Regulacja obniżenia nocnego

Wykonując obliczenia zapotrzebowania ciepła obiektu audytorzy stosują współczynniki uwzględniające przerwy w ogrzewaniu w okresie doby na podstawie tabeli zamieszczonej m.in. w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 15 stycznia 2002 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy audytu energetycznego [3]. Wartości te przedstawia tab. 1.

Do budynku lekkiego zaliczamy obiekt, którego masa części ogrzewanej odniesiona do kubatury ogrzewanej nie przekracza 150 kg/m³. Wartości współczynnika uwzględniającego przerwy w ogrzewaniu w okresie doby zawarte w tab. 1. dotyczą oszczędności w wyniku stosowania obniżeń nocnych przy wykorzystaniu takiej opcji znajdującej się w regulatorach pogodowych.

Przy przerwach trwających 4 godziny oszczędności roczne mogą sięgać 4÷2%, a przy 8 godzinach na dobę nawet 7÷5%, w zależności od typu budynku. Dłuższe przerwy w budownictwie mieszkaniowym raczej nie są stosowane.

W tej samej tabeli znajduje się informacja dotycząca budynków mieszkalnych wielorodzinnych typu lekkiego i ciężkiego, w których nie stosuje się przerw w ogrzewaniu w okresie doby, a zainstalowano w nich termostatyczne zawory grzejnikowe i podzielniki kosztów lub mieszkaniowe liczniki ciepła oraz wprowadzono rozliczanie kosztów ogrzewania indywidualnie dla poszczególnych odbiorców.

Dla takich budynków przyjmuje się wartość współczynnika wd = 0,95, jako uwzględniającą stosowane indywidualnie przerwy w ogrzewaniu. Przyjmuje się więc, że mieszkańcy teoretycznie będą obniżać temperaturę w okresie nocy, wykorzystując termoregulatory zamontowane na grzejnikach, przyczyniając się tym samym do uzyskiwania 5% oszczędności w okresie roku.

Tyle mówi teoria, a jak wygląda praktyka? Czy zawsze oszczędzamy ciepło przy stosowaniu nocnego obniżenia temperatury? Aby odpowiedzieć na to pytanie warto prześledzić według jakich charakterystyk pracuje regulacja jakościowa i ilościowa łącznie. Jak się okaże jedna regulacja może „zwalczać” drugą.

W celu obniżenia zużycia energii w obiektach stosuje się regulatory pogodowe, które regulują wydajność wymienników lub grzejników w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego. Regulatory te dostosowują temperaturę czynnika grzewczego do temperatury zewnętrznej i pośrednio utrzymują odpowiednią temperaturę w mieszkaniu, realizując tzw. regulację jakościową.

Istnieje również możliwość zaprogramowania zmiennej temperatury w pomieszczeniach w czasie, w okresie tygodnia lub doby. Większość regulatorów pogodowych wyposażonych jest w funkcję obniżenia nocnego, realizowaną poprzez równoległe przesuwanie krzywej grzewczej [1].

Równocześnie z regulacją jakościową realizowana jest regulacja ilościowa przy wykorzystaniu zaworów termostatycznych (termoregulatorów). Zadaniem zaworów termostatycznych jest utrzymywanie żądanej w danym pomieszczeniu temperatury poprzez zmianę przepływu ilości czynnika grzejnego przez grzejnik.

Przy użyciu zaworów termostatycznych do sterowania temperaturą pomieszczenia, w zależności od warunków atmosferycznych i żądanej temperatury tylko w jednym pomieszczeniu oraz zmienności zysków w poszczególnych pomieszczeniach, poprawia się jakość regulacji, a tym samym uzyskiwane są oszczędności energii zużywanej na ogrzewanie.

Systemy regulacji umożliwiają również zapewnienie warunków komfortu cieplnego korzystnego dla dobrego samopoczucia i dla zdrowia człowieka, pozwalając m.in. na zmianę temperatury jego otoczenia w nocy, gdy powinna być ona niższa niż w ciągu dnia, poprzez realizację tzw. obniżeń nocnych.

Obniżanie temperatury w nocy ma na celu nie tylko poprawę warunków higienicznych w czasie snu, lecz również oszczędność ciepła do ogrzewania. Rano temperatura w pokoju powinna osiągnąć w krótkim czasie wartość przewidzianą wymaganiami komfortu dla okresu aktywności człowieka.

Regulator pogodowy

Obowiązujące przepisy zawarte w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4], nakazują wyposażać instalację centralnego ogrzewania w samoczynnie działające urządzenia do zmniejszania i odłączania dopływu ciepła w zależności od temperatury zewnętrznej lub innej stosownej wielkości prowadzącej.

Przez dobór właściwej krzywej grzewczej, dzięki pracy regulatora w zależności od warunków atmo sferycznych, uzyskuje się temperaturę zasilania zapewniającą równowagę cieplną (regulacja jakościowa). Najczęściej określonej temperaturze zewnętrznej przyporządkowana jest zawsze ta sama temperatura wody zasilającej instalację, niezbędna do osiągnięcia odpowiedniej temperatury w pomieszczeniu.

Przy malejącej temperaturze zewnętrznej i rosnącej temperaturze wody zasilającej grzejniki stan równowagi termicznej pomieszczenia utrzymuje się na stałym poziomie. Najczęściej wykorzystywaną wielkością, prowadzącą dla wymaganego dopasowania mocy cieplnej do warunków zewnętrznych, jest temperatura powietrza zewnętrznego.

Określonej temperaturze zewnętrznej jest przyporządkowana odpowiednia temperatura zasilania instalacji grzewczej, łącząc pary tych wartości uzyskuje się tzw. krzywą grzewczą.

Krzywą tą można modyfikować zmieniając jej kąt pochylenia lub przesuwając równolegle w dół – dla zapewnienia obniżenia nocnego, jak i w górę – dla potrzeb optymalizacji dobranej charakterystyki obiektu oraz instalacji. W regulatorach istnieje możliwość wyboru jednej z spośród wielu krzywych grzewczych reprezentujących różne obiekty oraz instalacje, ponieważ instalacje grzewcze pracują w różnych zakresach temperatury dla obiektów o różnym zapotrzebowaniu na ciepło i o różnych zdolnościach magazynowania ciepła.

W regulatorach stosowana jest często zmienna wartość obniżenia nocnego w funkcji temperatury zewnętrznej. Regulator automatycznie zmienia wartość obniżenia nocnego tak, żeby moc systemu grzewczego wystarczyła do osiągnięcia temperatury dziennej w pomieszczeniu po nocnym obniżeniu, nawet przy relatywnie niskich temperaturach zewnętrznych.

Wielkość obniżenia nocnego zależy od wartości tłumionej temperatury zewnętrznej (temperatury zewnętrznej jaka wystąpiła kilka godzin wcześniej), według krzywej wyznaczonej przez dwa punkty o zmiennych współrzędnych (rys. 1.). W punkcie najniższej temperatury zewnętrznej wartość obniżenia nocnego jest równa zero. Obniżenie rośnie stopniowo wraz z temperaturą zewnętrzną z uwagi na niebezpieczeństwo zamarznięcia rur.

Przykładowe charakterystyki regulatora firmy Tour Anderson [5] zamieszczono na rys. 1. Wartość obniżenia nocnego na tym regulatorze dla temperatury zewnętrznej 0°C wynosi 5 K, a przy temperaturze zewnętrznej –10°C odpowiednio 0 K.

Na rys. 1. oprócz krzywej zasilania instalacji grzewczej (linia czerwona) przedstawiono również charakterystykę temperatury wody powrotnej do EC w funkcji temperatury zewnętrznej (niebieska linia). Ma ona wpływ na efektywność dostarczania ciepła ze źródła ciepła do odbiorców. Zwracanie do wytwórcy ciepła wody o zbyt wysokiej temperaturze wpływa na pogorszenie ści dostarczania ciepła.

W założeniu realizacja funkcji obniżenia nocnego ma na celu zapewnienie oszczędności energii. Nie zawsze jednak tak jest. Przy równocześnie działającej regulacji jakościowej (regulator pogodowy) i regulacji ilościowej (zawór termostatyczny) można nie uzyskać zakładanych efektów. Ta druga regulacja będzie „zwalczać” efekty tej pierwszej.

• W ramach prowadzonych badań sprawdzano działanie zaworów termostatycznych w układzie całodobowym. W tym celu przeprowadzono pomiary temperatury grzejnika, temperatury zewnętrznej i wewnętrznej. Przebieg tych zmian zamieszczono na rys. 2.

Pomiary temperatury w wytypowanych miejscach przeprowadzono wykorzystując układ pomiarowy Lämpömittari [7, 8, 9] zainstalowany na komputerze PC z czujnikami temperatury DS18B20.

Układ do pomiaru temperatury składał się z:

• siedmiu czujników temperatury Pallas Semiconductor MAXIM Dallas typ DS18B20,
• kabla dwużyłowego do czujników podpiętych równolegle,
• konwertera interfejsów RS-232/1-Wire,
• portu RS232,
• komputera PC z oprogramowaniem.

Charakterystyka czujnika Pallas Semiconductor MAXIM Dallas:

• typ DS 18B20;
• zakres pomiaru temperatury od –55°C do +125°C;
• błąd pomiaru ±0,5°C (w zakresie od –10°C do +85°C);
• rozdzielczość 0,0625°C (1/16°C);
• czas przetwarzania temperatury 750 ms;
• napięcie zasilania od 3 do 5,5 V;
• obudowa TO- 92;
• niepowtarzalny 64 bitowy numer seryjny;
• dwuprzewodowa magistrala 1-WIRE (1 przewód transmisji danych magistrali 1-wire, GND – VCC);
• maksymalnie 64 szt. podłączone do konwertera interfejsu.

DS18B20 jest czujnikiem zamieniającym rezystancję zmierzonej temperatury w wartość cyfrową, która jest przesyłana przez jednoprzewodowy interfejs. Każdy układ ma swój indywidualny numer, co daje możliwość jednoczesnego podłączenia wielu układów do jednoprzewodowej magistrali; ma wejście zasilające; może być także zasilany przez jednoprzewodową magistralę; napięcie zasilania: od +3,0 do +5,5 V.

Do odczytu temperatury wykorzystano stacjonarny komputer PC z oprogramowaniem Lämpömittari. Pełna wersja tego programu jest ogólnie dostępna bezpłatnie w internecie [7]. Odczyt temperatury z czujników odbywał się w sposób ciągły, co 14 sekund z każdego czujnika. Dane zostały archiwizowane w postaci plików .txt na dysk komputera. Z każdego czujnika zapis odbywał się do oddzielnego pliku.

Program umożliwiał śledzenie zmian temperatury w postaci wykresów, jak również w postaci cyfrowej wyświetlanej na monitorze, co prezentuje rys. 2. Okres wyświetlany można dowolnie zmieniać od godziny do jednego miesiąca. Również oś temperatury można dowolnie modyfikować. Układ ten ma podstawową zaletę, jest tani i łatwy do wykonania.

Zmiany temperatury powietrza wypływającego z grzejnika przedstawione są na wykresie linią zbliżoną do sinusoidy. W okresie nocy przy braku zakłóceń zewnętrznych temperatura powietrza wypływającego z grzejnika ustalała się ok. godziny 21.00, co obrazuje na wykresie linia prosta.

Ponieważ w okresie nocy od godziny 22.00 do 6.00 realizowane było obniżenie nocne, widać wyraźnie na wykresie jak linia temperatury powietrza wypływającego z grzejnika (kolor fioletowy) odchyla się od linii prostej na początku i końcu działania obniżenia nocnego. Jest to efekt prawidłowego działania zaworu termostatycznego, który utrzymuje nastawioną na czujniku temperaturę w pomieszczeniu.

Na początku włączenia obniżenia nocnego (22.00) na skutek obniżenia się temperatury czynnika, następuje chwilowe obniżenie się temperatury, a po chwili jej wzrost, który spowodowany był zwiększeniem ilości przepływającego medium. Po kilkunastu minutach następuje obniżenie się tej temperatury do wartości ustabilizowanej.

Odwrotna sytuacja następuje o godzinie 6.00. Po wyłączeniu obniżenia nocnego następuje wzrost temperatury wody zasilającej grzejnik. Zawór termostatyczny zmniejsza przepływ przez grzejnik, co objawia się chwilowym obniżeniem temperatury powietrza wypływającego z grzejnika. Po chwili temperatura powietrza stabilizuje się na poziomie z okresu nocy.

Kolejne zakłócenia spowodowane zyskami i stratami w pomieszczeniu powodują kolejne cykle zamykania i otwierania się zaworu termostatycznego, co skutkuje zmianami temperatury powietrza opuszczającego grzejnik.

Po przeanalizowaniu całego cyklu pracy zaworu termostatycznego widać brak oczekiwanego obniżenia się temperatury w pomieszczeniu w czasie zaprogramowanego obniżenia nocnego. Skutkuje to brakiem oczekiwanej oszczędności ciepła w ogrzewaniu, tak oczekiwanej przy stosowaniu obniżenia nocnego. Dlaczego tak się stało? Odpowiedź da przeanalizowanie pracy termoregulatorów.

Praca zaworów termostatycznych w układach z centralną regulacją jakościową

Zawór termostatyczny jest regulatorem proporcjonalnym bezpośredniego działania typu P [6]. W regulatorach tych zmiana wielkości nastawczej jest proporcjonalna do zmiany wielkości regulowanej. Temperatura pomieszczenia zależy od ilości wody, o określonej temperaturze, przepływającej przez grzejnik, a uzyskiwanej przy odpowiednim skoku zaworu.

Dla nastawionej [2] wartości zadanej 20°C przyjmuje się w większości zaworów skok w wysokości 50% zmiany wielkości nastawczej (rys. 3.). Nastawiona wyższa wartość zadana wymaga coraz większego skoku i w konsekwencji coraz większego natężenia przepływu wody przez grzejnik. Przy wystąpieniu zakłócenia w postaci zmiany temperatury zewnętrznej, podczas którego wartość temperatury wody na zasilaniu utrzymuje się bez zmian, występuje pozytywna reakcja zaworu termostatycznego zmieniająca przepływ wody przez grzejnik.

Aby móc obsłużyć cały zakres nastawczy, regulator typu P musi mieć zakres proporcjonalności określonej wielkości – nazywany także pasmem P, np. xp = 2 K. Jeżeli temperatura pomieszczenia obniży się poniżej 19°C, to zawór pozostanie całkowicie otwarty. Natomiast przy temperaturze pomieszczenia ≥ 21°C zawór jest zamknięty.

Maksymalna stała odchyłka regulacji równa xp/2 (w tym przypadku 1 K) musi być tak dopasowana do charakterystyki obiektu regulacji, żeby z jednej strony nie była zbyt duża (utrata komfortu), z drugiej zaś zbyt mała, aby obwód regulacji z powodu zbyt wąskiego pasma P nie miał skłonności do wahań, a tym samym stawał się niestabilnym.

Realnie występujące odchyłki na wyjściu z obiektu regulacji z powodu inercji obiektu są mniejsze niż połowa zakresu xp regulatora. Opisane zależności przedstawiono na rys. 3.

Podsumowanie

Dla użytkownika pomieszczenia wielkością podstawową nie jest temperatura zasilania grzejnika, lecz temperatura pomieszczenia. Dlatego też niektórzy producenci regulatorów dodają do wykresu krzywych grzewczych oś temperatury pomieszczenia (rys. 4.). Przedstawiono na nim charakterystykę pracy regulatora oraz charakterystykę przy zastosowaniu obniżenia nocnego – przesunięcie równoległe krzywej w dół.

Analizując ten wykres można stwierdzić, że zmiana temperatury zasilania o 10 K powoduje zmianę temperatury pomieszczenia o ok. 2÷3 K. Zatem stosowanie w regulatorach obniżeń nocnych mniejszych niż 10 K spowoduje obniżenie się temperatury w pomieszczeniu o mniej niż 2 K, i wówczas – nieprzeregulowany na okres obniżenia zawór termostatyczny – potrafi zachować stałą temperaturę pomieszczenia. Tym samym nie wystąpi zamierzone obniżenie temperatury pomieszczenia. Nie uzyskamy więc wymaganych warunków komfortu w godzinach nocnych oraz spodziewanych oszczędności.

Proponuje się, przy jednoczesnym stosowaniu obu sposobów regulacji, tak obniżać temperaturę zasilania programowaną w regulatorze pogodowym, aby zawór termostatyczny nie był w stanie, przy całkowitym otwarciu, zapewnić przepływu utrzymującego nastawioną na nim temperaturę. W opisanym przypadku powinna to być wartość ≥ 10 K.

Proponuje się również nie wiązać wielkości obniżenia z temperaturą zewnętrzną, lecz ustalać go na stałym poziomie w zakresie temperatur od –10°C do +12°C. Dla zabezpieczenia instalacji przed ewentualnym zamarznięciem, jako skrajny punkt stosowania obniżenia, należy przyjąć temperaturę zewnętrzną o wartości –10°C.

Dla potwierdzenia prawidłowo przyjętej wartości obniżenia nocnego korzystnie jest przeprowadzić pomiary temperatury pomieszczeń, które wykażą, czy zamierzone efekty obniżenia nocnego są uzyskiwane. Innym sposobem jest korygowanie nastaw zaworów grzejników na okres trwania obniżenia nocnego, tj. od godziny 22.00.

Jednocześnie niezbędne jest wówczas ponowne przestawienie głowicy zaworu na poziom dzienny przed okresem rozgrzewania po obniżeniu, co wymagałoby interwencji o godzinie 6.00 lub stosowanie programowalnych głowic elektronicznych. Sposób ten w dużych obiektach jest trudny do realizacji, lecz możliwy przy stosowaniu odpowiednich głowic na zaworach termostatycznych sterowanych zdalnie.

Warto więc przeprowadzić podstawowe pomiary, aby sprawdzić czy praktyka pokrywa się z teorią.

Literatura

1. Norwisz J. (red.), Termomodernizacja budynków dla poprawy jakości środowiska, BFPE, Gliwice 2004.
2. Albert J., Domiel R. i in., Systemy centralnego ogrzewania i wentylacji, poradnik dla projektantów i instalatorów, WNT Warszawa 2007.
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 15 stycznia 2002 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy audytu energetycznego (DzU Nr 12, poz. 114 z późn. zm.).
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).
5. Zrzut ekranu krzywych zasilania, powrotu i obniżenia nocnego regulatora Tour Anderson zastosowanego w badanym obiekcie.
6. H. Jabłonowski, Termostatyczne zawory grzejnikowe WIP, Warszawa 1995.
7. www.elektroniikka.org/thermometer.
8. www.termik.ok.
9. x.pl.