Modellenen ve simülasyonla ayarlanan prototip HVAC sistemine ait PI Kontrolün bir binada denenerek karşılaştırılması

Abstract

Binalardaki enerji harcamalarının, yıllık ulusal enerji harcamalarında %30-40 gibi yüksek bir orana sahip olduğu ve HVAC sistemlerinin binalarda en fazla enerji harcayan sistemler olduğu düşünülürse, bina için doğru HVAC sisteminin seçilmesi ve tasarlanması kadar, HVAC sisterninin kontrol edilmesi ve devreye alınması da önem teşkil etmektedir. Modelleme ve Simülasyon; binanın ve ona ait HVAC sisteminin dinamik etkileşimini ve ona bağlı hava akışım, bina dizaynı ve binanın performansının geliştirilmesi amacıyla ısı ve enerji denge denklemlerini kullanan önemli bir araçtır. Termodinamik ısı transferi ilişkilerinden türetilen ve geçici rejim ile bozucuları gözönüne alarak oluşturulan dinamik modelleme metodolojisi, genel olarak tüm proses kontrol problemlerinde kullanılmaktadır. Her bir HVAC komponenti için birbirinden bağımsız olan dinamik modeller, diğer proseslerde olduğu gibi belli kabuller ve bozucuların kategorilendirilmesiyle oluşturulmakta ve yazılım ortamında birleştirilerek tüm sistemi ifade etmektedirler. Uygulamada kullanıcı; herhangi bir komponente ait enerji denge denkleminde değişiklik yaparak veya bozucuların büyüklüğünü ve sıklığım değiştirerek; kısacası değişik senaryolar ve simülasyon durumları yaratarak, bunların sistem üzerindeki fiziksel ve dinamik etkilerini görebilmektedir. HVAC için iyi bir kontrol sistemi tüm şartlarda iyi bir hava kalitesini ve konforunu en ucuza maledecek şekilde tasarlanmalıdır. 1980'lerin başlarında, PI kontrol fonksiyonu pnömatik kontrol organlarında kullanılmaya başlanmış ve sonuçta mikroprosesörlerin maliyetinin azalması ile de PID kontrolörler pazarı ele geçirmiştir. Hatanın türevi ile orantılı bir etki olan D etkisi, HVAC sistemlerinde pek kullanılmamaktadır, özellikle gürültüye neden olması, gürültüyü engellemek için sinyalin filtre edilmesinin gerekliliği, D etlcinin HVAC sisteminin kontrolünde iyileştirme yaratmaması ve endüstride maliyet arttırıcı olarak görülmesi nedeniyle tercih edilmemektedir. Ancak yine de dijital temelli PID kontrolöründe ayarlanan parametre sayısı dörttür ve bunlar kısma aralığı, integral zamanı, diferansiyel zamanı ve örnekleme zamanıdır. Tüm bu zaman sabitleri belli kriterlere dayandırılarak seçilirken; klasik bir seçim başlangıcı açık çevrim zaman sabitine (açık çevrim zaman sabiti için tahmin edilebilecek en kötü durum, tüm HVAC komponentlerinin zaman sabitlerinin toplam değeri kullanılarak elde edilir) eşit olacak şekilde set edilmesidir. HVAC sisteminin performansı sadece tasarım ile değil, tesisatın güvenilirliği, uygulanan balom şekli ve sistemin devreye alınması amacı ile yapılan testler ile doğrudan orantılıdır. Günümüzde modern ve büyük binalarda EMCS ile bina içindeki tüm sistem denetlenmektedir. EMCS'nin yapısı şu şekilde özetlenebilir : Bina otomasyon odasında bulunan yazılım (az önce belirtilen dinamik modelleme prensipleri ile oluşturulmuş yazılımda her bir zon için tüm komponentler ayrı ayrı görülebilmekte ve müdahale edilebilmektedir.) ile PLC ile işleyen PI kontrolör paneli haberleşmekte ve sistem kararlılık sınır değerleri için test edilmektedir (Bu çalışmada her iki ünite için Honeywell yazılım ve donanımları kullamlmıştır). Test prosedüründe geliştirilen iki yöntem uygulanmaktadır: kapalı çevrim ve açık çevrim. Kapsamlı kapalı çevrim testinde, kontrol performansı tüm çalışma aralığı boyunca ve stratejik çalışma noktalarında ard arda gelen test sinyalleri ile analiz edilir. Kontrol performansına yönelik testler, kararlı bir çalışmayı sağlamaya ve çalışma aralığındaki set noktasının ve bozucunun şeklinin değerlendirilmesine yöneliktir. Pratikte bina kullanıma açılmadan önce bozucular çok küçük olduklarından, kontrol performansı testi kısmi çalışma noktalarındaki set noktası değişimlerine verilen cevabın kabul edilebilir olup olmadığı ile sınırlıdır. Açık çevrim testlerinde, geri besleme kontrol çevrimi etksiz hale getirilir, bina kontrol sistemi istenen test şartlarını sağlayacak şekilde set edilir ve manuel modda test gerçekleştirilir. Açık çevrim testleri aynı zamanda PI kontrolör için uygun parametrelerin tahmin edilmesinde de kullanılmakta ve bu fonksiyonu ile PI kontrolörün ayarlanmasının ilk adımım oluşturmaktadır. Isıtma serpantinini idare eden vana tam kapalı durumdan tam açık duruma getirilerek, yeni sürekli rejim noktasına ulaşana kadar serpantin karekteristik eğrisi elde edilir. Bu eğri Ziegler- Nichols'un teklif ettikleri proses reaksiyon eğrisi metoduna uygundur. Bu eğriden hesaplanan zaman gecikmesi ve zaman sabitleri PI kontrol organı için ayar değerlerini tespit eder. Sadece bir test yapmanın yeterli olması, deneme ve yanılmaya gerek olmaması ve kontrolör ayar değerlerini içermesi başlıca avantajlandır (Çalışmanın sonuç bölümünde İhlas Holding Genel Merkez Binasında Mayıs ve Haziran aylan süresince gerçekleştirilen testlere dayalı eğriler sunulmaktadır). Bu şekilde tespit edilen PI parametreleri, HVAC kapalı kontrol çevrimi için optimum ayarlanmaktadır. İstendiği takdirde frekans cevabına ve kararlılık kriterlerine dayalı testler de sisteme uygulanabilmektedir.Choosing and designing, and more importantly, monitoring and commissioning an optimum HVAC system for a building is of utmost importance, if we consider that energy consumption in buildings accounts for 30 to 40 percent of annual national energy consumption, and that HVAC systems are the main consumers of energy in buildings. Modelling and simulation tools based on heat and energy equations are crucial for evaluating the dynamic interaction between a building and its HVAC system, and for improving the design and performance of the building. The dynamic modelling methodology, which has found almost universal application in any process control problem, is derived from thermodynamic heat transfer relations and also employs the concepts of "unsteady state" and "disturbance". Like in other processes, separate dynamic models for each HVAC component are developed by classifying certain assumptions and disturbances. After being integrated into a software environment, these data are used to represent the whole of the system. By making certain changes on the energy equilibrium equation of any HVAC component and adjusting the magnitude and frequency of disturbances, in other words, by creating different scenarios and simulation environments, the user of the application is able to monitor the resulting physical and dynamic effects on the system. A good HVAC control system should be designed in such a way that will ensure optimum indoor environment air quality and comfort under all conditions and at a minimum cost. In the beginning of the 1980's, the PI control function was introduced xn into pneumatic controllers. The reduction in the cost of microprocessors has eventually led to market domination by PHD controllers. The D-Effect which is related to the derivative of the error, does not have widespread application in HVAC systems. Among the main reasons for its limited use are, the resulting noise, the need to filter the signal in order to prevent the noise, the fact that the D-Effect does not improve the control of the HVAC system and the industry's perception that its use would increase costs. There are four parameters to be set in a digital PID controller: throttling range, integral time, differential time and sampling time. While all these time constants are chosen on the basis of certain criteria, a usual choice is to set them equal to the open- loop time constant (worst-case scenario for the open-loop time constant is defined as the sum total of the time constants of all HVAC components). The performance of an HVAC system is not only determined by its design, but is also related to the reliability of the installations, the maintenance method as well as the tests to be carried out during the launch of the system. Today, the EMC S monitors all systems of large and modern buildings. The structure of EMCS can be summarized as follows: The software installed in the automation room of the building (the above-mentioned dynamic modelling software is capable of displaying and controlling each component in each zone), communicates with the PLC- controlled PI control board and the system is tested for stability limits (In the present research, Honeywell software and hardware has been used for both units). The testing procedure employs two methods: closed loop and open loop. During a closed- loop test, control performance is analyzed for the whole operation range and at strategic operation locations, by sending successive test signals. The values obtained for the control performance are aimed at ensuring stable operation and assessing the form of the set point and disturbance within the operation range. In practice, since there exist only minor disturbances before the building is opened to use, control performance tests are limited to determining whether the response to set-point changes at partial operation locations is acceptable or not. For an open-loop test, the feedback control loop is inactivated, the building control system is set to provide the required test conditions, and the test is carried out in the manual mode. Open-loop tests are also used to estimate the appropriate parameters for the PI controller, and thus constitute the first step for the tuning of the PI controller. The valve which controls the heating coil is brought to a fully-open xiu position from a fully-closed position, and the characteristic curve for the coil is obtained until the new steady state is reached. This curve complies with the process reaction curve method proposed by Ziegler-Nichols. The time lag and time constants based on this curve, determine the setting values for the controller. The main advantage of this method is that only a single test is required, that there is no need for trial and error, and that it incorporates the controller setting values (The concluding section of the present paper includes the curves based on the tests carried out in May and July 2000 at the İhlas Holding Headquarters). The PI parameters determined thus, are optimally adjusted in the HVAC's closed control loop. If required, the system can also be subjected to tests based on frequency response and stability criteria.