Nowe możliwości sterowania komfortem

U podstaw automatyki budynkowej realizującej funkcje zapewnienia komfortu w pomieszczeniach leżą sposoby regulacji ogrzewania: ilościowa, jakościowa oraz ilościowo-jakościowa.

Regulacja ilościowa polega na zmianie – w zależności od potrzeb cieplnych – ilości przepływającego czynnika grzewczego w instalacji bez zmiany jego temperatury.

Regulacja jakościowa polega na zmianie temperatury czynnika grzewczego przy stałym przepływie przez instalację.

Natomiast regulacja ilościowo-jakościowa to połączenie obu tych możliwości.

Jednym z najczęściej stosowanych algorytmów przy regulacji jakościowej jest wykorzystanie sprzężenia zwrotnego. Polega ono na tym, że sterownik kontroluje działanie instalacji na podstawie komunikatu zwrotnego. W przypadku ogrzewania jest to temperatura mierzona przez czujnik umieszczony na powrocie instalacji do kotła. Regulację ilościową stosuje się zaś tam, gdzie priorytetem jest utrzymywanie stałej temperatury, w tym w instalacjach parowych i przemysłowych.

Rozwinięcie tematu znajdziesz w artykule: "Grubości termoizolacji w instalacjach technicznych i przemysłowych" »

Wysoki komfort i jednoczesną optymalizację kosztów umożliwia trzeci wariant – regulacja ilościowo-jakościowa (rys. 1) - polegający na ustalaniu w sterowniku wartości ograniczenia temperatury zasilania, do której instalacja jest regulowana jakościowo, po czym, gdy zapotrzebowanie na moc w budynku spada, regulacja odbywa się już ilościowo poprzez zmianę strumienia przepływu.

Wariant ten umożliwia osiągnięcie sporych oszczędności przy zachowaniu wysokiego komfortu.

W zależności od miejsca regulacji wyróżnia się regulację miejscową i centralną. Różnica pomiędzy nimi jest subtelna i łatwo w niektórych przypadkach o ich pomylenie.

Regulacja miejscowa to w uproszczeniu taka, w której urządzenie regulacyjne ma bezpośredni wpływ na kształtowanie mikroklimatu w pomieszczeniu. Bardzo dobrym przykładem regulacji miejscowej są zawory termostatyczne, które pod wpływem zmian temperatury w pomieszczeniu regulują przepływ wody do grzejnika.

Regulacja centralna zaś to taka, gdzie regulacja parametrów odbywa się poza pomieszczeniem, w którym chcemy zmienić temperaturę. Termostat pokojowy połączony zdalnie z kotłem to już regulacja centralna, bo to w kotle zmieniane są parametry czynnika grzewczego, a nie w termostacie.

Algorytm działania

W zależności od instalacji zalecane są różne algorytmy regulacji.

Najprostszy algorytm dwupołożeniowy, typu włącz/wyłącz, stosowany jest np. przy ogrzewaniu elektrycznym.

Działanie tego typu regulacji polega na pomiarze przez czujnik temperatury, np. w pomieszczeniu. Jeśli temperatura odbiegnie o połowę histerezy od wartości zadanej, sygnał kierowany jest do przekaźnika binarnego w siłowniku i tam następuje nastawienie nowych parametrów pracy urządzenia wykonawczego.

Bardziej rozwinięty algorytm to regulacja trzy- i klikustanowa. Schemat działania jest ten sam, tylko siłownik może przyjmować więcej niż dwa położenia, np. siłowniki kilkubiegowych wentylatorów.

Regulacja PWM (Pulse Width Modulation) to nieco bardziej skomplikowany wariant regulacji dwupołożeniowej. Polega on na tym, że dodatkowym parametrem w algorytmie oprócz położenia siłownika jest czas impulsowania. Dla inżyniera HVAC oznacza to, jak długo np. nagrzewnica ma pracować na pełnej mocy i kiedy się wyłączyć.

Regulator na podstawie porównywania temperatury zadanej z mierzoną wyznacza krzywą regulacji i załącza lub wyłącza na pewien czas zawór w nagrzewnicy. Dzięki takiemu algorytmowi wartość wyjściowa dla regulatora jest zmienna, pomimo że są tylko dwa położenia: otwórz i zamknij. Ze względu na większą liczbę informacji w tym algorytmie może on działać w pomieszczeniach, w których występują większe zakłócenia, czyli zmienne zyski ciepła [1, 2].

Największą dokładność uzyskuje się dzięki regulatorom typu PI (proporcjonalno-całkującym) i PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkującym).

Pierwsze to w uproszczeniu regulacja nadążna, gdy parametry systemu muszą systematycznie dostosowywać się do zmieniających się warunków, np. przy sterowaniu ogrzewaniem na podstawie temperatury zewnętrznej.

Regulator PID utrzymuje zaś stałe parametry instalacji bez względu na zmieniające się warunki. Stosuje się go np. do sterowania temperaturą nawiewanego powietrza.

Zarówno regulatory PI, jak i PID współpracują z zaworami o regulowanym stopniu otwarcia, co umożliwia najdokładniejsze dopasowanie do potrzeb.

Duża precyzja to także wyższy koszt implementacji wdrożenia niż w przypadku prostej regulacji dwustanowej. Nie w każdej instalacji czy urządzeniu to się opłaca. Algorytm regulacji powinien być dostosowany do potrzeb użytkowników. Nie zawsze jest tak, że najdroższe rozwiązanie z wieloma funkcjami jest najlepsze, czasem inwestycja w automatykę, której nie potrzeba, może przynieść zamiast zysków – straty [1].

Sterowanie nagrzewnicami

Nowoczesne metody sterowania są coraz częściej stosowane zarówno w dużych instalacjach, jak i przy regulacji pojedynczych urządzeń, np. w nagrzewnicach. Odchodzi się od ręcznej regulacji na rzecz automatyzacji.

Na rynku dostępne są popularne rozwiązania wykorzystujące transformatorowy regulator obrotów do sterowania dwustanowego wentylatora w nagrzewnicy (włącz/wyłącz). Rozwiązanie jest rekomendowane dla obiektów, w których wentylatory nie wymagają częstej regulacji.

W bardziej wymagających budynkach stosuje się nagrzewnice wyposażone w wentylatory z płynną regulacją wydajności. Układ składa się z naściennego czujnika temperatury, programowalnego nastawnika obrotów oraz wentylatora i zaworu z siłownikiem. Wydajność pracy nagrzewnicy zależy od różnicy temperatury ustawionej w programatorze, a zmierzonej czujnikiem.

Obecnie na rynku dostępne są także urządzenia wyposażone w trójbiegowe wentylatory, których pracą steruje termostat oraz sterownik HMI (Human Machine Interface) i w zależności od zapotrzebowania na chwilową moc grzewczą zmienia biegi silnika wentylatora. Dzięki temu wentylator pracuje na biegu odpowiednim do potrzeb. Co ważne, jeden sterownik może kierować działaniem kilku urządzeń jednocześnie. Taki układ jest mniej skomplikowany od spotykanych do tej pory, gdzie dodatkowym elementem był jeszcze automatyczny regulator obrotów, który na podstawie sygnału napięciowego ze sterownika dobierał napięcie sterujące wentylatorem.

Prostota tego nowego rozwiązania pozwala nie tylko na mniejsze wydatki w trakcie inwestycji, ale także na mniejsze ryzyko usterek czy awarii w trakcie eksploatacji. Istnieje także możliwość dodania do systemu naściennego termistorowego czujnika temperatury NTC (Negative Temperature Coefficient, wzrost temperatury powoduje zmniejszenie oporności), jeśli sterownik znajduje się w innym pomieszczeniu niż nagrzewnica (rys. 2).

Sterownik HMI ma także funkcję ochrony antyzamrożeniowej, czyli uaktywnia nagrzewnicę, gdy jest ona w fazie uśpienia.

Sterowniki HMI upraszczają scenariusz działania urządzeń, a przy tym umożliwiają wprowadzenie dodatkowych funkcji. Największą jednak zaletą jest możliwość ich podłączenia do systemu BMS w budynku, co czyni ten sposób regulacji bardziej uniwersalnym i ułatwia jego kontrolę [3].

Automatyzacja procesów to obecnie przyszłość urządzeń grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. W momencie kiedy sprawności działania tych urządzeń osiągają maksimum możliwości, sposobem na obniżenie kosztów użytkowania jest odpowiednie sterowanie. Schemat działania nowoczesnych urządzeń może wydawać się skomplikowany, wywodzi się jednak z podstawowych algorytmów regulacji.

Literatura

1. Sowiński K., Wykorzystanie systemu KNX (EIB) do sterowania ogrzewaniem w budynkach, „Elektroinstalator” nr 9/2003.

2. Zawada B., Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji, Wyd. PW, Warszawa 2012.

3. Materiały firm Fläkt Woods, Flowair i VTS.

Czytaj też: Ogrzewanie i wentylacja kurników >>>