Sterowanie ogrzewaniem w systemie KNX/EIB

Obecnie istnieje wiele inteligentnych systemów budynkowych. Jednym ze standardów tych systemów rozpowszechnionym w Europie jest KNX/EIB (Konnex/European Installation Bus), który pozwala na automatyczną kontrolę temperatury w pomieszczeniu w zależności od jego rodzaju, pory dnia i innych warunków zewnętrznych oraz określonych przez użytkownika.

Ponadto wykonanie sterowania instalacją ogrzewania w tym systemie pozwala na integrację z innymi instalacjami czy systemami, które także mogą mieć wpływ na zmianę temperatury. Sterowanie ogrzewaniem uwzględniające indywidualne potrzeby użytkowników jest jednym z zasadniczych powodów wprowadzenia miejscowej regulacji temperatury.

Taka regulacja znajduje zastosowanie w budynkach mieszkalnych (domy, wille, mieszkania, apartamenty), budynkach użyteczności publicznej (biura, hotele, szkoły) oraz małych firmach, pracowniach, np. projektowych itp. Stosowanie indywidualnych regulatorów  pokojowych pozwala na różnicowanie temperatury w każdym pomieszczeniu lub grupie pomieszczeń, zwiększając komfort i przyczyniając się do zmniejszenia kosztów eksploatacji. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy obieg wody w instalacji centralnego ogrzewania z wartościami temperatury uzyskiwanymi w różnych pomieszczeniach.

Sposób rozwiązania instalacji elektrycznej w systemie KNX/EIB przedstawiono na przykładzie salonu (fot. 1) w domu jednorodzinnym, wyposażonym w zintegrowany system sterowania ogrzewaniem przy użyciu sterownika Vitocom 200 firmy Viessmann. Sterownik ten komunikuje się z systemem KNX/EIB oraz z regulatorami temperatury. Do sterowania urządzeniami grzewczymi zastosowano:

• przycisk (sensor) czteroklawiszowy P3 (fot. 2a) z regulatorem temperatury, umieszczony w pobliżu okna,
• panel dotykowy PS2 (fot. 2b), umieszczony przy wejściu do salonu.

Ogrzewanie podłogowe sterowane jest z rozdzielacza, w którym umieszczono zawór elektryczny SP1. Dodatkowo, przy drzwiach wyjściowych na taras, umieszczono grzejnik wodny z zaworem elektrycznym SG2. Podstawowe funkcje sterowania temperaturą w salonie przypisano do przycisku P3. Przycisk ten jest wyposażony w regulator temperatury, który może pracować w trybach: komfort, standby, nocnym oraz ochrony przed zamarzaniem. Przy zmianie trybu pracy regulatora istnieje możliwość ustawienia aplikacji opóźnienia czasu przejścia do innego trybu. Przyjęto następujące parametry i funkcje trybów pracy:

• komfort – nastawiona temperatura 23°C, godziny aktywności od 6.00 do 7.00 oraz od 15.00 do 23.00, funkcja aktywowana za pomocą informacji „ON” – „1”,
• standby – nastawiona temperatura 19°C, godziny aktywności od 7.00 do 15.00, funkcja aktywowana za pomocą informacji wyłączającej tryb „komfort” „OFF” – „0” oraz tryb „nocny” „OFF” – „0”,
• nocny – nastawiona temperatura 17°C, godziny aktywności od 23.00 do 6.00, funkcja aktywowana za pomocą informacji wyłączającej tryb „komfort” „OFF” – „0” oraz załączającej tryb „nocny” „ON” – „1”,
• ochrona przed zamarzaniem – nastawiona temperatura 7°C, funkcja aktywowana za pomocą informacji otrzymanej z kontaktronu (urządzenia kontrolującego położenie okna – otwarte „1”, zamknięte „0”).

W celu ustawienia odpowiednich wartości temperatury należy wybrać z panelu dotykowego (fot. 2b) funkcję „Control general” i następnie „Controller” ustawić na „Switching On” (załączenie funkcji kontrolowania). W dalszej kolejności wybieramy zakładkę „Setpoints” i ustawiamy temperaturę dla wymienionych trybów (fot. 3).

Kolejną czynnością, po ustawieniu parametrów trybów pracy, jest wybranie funkcji „closed -loop control for heating” (fot. 4) i ustawienie parametru „Control value output Pi controller” (ustawienie trybu pracy zaworów na dwustanowy – próbkujący – ON, OFF).

Sposób przypisania adresów grupowych, sterujących trybami ogrzewania, do obiektów komunikacyjnych w aplikacji przycisku P3 ilustruje widok okna w programie ETS3, przedstawiony na fotografii 5, natomiast rysunek 2 przedstawia schemat funkcyjny przypisania tych adresów.

Tryb „komfort” został przypisany funkcji „Time control” do dwóch kanałów: kanału 1 „Time channel 1” ustawionego na godzinę 6.00 i kanału 3 „Time channel 3” ustawionego na godzinę 15.00. O nastawionej godzinie (6.00 lub 15.00), do przycisku P3 wysłany zostanie rozkaz załączenia – „1” o adresie grupowym 2/3/1 do obiektu komunikacyjnego (36). Tryb „komfort” zostaje załączony.

Następnie, po sprawdzeniu temperatury przez wbudowany czujnik w przycisku P3, zostaje wysłane polecenie o adresie grupowym 2/3/5 do aktora grzewczego AG1 do obiektu komunikacyjnego (1). Po stwierdzeniu, że temperatura w pomieszczeniu jest niższa od zadanej, regulator analizuje czas, na jaki załączy ogrzewanie. Z podstawą czasową h = 15 minut regulator co 15 minut kontroluje temperaturę. Gdy temperatura w pomieszczeniu różni się od nastawionej o 2°C, wówczas  regulator załączy na 8 minut ogrzewanie, a kolejne 7 minut będzie ono wyłączone.

Po upływie kolejnych 15 minut regulator ponownie sprawdza temperaturę w pomieszczeniu i przyrównuje ją do zadanej. W przypadku gdy temperatura będzie różniła się o 1°C, regulator załączy ogrzewanie na 4 minuty, a kolejne 11 minut będzie wyłączony. Cykl powtarza się co 15 minut. Tryb „standby” został przypisany funkcji „Time control” do kanału 2 „Time channel 2”, który został ustawiony na godzinę 7.30. O tej godzinie zostanie wysłana informacja o adresie grupowym 2/3/4 do przycisku P3 do obiektu komunikacyjnego (36) „komfort” oraz do obiektu komunikacyjnego  (37) „noc” z rozkazem „0” – wyłącz i zostanie załączony tryb „standby”.

Następnie po sprawdzeniu temperatury poprzez wbudowany czujnik temperatury w przycisku P3 zostanie wysłane polecenie o adresie grupowym 2/3/5 do aktora grzewczego AG1 do obiektu komunikacyjnego (1). W przypadku stwierdzenia, że temperatura w pomieszczeniu jest niższa od zadanej, regulator wyśle polecenie załączenia ogrzewania.

Tryb „noc” został przypisany do funkcji „Time control” do kanału 4 „Time channel 4”, który  został ustawiony na godzinę 23.30. O ustawionej godzinie zostanie wysłana informacja o adresie grupowym 2/3/2 do przycisku P3 do obiektu komunikacyjnego (36) „komfort” z rozkazem „0” – wyłącz oraz do obiektu komunikacyjnego (37) „noc” z rozkazem „1” – wyłącz i zostanie załączony tryb „noc”. Następnie po sprawdzeniu temperatury zostanie wysłana informacja o adresie grupowym 2/3/5 do aktora grzewczego AG1 do obiektu komunikacyjnego (1). W przypadku stwierdzenia, że temperatura w pomieszczeniu jest niższa od zadanej, regulator wyśle poleceniezałączenia ogrzewania.

Tryb „ochrona przed zamarzaniem” jest aktywowany za pomocą wysłania informacji z kontaktronu CZO2. Kontaktron kontroluje położenie okna (otwarte – „1”, zamknięte – „0”) i w przypadku gdy jest ono otwarte, podaje napięcie 24V DC na wejście binarne AWB1 do kanału 2. Następnie wejście binarne AWB1 wysyła informację o adresie grupowym 2/3/3 z obiektu komunikacyjnego (2) na wejście komunikacyjne (38) przycisku P3 z rozkazem „1” – wyłącz tryb „ochrona przed zamarzaniem”.

Wówczas regulator przejdzie z trybów pracy „komfort”, „standby”, „noc” na tryb „ochrona przed zamarzaniem”. Dodatkową możliwością przycisku P3 jest wysyłanie aktualnej temperatury do centralnego miejsca, jakim może być np. panel dotykowy PS2 znajdujący się w salonie. Z czujnika temperatury umieszczonego w przycisku P3 wysyłana jest informacja o aktualnej temperaturze, którą należy powiązać z obiektem komunikacyjnym (40) o nazwie „current actual value” przycisku P3.

Wyświetlacz LCD w sensorze przyciskowym P3 pełni rolę informacyjną i sam jest przyciskiem, w którym można zmieniać nastawy temperatury, tryby pracy, funkcje i czas działania. Po wywołaniu menu panelu dotykowego przez naciśnięcie odpowiednio środkowej, dolnej części wyświetlacza możemy wybrać poszczególne funkcje:

• zmiana wymaganej wartości – umożliwia nastawy temperatury w pomieszczeniu niezależnie od ustawionych trybów, naciskając lewąstronę wyświetlacza – zmniejszamy temperaturę, prawą – zwiększamy,
• zmiana trybu pracy – umożliwia ustawienie trybów pracy termostatu przez wybieranie poszczególnych oznaczeń: b0 – noc, b1 – standby, b2 – komfort,
• wybór dni roboczych lub wolnych od pracy – wybierając oznaczenia: h0 dla dni wolnych lub h1 dla dni roboczych należy zaprogramować ustawienia parametrów dla tych dni,
• tryb wyświetlacza – umożliwia ustawienie wyświetlanych informacji: d0 – aktualna temperatura, d2 – na przemian temperatura zadana i aktualna, d3 – data, d4 – czas, d5 – na przemian data i czas, d6 – na przemian aktualna i zadana temperatura oraz data i czas.

Schemat powiązania funkcyjnego i przypisania adresów grupowych do opisanych urządzeń sterujących,  a więc przycisku P3, stacji pogodowej, panelu dotykowego, sterownika Vitocom 200 oraz kontaktronu przedstawiono na rysunku 3.

Główny panel dotykowy oznaczony jako PS2 (adres fizyczny 0.0.26), w którym umieszczono podgląd na całą instalację z możliwością jej sterowania, znajduje się w salonie. W panelu PS2 ustawiono kilka stron, do których przypisano między innymi wszystkie funkcje sterowania, takie jak w przycisku P3. W panelu umieszczono również funkcję podglądu aktualnej temperatury w kotle grzewczym, temperatury zewnętrznej, ciśnienia atmosferycznego i wilgotności.

Ustawienie wymienionych funkcji związane jest z odpowiednim ustawieniem aplikacji stacji pogodowej SP oraz powiązaniem obiektów komunikacyjnych z panelem sterowania PS2. Na przykład w celu ustawienia funkcji pomiaru temperatury zewnętrznej należy spośród funkcji stacji pogodowej SP wybrać „pomiar temperatury” i jednostki pomiaru, a do panelu sterowania PS2 przypisać adres grupowy 0/1/2 do obiektu komunikacyjnego (1) stacji pogodowej SP. Następnie funkcja panelu dotykowego PS2 musi zostać skonfigurowana.

Sterownik Vitocom 200 zastosowany w instalacji grzewczej pozwala na znaczne oszczędności energii. Aby zintegrować ten sterownik z urządzeniami magistralnymi KNX/EIB, należy z każdego pomieszczenia, w którym został umieszczony regulator temperatury, przesyłać informacje o aktualnych położeniach zaworów elektrycznych ogrzewania (wyłączone – „0”, załączone – „1”).

Informacje te trafiają do panelu sterowania PS2 na bramkę OR. Jeśli minimum jedno pomieszczenie wykazuje zapotrzebowanie na ogrzewanie (logiczne „1” na wejściu bramki), to zostaje wysłane polecenie do sterownika Vitocom 200 o adresie grupowym 0/1/3 – „ustaw RTS* na 25°C”. Polecenie to powoduje zmianę o kilka stopni temperatury wody w kotle lub na zasilaniu i pomieszczenie będzie się szybko nagrzewać. Jeśli żaden czujnik temperatury nie wysyła informacji o zapotrzebowaniu energii, to sterownik Vitocom realizuje polecenie „ustaw RTS* na 15°C”.

Temperatura wody w kotle obniży się, a palnik pieca będzie załączał się rzadziej, co przyczyni się do dużych oszczędności energii. Dodatkowe informacje, które można odczytać na panelu sterowania PS2, przesłane ze sterownika to: temperatura wody w kotle – KTS*, temperatura wody na zasilaniu – VTS*, stan pracy pompy, krzywa grzewcza, poziom krzywej grzewczej, ciepła woda użytkowa – CWU* (* – oznaczenia odnoszą się do funkcji sterowania pieca grzewczego firmy Viessmann i stosowane są w instrukcji technicznej tego pieca).

Przedstawiony przykład sterowania ogrzewaniem pokazuje, że system KNX/EIB pozwala na indywidualną regulację temperatury w każdym pomieszczeniu i o każdej porze dnia i nocy. Takie rozwiązanie pozwala uzyskać wysoki komfort i jednocześnie utrzymać zużycie energii na stosunkowo niskim poziomie. Dzięki nowoczesnym termostatom, czujnikom i regulatorom temperatury w łatwy sposób można kontrolować temperaturę w wybranym pomieszczeniu, przez co uzyskujemy zdecydowaną przewagę nad tradycyjnymi systemami sterowania ogrzewaniem. Mimo że systemy te wciąż są drogie, to w rozrachunku długoterminowym możemy uzyskać znaczne oszczędności energii, a więc zmniejszyć koszty eksploatacji obiektu.