfe 1 var raskere en reguleringssløyfe 2, som igjen var raskere en reguleringssløyfe 3. Det ble i starten noe svingninger i systemet. Erfaringer, fra reguleringsfag, ble benyttet til å justere parametrene slik at sløyfene gav ønsket respons. Etter hvert som systemet begynte å regulere seg inn begynte finjustering av sløyfene. Vi testet systemet for kritiske tilfeller, der systemet begynte å svinge, og så ut fra responsen hva som måtte justeres. Vi fant ut at tilluft og fraluft hadde veldig like responser, og like reguleringsparametere fungerte godt. Bare viftene måtte stilles inn noe forskjellig siden testriggen har to helt forskjellige vifter (fraluftsviften er en mer aggressiv vifte, det vil si at den gir mer økning i volumstrøm når en forandrer på referansen til fraluftviften enn en får for tilluftviften). Tabell 5-1 Innstillingsparametrene. Vifte til / fra Rom 1 Gren Rom 5 Rom 2 Rom 3 Rom 4 P (Kc) 0,10 / 0,08 0,30 0,30 0,30 0,60 0,60 0,60 I (Ti) 1,0 0,50 0,50 0,50 0,30 0,30 0,30 I Tabell 5-1 er regulatorparametrene som er benyttet for å regulere systemet. Behovsstyrt ventilasjon 24
5.5 Reguleringsprogrammet. Reguleringsprogrammet er skrevet i LabVIEW. Programmet bruker et grafisk programmeringsspråk der brukergrensesnittet og programkoden deles i to vinduer. I vedlegg 4 er det nærmere forklart hvordan koden er programmert med forklaringer. 5.5.1 Brukergrensesnittet. Siden systemet har veldig mange prosessverdier og pådrag, trenger vi under utvikling og testing veldig mange indikatorer og kontrollmuligheter. Når programmet skal regulere og ha andre funksjoner i tillegg, vil brukergrensesnittet virke overfylt. Derfor har vi valgt å benytte av oss Tab i LabVIEW. Dette er en funksjon som gjør det mulig for brukeren å bla seg igjennom sider med grafer, indikatorer og kontrollere. Figur 5-9 "Tab"-funksjonen i LabVIEW, har benyttet to slike i brukergrensesnittet. Ser en på hele brukergrensesnittet (se Figur 5-10), kan brukeren velge hva han vil se på, mens programmet kjører. Det er lett å overvåke og styre prosessen med en slik løsning. Brukergrensesnittet inneholder veldig mye informasjon, og gir bruker mulighet for å forandre på alle reguleringsinnstillingene. Figur 5-10 Brukergrensesnitt, med oversiktsbilde og status valgt (bildet burde sees med farger). På siden Oversikt får brukeren et godt overblikk over systemet. På bildet vises viftehastighetene i prosent, de ønskede volumstrømmene og målt volumstrøm til og fra rommene. Denne siden kan være en enkel måte å få overblikk over hva som skjer i systemet. Behovsstyrt ventilasjon 25
På siden Status kan brukeren se indikatorene til HighSelect-verdiene, loggelogikk og pådragene fra regulatorene. Se vedlegg 4 for mer informasjon. 5.5.2 Funksjoner til reguleringsprogram. Programmet har helt fra starten av prosjektet blitt oppgradert med nye og forbedrede funksjoner. Regulere seg inn til ønsket volumstrøm. Hovedfunksjonen til programmet er å benytte seg av regulatorer til å regulere prosessen. Under denne funksjonen ligger mange underfunksjoner som kreves for at reguleringen skal fungere: Innhenting av målte volumstrømmer og spjeldposisjoner. Finne høyeste spjeldposisjonen til gren og vifteregulatoren. Regulatorene regner ut pådrag for vifter og spjeld, ut fra måleverdier og referanser. Parametrene er stilt inn slik at regulatorene samarbeider og regulerer prosessen inn til ønsket volumstrøm i alle rom. Små avvik vil alltid forekomme på grunn av ytre påvirkninger og at målingene inneholder feil (for eksempel volumstrømsmålerne). Selvlærende program, erfaringsdatabase. Denne funksjonen fungerer som om programmet kan analysere prosesstilstanden og lærer av erfaringer. Denne programfunksjonen fungerer i prinsippet slik: Figur 5-11 Flytskjema reguleringsprogramlogikk. Behovsstyrt ventilasjon 26
Som en ser fra Figur 5-11 logges tilstanden til prosessen når programmet mener den er stabil og korrekt. Denne logikken baserer seg på: Målte volumstrømmer er på settpunkt (ønskede volumstrømmer) innenfor en hvis toleranse. HighSelect-spjeldene er over 90 % åpne. At prosessen er stabil (differansen i måleverdiene over en hvis tid er under 1 liter/sek). Alle disse kravene må være oppfylt og ikke plottet fra før, for at innstillingen skal bli logget til erfaringsdatabasen. Logging og sikkerhetskopi: Når en innstilling blir logget, menes det at programmet legger alle verdiene det trenger for å stille prosessen tilbake til nåværende tilstand ved et senere tidspunkt, inn i en tabell. Under prosjektet har vi logget over fem hundre stabile og korrekte tilstander i en tabell. Denne tabellen lagres til en tekstfil på harddisken, og en sikkerhetskopi på skolens server. Hver gang programmet starter, henter det frem tabellen, og legger den inn i en tabelltype i LabVIEW som kalles array (se vedlegg 4 program). Manuell kontroll av regulatorene, rykkfri overgang: Når programmet benytter seg av erfaringsdatabasen for å styre prosessen, må regulatorene kobles ut. For å få til dette benytter vi oss av en regulator som kan kobles om fra auto til manuell. I denne regulatoren er det programmert rykkfri overgang mellom manuell og auto. Automatisk utvidelse av erfaringsdatabasen. Den funksjonen er utviklet for å spare tid når vi skulle logge verdier til erfaringsdatabasen. Når programmet har logget en verdi vil prosessen styres, siden den bruker loggede verdier fra arrayet. Det som skjer da er at prosessen blir stående nesten helt stabilt, og venter på nye krav. Det er lagt til en funksjon som endrer på volumstrømskravene når dette skjer. Med denne funksjonen setter programmet selv nye ønskede volumstrømmer. På denne måten slipper en å være til stede under utvidelse av erfaringsdatabasen. 5.5.3 Muligheter for flere funksjoner i reguleringsprogram. Å utvide programmet med flere funksjoner er ikke noe problem. Derfor er mulighetene store for at en kan bygge ut programmet med nye funksjoner. Vi har sett på noen av mulighetene for funksjoner som vil gjøre programmet bedre: 1. Automatisk kontroll av loggeinnstillingene i erfaringsdatabasen: a. Sette inn en funksjon som sjekker at erfaringsdatabasens verdier gir prosessverdier som ønsket. b. Slett dårlig erfaring fra listen, og la programmet begynne å regulere slik at en får lagret nye verdier i erfaringsdatabasen, for denne innstillingen. 2. La programmet finne nærmeste logget verdi til nytt krav, for så å regulere seg inn: a. Denne funksjonen vil kunne spare tid på innregulering, siden avviket blir mindre. 3. Estimering av spjeldposisjoner for ønskede volumstrømmer, for så å gå over til regulering hvis avviket er for stort. a. Med estimering menes enkel utregning av spjeldposisjoner ut fra de verdiene en har i erfaringsdatabasen. b. Ved å benytte estimeringen som i dette prosjektet kalles styring, mener gruppen at denne funksjonen blir enklere å få til. Behovsstyrt ventilasjon 27
5.6 Resultat. Regulering med HighSelect og benyttelse av erfaringsdatabase, fungerer på testriggen. Når det ønskes en kjent kombinasjon av volumstrømsverdier inn til de forskjellige rommene, hentes innstillingene for vifter og spjeld fra erfaringsdatabasen. Dersom det ønskes en ukjent kombinasjon av volumstrømverdier inn til de forskjellige rommene, vil denne innstillingen bli regulert inn, og nye verdier blir lagt til i erfaringsdatabasen. Programmet registrerer da at ønsket volumstrømkombinasjon finnes i erfaringsdatabasen, og går over til å styre alle spjeld og vifter med verdier fra databasen. I Figur 5-12 ser en et eksempel på dette der det er merket av om programmet regulerer eller styrer. Figur 5-12 Eksempel på hvordan takler nytt krav, og gjentagelse av spranget. Responsen på sprang i ønsket volumstrømsverdier, vil variere. Responsen vil være avhengig av størrelsen på spranget, hvilket rom som får spranget og tilstanden til de andre rommene. Innreguleringstiden vil i hovedsak bestemmes av vifteregulatorene, som har den tregeste reguleringen. Regulatorparametrene vi bruker på testriggen, er noe rask, men fungerer bra dersom en ikke går under 30 [l/s] i referanseverdi til rommene. Dette fordi at målerne ikke er egnet for å måle så lave volumstrømmer. Ved sprang i referansene kan prosessen bruke fra 2 til 30 minutt på å grovregulere seg inn til settpunkt. For at kravene til logging av nye verdier til erfaringsdatabasen skal oppfylles, kan det ta fra 2 minutt til 2 timer. Hvis en har for raske regulatorparametre, får en svingninger. Har man for trege parametre, tar ting lengre tid enn nødvendig. Behovsstyrt ventilasjon 28
Grunnen til at rom fire ikke er benyttet i testsammenheng, er at volumstrømmålerne som skulle vært på dette rommet, er flyttet og benyttes istedenfor til å måle totalstrømmen. Denne målingen er viktig for den andre strategien i prosjektet. Siden målerne er unøyaktig vil metoden med å trekke fra alle volumstrømmene til rom 1, 2, 3, og 5 fra totalstrømmen gi veldig variabel og feil verdi. Regulering etter denne vil ikke fungere, derfor er rom 4 stengt og i programmet er målingen satt til null. Før oppkobling av fraluft var alle rommene i bruk med volumstrømsmålere og reguleringen fungerte like bra med tre som med to rom bak grenspjeldet. Det fungerer faktisk bedre, siden romspjeldene får mindre påvirkning hver for seg på systemet når det er flere rom. Behovsstyrt ventilasjon 29
5.7 Konklusjon. Å løse behovstyrt ventilasjon i et ventilasjonsanlegg med reguleringsstrategien HighSelect fungerer bra. Strategien er i dette prosjektet har ført til: o Maksimal besparelse på vifteeffekt o Null stasjonært avvik o Stabil regulering På testriggen har en en ekstra reguleringsutfordring, siden tilluften og fraluften påvirker hverandre i små og tette kasser. Dette problemet vil ikke påvirke reguleringen i så stor grad i et virkelig ventilasjonsanlegg, fordi et vanlig rom er ikke tett. Det er implementert en erfaringsdatabase til reguleringen. Dette er en funksjon som lagrer nødvendig informasjon til en database, når prosessen er innregulert, informasjonen benyttes for å styre pådragene ved repeterende volumstrømskrav. Denne funksjonen gjør at en får: o Raskere innstilling av prosessen dersom ønskede krav er innregulert ved et tidligere tidspunkt. o Småregulering, for å oppnå null avvik, forsvinner (grensesvingninger). Å lage et program som er fyller målet om enkel programmering for denne typen reguleringssystem, er mulig, men et slikt program vil ta et nytt hovedprosjekt å programmere. Det vil også kreve mye kunnskap i LabVIEW programmering. Det er nå dokumentert at reguleringsstrategien, HighSelect, fungerer godt på et ventilasjonssystem, og vil gi tilnærmet maksimal effektbesparelser på viften. Det kan være interessant å sammenligne HighSelect metoden mot andre metoder som trykkmålinger (VAV) i kanalnettet, for å se eventuelle forskjeller i ENØK-besparelser. Behovsstyrt ventilasjon 30
6 Styring. I denne delen av prosjektet skulle det undersøkes om det er realistisk å beregne hvordan spjeldene, som styrer fordelingen av luftmengde i et ventilasjonsanlegg, skal stilles for å få ønsket volumstrøm til de forskjellige rommene. Dette ble gjort for å forsøke å redusere behovet for instrumentering i et behovsstyrt ventilasjonsanlegg. For å regulere et ventilasjonsanlegg må en ha en god del målere. Det vil si at for å regulere luftmengden som går inn til hvert rom, er en avhengig av å måle volumstrøm både inn og ut på alle rom. Dette gjør at investeringskostnadene som en får ved å sette opp et behovsstyrt anlegg, fort vil overstige det en kan regne med å tjene inn i spart energi. I prosjektet ble det bestemt at det skulle forsøkes å beregne testriggen som skulle bygges. Målet for denne delen av prosjektet er: Beregne kanalnettet og innstiling av spjeld på testriggen, slik at en oppnår en ønsket volumstrøm inn til hvert enkelt rom, med en nøyaktighet på 10 % av ønsket verdi. Lage et beregningsprogram som er oversiktlig og lettvindt å sette opp. Figur 6-1 viser en prinsippskisse for et VVS-kanalnett. Som en ser av figuren blir luft levert til kanalnettet fra en vifte, og kanalnettet fordeler luften til de forskjellige rommene. Dersom det ikke hadde vært spjeld til å styre volumstrømmen, ville det vært komponentene (bend, reduksjoner, t-bend osv.) kanalnettet er bygd opp av, som ville avgjort hvordan fordelingen av volumstrømmen ble. Det vil si, hoveddelen av volumstrømmen ville gått letteste motstands veg. For at en skal kunne styre volumstrømmen over på det rommet som har større motstand mot ønsket volumstrøm, må en ha spjeld. Spjeldene styres slik at en øker motstanden i de rørene som går til de rommene som har mindre motstand mot ønsket volumstrøm. Figur 6-1Eksempel på kanalnett, prinsippskisse. Behovsstyrt ventilasjon 31
6.1 Trykkfordeling i kanalnett. For å kunne bestemme hvordan motstandene over spjeldene i systemet skal stilles, må en vite hvordan luftmotstanden i kanalnettet er fordelt. For å finne fordelingen valgte gruppen å gjøre målinger på hver enkeltkomponenttype, som er benyttet på testriggen (siden det var testriggen som skulle beregnes). Det som var interessant å finne var hvilket trykkfall som var over hver enkelt komponent, ved forskjellige volumstrømmer. Trykkfallet er et mål på hvor stor motstand en komponent har ved en gitt volumstrøm. 140 120 Bend 90 Ø200 Ø100 Ø160 100 Trykkfall [Pa] 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160-20 Volum strøm [l/s] Figur 6-2 Trykkfallskarakteristikker for bend. Figur 6-2 viser de målingene som ble gjort på de tre bendtypene brukt på testriggen. Disse er 90 graders bend, med diameter 100, 160 og 200 mm. Fra målingene som ble gjort på rørdelene ser en tydelig at det er bend og reduksjoner i rørdimensjon, som er de dominerende komponentene i systemet med tanke på fordeling av trykkfall. For disse komponentene vil det være en andreordens sammenheng mellom trykkfall og volumstrøm. Dette fordi en har en forandring i luftstrømsretning eller luftstrømshastighet. For rette rør eller firkantkanaler vil en ha tilnærmet lineær sammenheng. Behovsstyrt ventilasjon 32
Figur 6-3 Tilnærmet beskrivelse av T-bend. For å bestemme hvordan luft blir fordelt i et T-bend, ble det i dette prosjektet valgt å gjøre en tilnærming, i stedet for å gjøre omfattende målinger. Figur 6-3 viser den tilnærmingen som er gjort. Som sagt er det forandring i luftstrømshastighet og luftstrømsretning som er hovedårsaken til at en får trykkfall i et kanalnett. En ser her at trykkfallet fra punkt 1 til punkt 2, er sammenlignet med trykkfallet i et rett rør. Mens trykkfallet fra punkt 1 til punkt 3, er sammenlignet med trykkfallet i en reduksjon og et bend. Denne sammenligningen ble forsøkt, fordi å beskrive et T-bend med en egen tabell, ville krevd en firedimensjonal tabell. Noe som ville krevd veldig mange målinger, og dermed ville tatt veldig lang tid. Denne tilnærmingen ble brukt for å beregne testriggen. I et behovsstyrt ventilasjonsanlegg er en interessert i å kunne variere volumstrømmene inn til rommene. Hvor stort trykkfall en ønsker over spjeldene, vil variere når en forandrer på ønsket volumstrøm til de forskjellige rommene. For at en skal kunne stille inn spjeldene til en bestemt posisjon, er en avhengig av en todimensjonal beskrivelse av spjeldene. Figur 6-4 Måledata for spjeld Ø200 Figur 6-4 viser de målingene som ble gjort på et spjeld med diameter 200mm. Det som ble målt på spjeldet var trykkfallet over spjeldet, ved forskjellige volumstrømmer og forskjellige spjeldåpninger. Dette førte til en todimensjonal tabell med 140 punkter. Siden de kurvene en får for å beskrive spjeldet er sterkt ulineær, er en avhengig av å ha flere målepunkter en dette for å få en tilstrekkelig god beskrivelse av spjeldet. Behovsstyrt ventilasjon 33