УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КЛИМАТОМ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМИ ПОТОКАМИ
DYNAMIC CLIMATE CONTROL DEVICE AND CORRESPONDING AIR FLOW CONTROL SYSTEM

Настоящее изобретение относится к установке динамического управления климатом и соответствующей системе управления воздушными потоками.
В помещениях с регулируемым климатом, например, в операционных, а также в научно-исследовательских или специальных технологических камерах, где конечные результаты зависят от качества среды, используют системы вентиляции и кондиционирования, включающие ряд выходных каналов для отбора воздуха из камеры и ряд входных каналов для подачи свежего воздуха. Такие системы должны обеспечивать достаточный воздушный поток для выполнения значительного количества циклов воздухообмена и получения заданного перепада давления между внутренним объемом камеры и окружающей средой. Подобные системы обеспечивают замещение воздуха, отводимого из камеры, подаваемым снаружи воздухом, естественно, кондиционированным для изменения определенных параметров, таких как влажность и температура. В случае операционных, количество подаваемого воздуха несколько превышает количество удаляемого, поэтому внутреннее давление немного превышает наружное, что уменьшает поступление наружного воздуха неизвестного состава.
Конструкторы таких традиционных систем вентиляции и кондиционирования работают, как правило, над такими параметрами, как расход воздуха (количество циклов воздухообмена в час), температура, влажность и перепад давления. Следует, однако, иметь в виду, что система обеспечивает, по меньшей мере, один вид помещений, пригодность которых к использованию оценивают исходя из результатов испытаний, охватывающих множество параметров, причем вышеупомянутые физические и химические параметры составляют лишь их малую часть.
На практике, в случае с операционными, предварительные аттестационные проверки, а также плановые проверки, предусмотренные законом, включают определение, среди прочего, концентрации, так называемых, "частиц", то есть различных видов взвешенной в воздухе пыли, служащей основным переносчиком бактерий. Применительно к операционным следует также учитывать концентрацию потенциально опасных газов.
Описанная методика проектирования системы и, следовательно, самой операционной, недостоверна, из-за чего очень часто несостоятельность системы становится очевидной лишь после возникновения проблем или, того хуже, патологий среди больничного персонала или оперируемых пациентов.
Таким образом, очевидна необходимость совершенствования подхода к проектированию таких систем и соответствующих помещений в целом. Более того, обязательные проверки со стороны органов санитарного контроля проводятся, как правило, после каких-либо событий, поскольку в подавляющем большинстве случаев критические события происходят неожиданно и не могут быть предсказаны заранее. В результате, персонал операционной узнает о событии в связи с увеличением количества послеоперационных инфекций.
Одна из ранних попыток устранения указанных недостатков состояла в создании избыточно мощной системы вентиляции и кондиционирования воздуха, разработанной для получения чрезвычайно большого количества циклов воздухообмена.
Однако и такое техническое решение не свободно от недостатков. В таких помещениях, как операционные, избыточное количество циклов воздухообмена порождает мощные воздушные потоки, создающие дискомфортные рабочие условия. Воздушные потоки сопровождаются, как правило, повышенным шумом, производимым непрерывно работающими вентиляторами, и повышенным потреблением тепловой и электрической энергии. Более того, создаваемые непрерывно работающей системой воздушные потоки способны порождать в некоторых частях помещения области неподвижного воздуха, образующие карманы с пылью, бактериями и вредными газами, распространяющимися и оседающими по всему помещению после выключения системы, что снижает ее пригодность к использованию.
В таких случаях невозможно обеспечить необходимый комфорт и безопасность, как из-за ухудшения условий работы, так и опасных санитарно-гигиенических условий.
Согласно настоящему изобретению датчики собирают данные (имеющие отношение к концентрациям пыли, газов, наличию (и/или концентрации) бактерий и т.п.), передаваемые в устройство обработки данных о среде, обрабатывающее собранные данные и поддерживающее заданные параметры подаваемого в помещение воздуха с помощью логического регулирующего блока, известного из уровня техники.
Согласно настоящему изобретению, предложена установка динамического управления климатом, обеспечивающая регулировку параметров воздуха, как заявлено в пункте 1 формулы изобретения. Изобретение относится также к системе, включающей, по меньшей мере, одну такую установку.
Далее приведено не ограничивающее объем защиты настоящего изобретения описание одного из вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, где
На фиг.1 изображен один из вариантов осуществления установки, применяемой в системе кондиционирования воздуха и составляющей основной предмет настоящего изобретения.
На фиг.2 изображена первая блок-схема, отражающая весь процесс работы установки, составляющей основной предмет настоящего изобретения.
На фиг.3 изображена вторая блок-схема, отражающая работу установки, составляющей основной предмет настоящего изобретения, в дневное время.
На фиг.1 позицией 10 обозначена автоматическая система управления воздушными потоками, снабжающая ряд помещений 20, 21 (например, операционных).
Автоматическая система 10 включает регулирующую установку 100, управляющую параметрами воздуха, подаваемого в помещения с регулируемым климатом.
Установка 100 составляет основной предмет настоящего изобретения.
Установка 100 включает обычный кондиционер 101, в который с помощью известных средств по воздуховоду 102 подают определенное количество наружного воздуха.
После соответствующего кондиционирования в кондиционере 101, поступающий снаружи воздух с помощью известных средств подводят по воздуховоду 103 к помещениям 20, 21 и через соответствующие входные каналы подают в помещения 20, 21.
В кондиционере 101 поступающий снаружи воздух нагревают (или охлаждают), увлажняют и т.д.
Отвод воздуха из помещений 20, 21 осуществляют известным способом с помощью вытяжного вентилятора 104 по вытяжному воздуховоду 105.
Воздуховод 105 связан с помещениями 20, 21 соответствующими выходными каналами.
В частности, канал 103а соединяет воздуховод 103 с помещением 20, а канал 103b - с помещением 21.
Каналы 103а, 103b оснащены соответствующими регуляторами 106а, 106b потока.
Очевидно, помещение 20, например, возможно оснастить дополнительным регулятором 106с потока, установленным в дополнительном канале 103с. Вытяжной воздуховод тоже соединен с помещениями 20, 21 соответствующими каналами 105а, 105b.
Вытяжную часть системы 10, то есть воздуховод 105, также возможно снабдить дополнительными каналами (не показанными).
Как изображено на фиг.1, каждый канал 105а, 105b оборудован соответствующими регуляторами 107а, 107b потока.
Кондиционер 101 подсоединен к логическому регулирующему блоку 108, с помощью которого оператор (ОР) задает требуемые характеристики (главным образом, температуру и влажность) кондиционированного воздуха, подаваемого в помещения 20, 21 через соответствующие входные каналы.
Логический регулирующий блок 108 взаимодействует с кондиционером 101 и управляет подачей кондиционированного воздуха в помещения 20, 21 с помощью традиционных заслонок, здесь не показанных.
Данные от размещенных в ключевых точках системы 10 датчиков поступают в логический регулирующий блок 108. Например, на фиг.1 изображены расположенный в воздуховоде 103 датчик 109а и расположенный в воздуховоде 105 датчик 109b, подающие в логический регулирующий блок 108 получаемые данные, например, о потоке и давлении воздуха в воздуховодах 103 и 105, соответственно. Логический регулирующий блок 108 обрабатывает данные обратной связи и, при необходимости, дает команду кондиционеру 101 скорректировать основные параметры (температуру, влажность, поток, давление и пр.) воздуха, подаваемого в воздуховод 103 и далее в помещения 20, 21.
Следует отметить, что описанная выше традиционная схема регулирования параметров воздуха представляет собой, по существу, схему регулирования температуры и влажности.
К вышеназванным узлам известным образом добавлено известное устройство 110 контроля параметров среды, получающее известным способом данные из помещений 20, 21, например, о концентрации пыли и газа, наличии (и/или концентрации) бактерий и т.п., с помощью датчиков 111а, 111b, размещенных в помещениях 20 и 21, соответственно.
Устройство 110 контроля параметров среды имеет электронную связь с персональным компьютером 130, снабженным монитором 130а и управляющей клавиатурой 130b, позволяющих оператору ОР взаимодействовать с системой.
Согласно настоящему изобретению предусмотрено устройство 150 управления климатом для систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
Устройство 150 имеет электронную или электрическую связь с логическим регулирующим блоком 108, персональным компьютером 130, регуляторами 106а, 106b, 106с, 107а, 107b потока, а также с датчиком 112 перепада давления (см. ниже) и с другими датчиками (см. ниже), размещенными в помещениях 20, 21.
Используя персональный компьютер 130, устройство 150 сравнивает полученные данные, например, о концентрации газов в помещении 21, с выбранным максимальным значением. Если текущие измеренные значения или их функции от различных ранее измеренных значений (например, взвешенное среднее) достигли или превысили это максимальное значение, то устройство 150 открывает соответствующие регуляторы 106а, 106b, 106с потока.
Поскольку помещения 20, 21 связаны определенным относительным давлением по отношению к смежным помещениям, следует предусмотреть вышеупомянутый датчик 112, для определения значения Δр перепада давления, например, между помещением 21 и окружающей средой. Разумеется, помещение 20 также снабжено подобным датчиком 112 (не показанным).
Следует обратить внимание на то, что, как известно, в операционных давление воздуха в помещениях 20, 21 обычно превышает наружное давление для предотвращения нежелательного поступления наружного воздуха в помещения 20, 21.
Данные, полученные датчиками 112, поступают в устройство 150, которое при необходимости открывает регуляторы 107а, 107b потока для регулирования отвода воздуха из помещений 20, 21.
Кроме того, система выполнена с возможностью "нисходящего" регулирования. Это означает, что система методом подбора устанавливает возможность поддержания неизменного качества воздуха при уменьшении подачи воздуха в помещения 20, 21 и, следовательно, его отвода из помещений 20, 21. "Нисходящее" регулирование методом подбора осуществляют посредством частичного закрытия регуляторов 106а, 106b, 106с потока и, следовательно, регуляторов 107а, 107b потока, поддерживая при этом постоянное заданное значение Δр перепада давления.
Когда система устанавливает, что все параметры качества воздуха (концентрация пыли, газов и т.п.), остаются между максимальным значением и заданным минимальным значением, поток воздуха стабилизируют для предотвращения резких изменений рабочего режима.
Если система устанавливает, что все параметры качества воздуха (концентрация пыли, газов и т.п.), находятся ниже уровня данного минимального значения, поток воздуха уменьшают, как раскрыто выше ("нисходящее" регулирование).
Вышеописанное "нисходящее" регулирование крайне важно с точки зрения экономии энергии, поскольку позволяет определить методом подбора возможность поддержания приемлемого качества воздуха при меньшем потоке, а значит и меньшем потреблении энергии.
Кроме того, минимизация числа циклов воздухообмена в единицу времени в помещениях 20, 21 обеспечивает больший комфорт для находящихся там людей. Как известно, чрезмерно частые циклы воздухообмена создают дискомфорт.
Установка 100, составляющая основной предмет настоящего изобретения, рассчитана также на выполнение и других функций.
Например, возможно оснащение дверей 113а, 113b (соответствующих помещений 20, 21) соответствующими датчиками 114а, 114b, регистрирующими открытое или закрытое состояние дверей 113а, 113b соответственно. Сигналы с датчиков 114а, 114b поступают в устройство 150.
Например, если дверь 113b открыта, устройство 150, воздействуя на регулятор 107b потока, как будет показано ниже, обеспечивает выравнивание потока Pest воздуха, удаляемого из помещения 21 с помощью регулятора 107b потока, и заданного потока Рman, подаваемого через регулятор 106b потока:
Pest=(n)(k)Рman,
где (n) - количество открытых дверей (на фиг.1 только одна дверь 113b, поэтому n=1), а k - коэффициент, равный примерно 0,8-0,9, если давление в помещении 21 должно превышать давление в сообщающемся с ним через дверь 113b помещении. Другими словами, когда дверь 113b открыта, поток отводимого из помещения 21 воздуха будет меньше, чем поток Рman, согласно данному правилу, для обеспечения заданного значения Δp>0.
Когда Δр<0, то есть когда давление в помещении 21 должно быть меньше наружного давления, применяется та же процедура, за исключением того, что k>1.
Вышеописанная процедура полезна при открытых дверях, то есть когда значение, измеренное датчиком 112 перепада давления (или аналогичного датчика в помещении 20), близко к нулю. Когда, согласно показаниям датчика 114b двери 113b (или 114а двери 113а), дверь закрыта, количеством отводимого воздуха по-прежнему управляет регулятор 107b (или 107а) потока, но в этом случае - на основе данных датчика 112 (или аналогичного датчика в помещении 20). Точнее, не изменяя подаваемый поток, регулируемый устройством 150 на основе текущего состояния качества воздуха в помещении и статуса помещения (пустое или заполненное людьми, день или ночь), устройство 150 в то же время управляет работой регулятора отводимого потока для получения нужного значения Δр перепада давления между регулируемыми и смежными с ними помещениями путем постепенного открытия или закрытия регулятора 107b потока, на основе соответствующего алгоритма управления с обратной связью. Это означает, что при постоянном потоке поступающего воздуха постепенное закрытие регулятора отводимого потока соответствует увеличению измеряемого значения Δр перепада давления (и, следовательно, соответствующего сигнала обратной связи). В случае постепенного открытия регулятора отводимого потока имеет место обратная картина.
Однако вышеописанную процедуру возможно отменить (как раскрыто ниже); в этом случае описанная выше методика регулирования потока отводимого воздуха при открытых дверях применима также при закрытых дверях.
Таким образом, можно сказать, что работой системы 10 управляют логический регулирующий блок 108 и устройство 150.
В случае отказа по какой-либо причине устройства 150 логический регулирующий блок 108 продолжит работу по обеспечению минимальных свойств подаваемого в помещения 20, 21 воздуха (температуры и влажности) для качественного кондиционирования, в то время как регуляторы 106а, 106b, 106с, 107а, 107b потока автоматически останутся в "открытом положении", обеспечивая вентиляцию помещений 20, 21.
Для операционных, согласно правилам, требуется не менее пятнадцати циклов воздухообмена в час.
Обычно система обеспечивает максимальное количество циклов воздухообмена (например, 20 в час) в дневное время и минимальное количество (например, 15 в час, согласно правилам) - в ночное время. Разумеется, система снабжена средствами предоставления информации о времени в виде часов (не показаны).
Однако для оптимизации системы за счет снижения потребления энергии (учитывая стоимость энергии за каждый цикл воздухообмена), дополнительно предусмотрена установка датчиков присутствия людей 115а, 115b в каждом из помещений 20, 21.
Полученные датчиками 115а, 115b данные также поступают в устройство 150.
Если в помещении нет людей, система автоматически переходит в "ночной режим" даже в середине дня, при этом количество циклов воздухообмена уменьшается до заданного минимального значения (например, 6 в час в отличие от расчетных 15-20 в час, позволяя сэкономить 9-14 циклов воздухообмена) для поддержания в помещении заданных температуры и влажности.
Напротив, в случае регистрации датчиком 115а присутствия человека в ночное время, например, в помещении 20, система переходит в "дневной режим" и возобновляет работу в динамическом режиме управления потоком, как раскрыто выше.
Однако кроме сигналов от датчиков 115а, 115b, регистрирующих или не регистрирующих присутствие одного или более человек, для изменения режима работы системы необходимо, чтобы прошло некоторое задаваемое оператором ОР время запаздывания, - во избежание немедленного перехода системы в "дневной режим", если человек, например, зашел всего на одну минуту.
Другими словами, в экстренных случаях, например, когда требуется использование помещения 20 ночью, система регистрирует открытие двери 113а и наличие людей в помещении 20 с помощью датчика 115а и по прошествии заданного времени запаздывания переходит в "дневной режим", тем самым автоматически создавая в помещении безопасные условия. Напротив, когда помещение 20 не используется (дверь 113а закрыта и в помещении 20 никого нет) дольше заданного времени (устанавливаемого оператором ОР с персонального компьютера 130), система переходит в "ночной режим", резко снижая воздушный поток до минимального уровня, достаточного лишь для поддержания требуемых температуры, влажности и избыточного давления.
Будучи готовой, в случае необходимости, вернуться в первоначальный рабочий режим, система, таким образом, обеспечивает значительную экономию энергии, которая в противном случае была бы потеряна.
Более того, в некоторых областях, например помещения 20, может не происходить воздухообмен, то есть возможно образование в помещении 20 застойных зон, где существует реальная опасность скопления вредных или даже токсичных веществ.
Во избежание этого в системе предусмотрена периодическая продувка помещения 20 за счет чуть большего открытия на несколько минут регулятора 106с потока и закрытия на ту же величину регулятора 106а потока, сохраняя, таким образом, постоянный суммарный поток подаваемого в помещение 20 воздуха, установленного на данный момент устройством 150, и искусственно создавая при этом в помещении 20 режим нестабильного воздушного потока для устранения опасных зон скопления вредных веществ.
Через некоторое время система может поменять местами значения потока в каналах 103а и 103с, сохраняя при этом постоянным суммарный поток поступающего в помещение 20 воздуха, установленный на этот момент устройством 150, за счет чуть большего открытия регулятора 106а потока и закрытия на ту же величину регулятора 106с потока.
Таким образом, периодически меняя местами значения потока воздуха в каналах 103а, 103с, система предотвращает формирование любых опасных застойных зон скопления вредных веществ.
Возможно применение этой процедуры также к регуляторам отводимого потока, если их количество больше одного, вместе с процедурой, используемой для регуляторов потока подаваемого воздуха, или вместо нее.
Следует отметить, что описанная выше создаваемая незначительная нестабильность незаметна для находящихся в помещении 20 людей.
На фиг.2 и 3 изображены блок-схемы, отображающие процесс работы установки 100, составляющей основной предмет настоящего изобретения.
Изображенный на фиг.2 блок 1000 соответствует исходной точке процесса, выполняемого установкой 100.
В блоке 1001 предусмотрено получение данных о концентрации газов и пыли и о наличии бактерий, а также расчет взвешенных средних значений полученных величин.
В блоке 1002 предусмотрено считывание входных данных, активация выходных данных и активация диалога с установкой мониторинга.
В блоке 1003 предусмотрен возможный обход устройства 150 в случае возникновения каких-либо технических проблем, нарушающих работу этого устройства.
Блок 1004 на фиг.2 обозначает аварийную сигнализацию, активируемую в определенных опасных ситуациях.
В блоке 1005 предусмотрено переключение на один из двух режимов работы: ручной или автоматический.
Автоматический режим включает ряд этапов - такие, как контроль показаний часов в блоке 1006 и контроль присутствия людей с помощью датчиков 115а, 115b в блоке 1007.
На этапе, изображенном в виде блока 1008 на основе данных от часов (не показанных), происходит определение режима работы - "ночного режима" или "дневного режима".
Если часы указывают ночное время и при этом в помещениях 20, 21 нет людей (PPOFF), происходит переход от блока 1008 к блоку 1009 - "ночной режим" с фиксированным потоком Pman подаваемого воздуха и фиксированным потоком Pest отводимого воздуха.
Напротив, в дневное время, или в случае присутствия людей (PPON), или при высокой концентрации газа (GAS ALM), происходит переход от блока 1008 к блоку 1010 (независимо от показаний часов), с автоматическим регулированием потока Pman подаваемого воздуха и потока Pest отводимого воздуха, как более детально изображено на фиг.3.
На фиг.3 детально изображен "дневной режим" (блок 1010).
На этапе, соответствующем блоку 1011 система выявляет, включен ли алгоритм Δр и закрыты ли двери. В случае отрицательного ответа происходит переход от блока 1011 к блоку 1012, активирующему отслеживающий алгоритм, при котором Pest=(k)Pman.
Наоборот, в случае утвердительного ответа происходит активация алгоритма, при котором поток отводимого воздуха является функцией как Δр, так и потока Pman подаваемого воздуха. Это означает, что при неизмененном потоке подаваемого воздуха устройство 150 управляет работой регулятора потока отводимого воздуха для получения нужного значения перепада давления между регулируемым и смежным помещениями.
В блоке 1014 предусмотрено выявление превышения заданного максимального порога концентрации газов в помещении 20 или 21. При утвердительном ответе подаваемый поток Pman возрастает.
В блоке 1016 предусмотрено выявление открытия дверей 113. При положительном ответе производится уменьшение потока отводимого воздуха (блок 1017), а при отрицательном происходит переход от блока 1016 к блоку 1018, где определяется, стабильны ли поток Pman подаваемого воздуха и поток Pest отводимого воздуха в течение некоторого периода времени (t) сверх заданного времени.
Следует заметить, что блок 1016 вытекает из блока 1011. Это означает, что при открытых дверях происходит переход от блока 1011 к блоку 1012, при этом активируется отслеживающий алгоритм, заданный в блоке 1012 (тот же, что и в блоке 1017). Единственное различие состоит в значении коэффициента k. Таким образом, когда двери закрыты и алгоритм Δр отключен, в блоке 1012 используют заданное значение k1. Напротив, когда двери открыты при активном или отключенном алгоритме Δр, используют значение к2, при этом соотношение k2<k1<1 обеспечивает положительный перепад давления, а соотношение 1<k1<k2 - отрицательный перепад давления.
При положительном ответе в блоке 1018 включают алгоритм продувки, соответствующий блоку 1019. Напротив, при отрицательном ответе происходит переход от блока 1018 к блоку 1020, в котором определяют, имеет ли суммарная концентрация газов значение ниже минимального порога. При положительном ответе происходит переход от блока 1020 к блоку 1021, в котором выполняют уменьшение потока Pman подаваемого воздуха.
В заключение происходит переход от обоих блоков 1020 и 1021 к блоку 1022, и система возвращается к исходной точке (А) на Фиг.2.