کنترلر فشار تفاضلی در سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC)

کنترلر فشار تفاضلی در سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC)

 

• مفهوم فشار تفاضلی و اهمیت آن در تهویه مطبوع
• نقش کنترلر فشار تفاضلی در سیستم‌های HVAC
• مزایای استفاده از کنترلر فشار تفاضلی در سیستم های تهویه مطبوع
• انواع کنترلرهای فشار تفاضلی در سیستم‌های HVAC
• کنترلر DPC200 شرکت Arthur Grillo مورد تایید ebm
• ویژگی‌های برجسته کنترلر DPC200
• نحوه عملکرد سیستم های کنترلی حلقه بسته (closed loop control)
• چالش‌های استفاده از کنترلر فشار تفاضلی در سیستم‌های تهویه مطبوع
• جمع بندی

 

کنترلر فشار تفاضلی (Differential Pressure Controller) یا به اختصار DPC یکی از ابزارهای کلیدی در سیستم ‌های تهویه مطبوع (HVAC) است که نقش حیاتی در کنترل جریان هوا، بهینه ‌سازی عملکرد سیستم و کاهش مصرف انرژی ایفا می‌کند. این ابزار به خصوص در ساختمان‌ های بزرگ، بیمارستان‌ها، مراکز تجاری، و حتی در صنایع دارویی و غذایی اهمیت زیادی دارد، چرا که کنترل دقیق فشار هوا برای حفظ شرایط بهداشتی، کارایی و آسایش محیط ضروری است. در این مقاله، به طور جامع به کاربرد و اهمیت کنترلر فشار تفاضلی در صنعت تهویه مطبوع پرداخته شده و همچنین به معرفی یک مدل کنترلر مورد تایید شرکت ebm-papst پرداخته می شود.

مفهوم فشار تفاضلی و اهمیت آن در تهویه مطبوع

در سیستم ‌های تهویه مطبوع، فشار تفاضلی به اختلاف فشار بین دو نقطه مختلف از سیستم اطلاق می‌شود. این اختلاف فشار می‌تواند بین دو سمت یک فیلتر هوا، داخل و خارج یک اتاق تمیز، در قسمت ورودی و خروجی فن (پلاگ فن) یک هواساز یا در کانال‌های ورودی و خروجی یک دستگاه تهویه باشد. کنترل فشار تفاضلی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا حفظ تعادل مناسب فشار به عملکرد بهینه تجهیزات و کاهش هزینه‌های انرژی کمک می‌کند. به عنوان مثال، اگر اختلاف فشار در دو سمت فیلتر بیش از حد مجاز باشد، نشان‌دهنده کثیفی فیلتر هوا بوده که باید تعویض شود.

نقش کنترلر فشار تفاضلی در سیستم‌های HVAC

کنترلر فشار تفاضلی DPC در سیستم‌های تهویه مطبوع، وظیفه نظارت و کنترل اختلاف فشار را بر عهده دارد تا از عملکرد صحیح تجهیزات اطمینان حاصل شود. این دستگاه قادر است اختلاف فشار بین دو نقطه را به طور مداوم اندازه‌گیری کند و در صورت انحراف از مقدار تنظیم شده (Set Point)، سیگنال‌های کنترلی ارسال کند تا فشار به حالت مطلوب بازگردد. این سیگنال‌ها می‌توانند به صورت الکتریکی به فن‌ها، دمپرها یا شیرهای تنظیم ارسال شوند.

کنترلرهای فشار تفاضلی در سیستم‌های زیر کاربرد گسترده‌ای دارند:

• کنترل فشار فیلترها: یکی از اصلی‌ترین کاربردهای کنترلرهای فشار تفاضلی در سیستم‌های HVAC، نظارت بر وضعیت فیلترها است. هنگامی که فیلترها مسدود می‌شوند، اختلاف فشار افزایش می‌یابد و باعث کاهش جریان هوا و افزایش مصرف انرژی می‌شود. کنترلر فشار تفاضلی (DPC) می‌تواند با اعلام هشدار به کاربر، زمان تعویض فیلتر را مشخص کند.
• کنترل اتاق‌های تمیز (Clean Rooms): در بیمارستان‌ها، آزمایشگاه‌ها، صنایع داروسازی و… حفظ فشار مثبت یا منفی در اتاق‌های تمیز بسیار حیاتی است. کنترلر فشار تفاضلی (DPC) با ثابت نگه داشتن فشار لازم، به حفظ شرایط بهداشتی این فضاها کمک می‌کند و از ورود آلودگی به داخل یا خارج اتاق‌ها جلوگیری می‌کند.
• کنترل کانال‌های هوا: در ساختمان‌های بزرگ، کنترلر فشار تفاضلی (DPC) برای حفظ تعادل فشار در کانال‌های هوا و اطمینان از توزیع یکنواخت جریان هوا استفاده می‌شود. این امر به بهبود کارایی سیستم و کاهش هزینه‌های انرژی کمک می‌کند.
• سیستم‌های مدیریت انرژی: استفاده از کنترلرهای فشار تفاضلی در سیستم‌های مدیریت انرژی به بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های بهره‌برداری کمک می‌کند. این سیستم‌ها به طور خودکار فشار را تنظیم کرده و از عملکرد بهینه سیستم تهویه مطبوع اطمینان حاصل می‌کنند.

مزایای استفاده از کنترلر فشار تفاضلی در سیستم های تهویه مطبوع

استفاده از کنترلر فشار تفاضلی در سیستم‌های HVAC مزایای زیادی به همراه دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

بهبود کارایی سیستم: با نظارت مداوم بر اختلاف فشار و تنظیم به موقع آن، سیستم‌های تهویه مطبوع با کارایی بهتری عمل می‌کنند.

کاهش مصرف انرژی: کنترل بهینه فشار هوا باعث کاهش مصرف انرژی در فن‌ها و دمنده‌ها می‌شود.

کاهش هزینه‌های نگهداری: با اعلام زمان تعویض فیلترها و نظارت بر عملکرد سیستم، هزینه‌های تعمیر و نگهداری به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

افزایش آسایش و سلامت: حفظ شرایط بهینه در اتاق‌های تمیز و فضاهای حساس به بهبود کیفیت هوای داخلی و حفظ سلامت افراد کمک می‌کند.

انواع کنترلرهای فشار تفاضلی در سیستم‌های HVAC

در سیستم‌های تهویه مطبوع، انواع مختلفی از کنترلرهای فشار تفاضلی به کار گرفته می‌شوند که بسته به نوع کاربرد و نیاز سیستم، متفاوت هستند:

• کنترلرهای مکانیکی: این کنترلرها از مکانیزم‌های ساده‌ای نظیر دیافراگم برای اندازه‌گیری اختلاف فشار استفاده می‌کنند. این نوع کنترلرها اغلب در سیستم‌های تهویه قدیمی مورد استفاده قرار می گرفتند و در حال حاضر در حال جایگزین شدن با کنترلرهای الکترونیکی هستند.

• کنترلرهای الکترونیکی: این کنترلرها دارای حسگرهای الکترونیکی هستند که دقت بالایی در اندازه‌گیری فشار دارند. از این کنترلرها معمولاً در سیستم‌های پیشرفته و ساختمان‌های هوشمند استفاده می‌شود.
• کنترلرهای دیجیتال و هوشمند: این نوع کنترلرها به سیستم‌های مدیریت هوشمند ساختمان متصل می‌شوند و امکان کنترل از راه دور و تنظیمات خودکار را فراهم می‌کنند. این کنترلرها به دلیل دقت بالا و قابلیت اتصال به شبکه‌های صنعتی، در پروژه‌های بزرگ و پیشرفته کاربرد فراوانی دارند.

کنترلر DPC200 شرکت Arthur Grillo مورد تایید ebm

 

کنترلر DPC200 یکی از پیشرفته‌ترین دستگاه‌های موجود در بازار است که توسط شرکت Arthur Grillo طراحی و تولید شده است. این دستگاه برای اندازه‌گیری فشار تفاضلی هوا و گازهای غیرخورنده (non-aggressive gasses) طراحی شده و می‌تواند فشارهای بسیار پایین (در محدوده 50 تا 4000 پاسکال) را با دقت بالا اندازه‌گیری کند.

کنترلر DPC200 از یک سنسور دیافراگمی سیلیکونی استفاده می‌کند که تغییرات فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. دیافراگم تحت فشار هوا، فنر اندازه گیری را جابجا کرده تا جایی که نیروی فنر با اندازه فشار وارد بر دیافراگم برابر شود. سپس این جابجایی به یک سیگنال خروجی ولتاژ پیوسته تبدیل می شود.

همانطور که گفته شد، کنترلر DPC200 برای اندازه گیری فشار کم در گازهای غیر خورنده، به ویژه هوا طراحی و ساخته شده است. این دستگاه می تواند از یک سیگنال آنالوگ (0 تا 10 ولت) استفاده کند و دو حالت تنظیم مختلف ارائه دهد.

در حالت اول، سیگنال خروجی به ‌عنوان یک سیگنال متناسب با عمل می‌کند و در حالت دوم، سیگنال خروجی به‌عنوان یک سیگنال کنترل حلقه بسته PI برای کنترل اختلاف فشار یا جریان حجمی در حالت کنترل عمل می‌کند.

 

این کنترلر، به‌ طور عمده برای سیستم‌ های تهویه مطبوع، کنترل فشار اتاق و کنترل فیلتر در فن‌های با سرعت متغیر پیوسته (انواع فن و یا پلاگ فن EC تولید شده توسط شرکت ebm-papst) طراحی و ساخته شده است.

 

کنترلر DPC200 به منظور نصب بر روی دیوار طراحی شده است و باید در نظر داشت که جهت نصب و قرارگیری این کنترلر در عملکرد آن مؤثر است. همچنین شرایط محیطی که کنترلر در آن نصب می شود باید مطابق با داده های ارائه شده در دیتاشیت محصول باشد.

شماتیک کنترلر DPC200 شرکت Arthur Grillo

ویژگی‌های برجسته کنترلر DPC200

• خروجی آنالوگ 0 تا 10 ولت که امکان ارتباط با سیستم‌های کنترلی و اتوماسیون را فراهم می‌کند.
• حالت اندازه‌گیری و کنترل که به کاربران اجازه می‌دهد دستگاه را برای پایش فشار یا تنظیم جریان هوا به کار گیرند.
• الگوریتم کنترلی PI که امکان تنظیم دقیق فشار تفاضلی را فراهم می‌کند و به بهینه‌سازی مصرف انرژی کمک می‌کند.
• خروجی هشدار برای نظارت بر فشارهای خارج از محدوده و ارسال سیگنال هشدار در صورت بروز مشکلات.
• کم ترین میزان فشار قابل اندازه گیری:0 تا 50 پاسکال
• بیشترین میزان فشار قابل اندازه گیری: 0 تا 4000 پاسکال
• ولتاژ کاری مورد نیاز: 10 تا 30 Vdc و 24 Vac.
• درجه حفاظتی IP54
• دمای کاری محیط: -10 تا 50 درجه سلسیوس
• دمای نگهداری: -25 تا 60 درجه سلسیوس
• وزن: 250 g.

 

 

نحوه عملکرد سیستم های کنترلی حلقه بسته (closed loop control)

سیستم ‌های کنترل حلقه بسته به گونه ‌ای طراحی شده‌ اند که با استفاده از بازخورد و اصلاح مداوم، یک مقدار واقعی را به مقدار تنظیم‌ شده نزدیک کنند. در این نوع سیستم ‌ها، مقدار واقعی (خروجی سیستم) توسط یک دستگاه اندازه‌گیری ثبت می ‌شود و به عنوان متغیر بازخورد به سیستم باز می‌ گردد. این متغیر سپس با مقدار تنظیم ‌شده مقایسه شده و اختلاف کنترل (یا انحراف کنترل) محاسبه می‌ شود.

اختلاف کنترل که نشان ‌دهنده فاصله بین مقدار واقعی و مقدار تنظیم‌ شده است، به طور مداوم بازنگری می‌ شود تا سیستم بتواند به تغییرات پاسخ دهد. این اختلالات، که به عنوان متغیرهای مزاحم شناخته می ‌شوند، ممکن است عملکرد سیستم را مختل کنند. اما با استفاده از مکانیزم بازخورد در سیستم کنترل حلقه بسته، این اختلالات جبران شده و خروجی سیستم به سمت مقدار مطلوب هدایت می‌ شود.

 

مزیت اصلی سیستم‌ های کنترل حلقه بسته در توانایی آن‌ ها برای پایدارسازی خروجی و حفظ دقت در شرایط متغیر محیطی است. این سیستم ‌ها در بسیاری از کاربردهای صنعتی و مهندسی، مانند کنترل دما، فشار، سرعت و موقعیت، نقش حیاتی ایفا می ‌کنند.

 

کنترلر DPC200 نیز به همین صورت عمل می کند. از کنترلر DPC200 می توان در دو حالت اندازه گیری (measuring mode) و حالت کنترل (control mode) استفاده کرد. همانطور که از نام آن ها مشخص است، در حالت اول فقط میزان اختلاف فشار و همچنین مقدار سیگنال 0 تا 10 ولت خروجی از DPC200 نشان داده می شود. اما در حالت کنترل، علاوه بر موارد قبلی، این امکان وجود دارد که دو نقطه تنظیم (set point) تعیین  شود و سپس با استفاده از الگوریتم PI، مقادیر واقعی با مقادیر نقاط تنظیم مقایسه شوند تا فشار مطلوب مورد نظر همواره برقرار باشد. سیگنال کنترل خروجی که از کنترلر DPC200 خارج می شود نیز به صورت یک سیگنال 0 تا 10 ولت می باشد و به همین دلیل کنترلر DPC200 مناسب استفاده در انواع فن یا پلاگ فن EC ساخت شرکت ebm-papst می باشد که دارای ورودی ولتاژ 0 تا 10 هستند. مزیت اصلی انواع فن EC، عدم نیاز به اینورتر می باشد. بدین ترتیب تنها با استفاده از یک کنترلر DPC200 و بدون استفاده از PLC می توان این مدل از فن ها را به راحتی کنترل کرد.

 

کنترلر DPC200 دو عدد ورودی دارد که یکی از آن ها از طریق شیلنگ اتصال به قسمت ورودی فن (suction side) متصل شده و ورودی دیگر نیز به قسمت خروجی فن (discharge side) متصل می شود. قسمت خروجی فن می تواند هر نقطه ای از دستگاه قرار بگیرد، مثلا قبل یا بعد از فیلترهای هوا به منظور متوجه شدن گرفتگی فیلترها و یا در قسمت خروجی دستگاه هواساز به منظور بررسی میزان جریان هوای خروجی از هواساز.

کنترلر DPC200 با مقایسه اختلاف فشار (یا جریان هوا) بین این دو نقطه و مقایسه آن ها با set point مد نظر، می تواند دستور اصلاح را به فن EC ارسال کند تا سرعت گردش فن افزایش و یا کاهش یابد.

استفاده از سیستم کنترل حلقه بسته این امکان را می دهد که کاربر بر حسب نیاز بتواند عملکرد کنترلر را معکوس کند. دو حالت مختلف کارکرد سیستم کنترلی در کنترلر DPC200 تحت عنوان Heating/Positive و Cooling/Negative مشخص شده‌اند. در حالت عملکرد مثبت (گرمایش) کنترلر، میزان اختلاف کنترل از کم کردن مقدار واقعی از مقدار تنظیم شده بدست می آید:

Control difference = set value – actual value

و حالت منفی (سرمایش) به صورت معکوس می باشد:

Control difference = actual value – set value

همچنین این عبارت های سرمایش و گرمایش برای فشار و جریان هوا نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

باید توجه داشت که انتخاب بین این دو گزینه باعث تغییر در عملکرد فن (جهت گردش فن) نمی شود و تنها تفاوت بین این دو، روش محاسبه اختلاف می باشد. شکل زیر نشان دهنده این موضوع می باشد:

چالش‌های استفاده از کنترلر فشار تفاضلی در سیستم‌های تهویه مطبوع

با وجود مزایای بسیار، استفاده از کنترلرهای فشار تفاضلی در سیستم‌های تهویه مطبوع با چالش‌هایی نیز همراه است. یکی از این چالش‌ها، تنظیم دقیق مقدار Set Point برای شرایط مختلف است. اگر این مقدار به درستی تنظیم نشود، ممکن است سیستم به درستی عمل نکند و باعث افزایش مصرف انرژی یا کاهش عملکرد شود. همچنین، نصب و نگهداری مناسب کنترلرها برای جلوگیری از خطاهای اندازه‌گیری و کاهش هزینه‌های اضافی ضروری است.

جمع بندی

کنترلرهای فشار تفاضلی به عنوان یکی از ابزارهای حیاتی در سیستم‌های تهویه مطبوع، نقش بسزایی در بهبود عملکرد سیستم‌ها، افزایش کارایی انرژی، و کاهش هزینه‌های بهره‌برداری ایفا می‌کنند. با پیشرفت فناوری و افزایش نیاز به سیستم‌های هوشمند، استفاده از کنترلرهای دیجیتال و الکترونیکی در سیستم‌های HVAC به سرعت در حال گسترش است. به طور کلی، کنترل فشار تفاضلی نه تنها به بهبود آسایش و سلامت کاربران کمک می‌کند، بلکه به بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها و افزایش عمر مفید تجهیزات نیز منجر می‌شود.