Automatyka/elektronika w systemach ogrzewania cz.5 - Praktyczna realizacja instalacji

Modyfikacji ustawień sterowania pracą instalacji grzewczej mogą się podjąć tylko osoby posiadające odpowiednią wiedzę i doświadczenie w działaniu instalacji automatyki grzewczej. Wszystkie czynności podłączeń przewodów elektrycznych należy wykonywać przy wyjętej z gniazdka wtyczce zasilania. Po wykonaniu połączeń trzeba sprawdzić ich poprawność.

Przed modyfikacją należy się bezwzględnie zapoznać z instrukcją obsługi sterownika. Nigdy nie należy modyfikować parametru, jeśli nie jest się do końca pewnym jego znaczenia i wpływu. Opisaną modernizację można wykonać również wtedy, gdy któryś z oryginalnych modułów wcześniej zainstalowanego kotła uległ uszkodzeniu, a jego kupno jest niemożliwe lub nieopłacalne.

Budowa instalacji automatyki grzewczej

Schemat poglądowy instalacji grzewczej autora pokazany jest na rysunku 1 (oczywiście autor ma więcej niż jeden grzejnik i obieg podłogowy). Zastosowany regulator pokazany jest na fotografii 2. Do pompy obiegu grzejnikowego podłączone są wszystkie grzejniki w domu, analogicznie do pompy obiegu podłogowego podłączone są wszystkie obiegi podłogowe w domu.

Pokazana instalacja solarna zostanie zainstalowana w bieżącym roku wraz z odpowiednim zasobnikiem CWU. Autor ma dwa kotły: gazowy o mocy 18kW (fotografia 3) i węglowy z automatycznym podajnikiem paliwa o mocy 25kW (fotografia 4). Na zdjęciu widać zdjętą obudowa przekładni silnikowej. Zdjęcie zostało wykonane podczas prac modernizacyjnych przy kotle. Nigdy nie należy zdejmować osłon urządzenia, gdy jest ono podłączone do prądu! Siły są tak duże, że mogą nawet zmiażdżyć wkładaną tam rękę.

Rys.1 Schemat poglądowy instalacji grzewczej

Kocioł gazowy jest typowym niekondensacyjnym, niemodulowanym kotłem starszej generacji (pracującym ze stałą mocą). Zasobnik CWU ma pojemność 120 litrów. W sezonie grzewczym głównym źródłem ciepła jest kocioł węglowy, który grzeje zarówno ciepłą wodę użytkową, jak też stanowi źródło ciepła dla grzejników i obiegu ogrzewania podłogowego.

Przepływ wody w obiegu grzejnikowym jest wymuszony przez pompę obiegu grzejnikowego. Przepływ wody w obiegu podłogowym wymusza pompa obiegu podłogowego, a temperaturę zadaną utrzymuje mieszacz pracujący w trybie ogrzewania podłogowego. Pompa obiegów grzejnikowych jest pompą sterowaną elektronicznie, pozostałe pompy są pompami starszego typu.

Temperatura zadana obu obiegów wyliczana jest za pomocą sterowania pogodowego. Rezerwowym źródłem ciepła w sezonie grzewczym jest kocioł gazowy. Poza sezonem grzewczym kocioł gazowy grzeje ciepłą wodę użytkową, a kocioł węglowy nie jest używany. Kotły węglowe potrzebują paliwa do podtrzymania żaru, przez co nie są zbyt ekonomiczne w eksploatacji poza sezonem grzewczym.

Układ pracuje następująco: gdy czujnik na kotle węglowym wykrywa odpowiednio wysoką temperaturę, źródłem ciepła dla obiegów grzewczych i zasobnika CWU staje się kocioł węglowy. Gdy temperatura na kotle węglowym spadnie z jakichkolwiek przyczyn (np. z powodu wygaszenia kotła, wywołanego brakiem paliwa, awarii kotła itp.), wtedy ciepło zaczyna wytwarzać kocioł gazowy. Dzieje się tak aż do momentu, gdy temperatura na kotle węglowym wzrośnie do odpowiedniego poziomu. Pracą obiegów grzewczych sterowała pierwotnie automatyka kotła gazowego, a kocioł węglowy był sterowany sygnałem termostatu pokojowego.

Jak działa regulator instalacyjny do sterowania automatyką grzewczą?

Do sterowania automatyką grzewczą zastosowano regulator instalacji grzewczych typu ecoMAX850i (fotografia 2). Sterownik ten umożliwia integrację szeregu źródeł ciepła w jednym sterowniku i zarządzanie nimi tak, by zapewnić wysoki komfort użytkowania, wysoki poziom bezpieczeństwa oraz możliwie niskie koszty ogrzewania. Dzięki wielu predefiniowanym schematom hydraulicznym można go dopasować do sterowania większością instalacji. W razie potrzeby obsługi większej liczby obiegów grzewczych można zastosować dodatkowe moduły rozszerzające.

Fot.2 Regulator zastosowany w systemie automatyki grzewczej

Sterownik może też sterować instalacjami solarnymi ogrzewającymi ciepłą wodę użytkową, zarządzać nieautomatycznymi źródłami ciepła (kominki powietrzne i z płaszczem wodnym, kotły stałopalne), automatycznymi źródłami ciepła, jak kotły pelletowe i na ekogroszek oraz sterować pracą kotłów gazowych niemodulowanych (pracujących ze stałą mocą wyjściową) i modulowanych (z regulowaną mocą wyjściową).

W przypadku kotłów modulowanych regulacja mocy kotła gazowego odbywa się za pomocą wyjścia napięciowego 0–10V. W przypadku kotłów niemodulowanych (ON-OFF) o pozwoleniu na pracę kotła lub jego braku decyduje stan styku bezpotencjałowego. Stykiem bezpotencjałowym nazywamy taki styk, na którym nie występują napięcie (który nie podaje napięcia na inne obwody); realizuje on jedynie funkcję zwarcia lub rozwarcia obwodu. Styk zwarty oznacza potrzebę grzania, styk rozwarty to brak potrzeby grzania.

Regulator ecomax850i ma możliwość podłączenia do Internetu, co jednak wymaga zastosowania dodatkowego modułu. Umożliwia to zdalne sterowanie i analizę pracy instalacji grzewczej, niedostępną we wcześniej zastosowanym sterowniku pochodzącym sprzed około 15 lat. Wybór poszczególnych opcji sterownika ułatwia wbudowany system podpowiedzi, opisujący w sposób obszerny działanie danej funkcji.

Regulator wykorzystuje własne czujniki pomiaru temperatury i nie należy ich zastępować czujnikami innych producentów, nawet o takim samym wyglądzie. Dowolność producentów w dziedzinie użytych czujników jest bardzo duża, spotkamy czujniki krzemowe typu KTY, termistory NTC czy czujniki platynowe. Często producenci nawet w jednym urządzeniu wykorzystują więcej niż jeden typ czujnika, różniący się tylko oznaczeniem typu czujnika. Stosowanie różnych czujników w jednym urządzeniu spowodowane jest różnymi wymaganiami, stawianymi poszczególnym torom pomiarowym, np. co do dokładności mierzonej temperatury, zakresu temperatur pracy.

Istotne znaczenie przy produkcji masowej ma również cena użytego sensora: nie ma sensu stosować drogiego czujnika platynowego, gdy jego funkcję może dobrze spełnić tańszy czujnik krzemowy. Zastosowanie nieodpowiedniego typu czujnika spowoduje nieprawidłowy pomiar temperatury i może grozić uszkodzeniem instalacji i bezpieczeństwu użytkownika.

Na błąd pomiaru temperatury ma wpływ długość oraz przekrój użytego przewodu. Dla większości powszechnie używanych czujników wpływ ten jest znaczący dopiero przy przewodach kilkumetrowej długości. Przyczyną największych błędów pomiaru temperatury jest jednak wpływ temperatury otoczenia – źle wykonana izolacja czujnika.

Sterownik dokonuje automatycznego wyboru źródła ciepła za pomocą trójdrogowego zaworu przełączającego. Autor mógłby zastosować również tańsze rozwiązanie, polegające na użyciu sterownika kotła węglowego i wykorzystaniu jego automatyki do sterowania pracą obiegów grzewczych, jednak nie ma on możliwości integracji szeregu urządzeń grzewczych w jednym sterowniku.

W tym wypadku styk pozwolenia na pracę kotła gazowego należałoby podłączyć do wyjścia kotła rezerwowego w regulatorze kotła węglowego, a hydrauliką powinien sterować sterownik kotła retortowego. Ponieważ autor planuje w najbliższym czasie zainstalować kolektory słoneczne do ogrzewania CWU – zdecydował się na wybór droższej opcji – za to z możliwością zarządzania całością instalacji za pomocą jednego sterownika.

Kocioł gazowy - wykorzystanie do systemu automatyki grzewczej

Z kotła gazowego usunięto oryginalne moduły sterowania pogodowego oraz obiegu mieszającego. Pozostawiono jedynie oryginalny moduł podstawowy sterujący pracą jednej pompy obiegowej, zasobnika CWU, zapalarki oraz realizujący funkcję zabezpieczające kotła gazowego. Aby wyłączyć obsługę zasobnika CWU w regulatorze kotła gazowego, odpięto czujnik odpowiedzialny za ładowanie zasobnika. Pompę obiegu grzejnikowego odłączono od regulatora kotła gazowego i podłączono do regulatora ecoMAX850i.

Ponieważ praktycznie wszystkie kotły gazowe przystosowane są do sterowania za pomocą zewnętrznego termostatu stykowego zwierno-rozwiernego, wystarczyło podpiąć się do tego wejścia i sterować nim za pomocą przekaźnika bezpotencjałowego. Jest to tzw. wejście pozwolenia na pracę kotła. W przypadku gdy termostat zwierno-rozwierny nie jest podłączony, a wykorzystywany jest np. termostat dedykowany (łączący się z regulatorem za pomocą transmisji cyfrowej), instalator kotła montuje w jego miejscu zworę. Czynność podłączenia przekaźnika sterującego pracą kotła należy wykonać przy odłączonym napięciu zasilającym sterownika kotła – na wejściach tych często występuje napięcie 230V.

Fot.3 Kocioł gazowy o mocy 18kW - system automatyki grzewczej

Warto zauważyć, że wiele kotłów gazowych po załączeniu przekaźnika sterującego pracą kotła i natychmiastowym jego rozłączeniu pracuje zwykle jeszcze przez kilku minut. Zapobiega to zbyt częstym krótkotrwałym załączeniom kotła wynikającym na przykład ze źle ustawionych wartości histerez. Czas minimalnej pracy kotła można zwykle modyfikować w menu serwisowym kotła gazowego.

Temperatura zadana kotła ustawiona jest na stałe na 60 stopni, zaś jego histereza wynosi 8 stopni. Gdy temperatura na kotle osiągnie wartość zadaną, kocioł wyłącza się – nawet przy obecności sygnału „grzej” na stykach sterujących. Kocioł ponownie załączy się, gdy temperatura na kotle gazowym spadnie poniżej temperatury zadanej o wartość histerezy. Taki mechanizm zapobiega przegrzaniu kotła gazowego. Średnia moc oddawana przez kocioł gazowy zależy więc od stosunku czasu pracy kotła (grzania) do czasu przerwy grzania.

By osiągnąć temperaturę zadaną na odbiorniku (nagrzać go), trzeba dostarczyć wodę o temperaturze wyższej niż żądana przez obiekt. Temperatura schładzania prewencyjnego kotła wynosi 85 stopni Celsjusza. Powyżej tej temperatury nadmiar ciepła z kotła gazowego podawany jest na grzejniki, nawet jeśli nie ma potrzeby grzania pomieszczeń. Zabezpiecza to przed niekontrolowanym wzrostem temperatury kotła gazowego.

W przypadku, gdy pompy są wyłączone (nie odbierają ciepła), temperatura na kotle potrafi wzrosnąć nawet kilkanaście stopni powyżej temperatury, przy której nastąpiło wyłączenie grzania. Spowodowane jest to bezwładnością termiczną kotła. Zjawisku temu zapobiegać można ustawiając wydłużenie pracy pomp po podaniu sygnału wyłączenia na kocioł gazowy. Autor ustawia czasy wydłużenia na poziomie 3 minut.

Instalacja i ustawienia termostatów w systemie automatyki grzewczej

Sygnał off z termostatu wyłącza kocioł gazowy. Dodatkowo autor aktywował funkcję wyłączenia pomp obiegowych, gdy termostat nie zgłasza potrzeby grzania pomieszczeń, co pozwala uzyskać w skali roku znaczące oszczędności finansowe. Aktywowana jest również funkcja czasowo uruchamiająca pompy podczas przerwy w grzaniu – zapobiega to zbyt szybkim spadkom temperatury w pomieszczeniu, a w przypadku ogrzewania podłogowego zapewnia przyjemną letnią temperaturę podłogi.

Sygnał z termostatu steruje załączeniem obiegów grzewczych, zarówno ogrzewania podłogowego, jak i grzejników. W nocy i w czasie gdy wszyscy domownicy znajdują się poza domem, temperatura zadana wynosi 20,5°C, a w czasie aktywności użytkowników w domu temperatura zadana w pomieszczeniach wynosi 22°C. Histereza termostatu wynosi 0,4°C. Od poniedziałku do piątku obniżenia nocne (temperatury) aktywne są w godzinach 22–4 rano i 7–14 rano. W sobotę i niedziele obniżenia aktywne są w godzinach 22–4 rano. Podwyższanie temperatur zadanych załączane jest więc około 2 godzin przed porannym wstawaniem z łóżka lub przed powrotem mieszkańców do domu. Wyłączane zaś jest około godziny przed porą snu czy wyjściem z domu.

Na grzejnikach w pomieszczeniu, w którym znajduje się termostat bezprzewodowy, zainstalowana jest głowica termostatyczna z manualną regulacją temperatury z ustawioną stałą temperaturą zadaną wynoszącą 24°C. Drugim pomieszczeniem, gdzie zainstalowana jest głowica starego typu, jest łazienka z tzw. grzejnikiem drabinkowym. Termostat grzejnika drabinkowego jest stale otwarty, ustawiony na najwyższą temperaturę, gdyż grzejnik ten używany jest do suszenia ręczników. Pozostałe pomieszczenia mają indywidualny program nastaw temperatur dostosowany do wymagań poszczególnych użytkowników uzyskany dzięki zastosowaniu elektronicznych głowic termostatycznych mocowanych na grzejnikach.

Wiele regulatorów potrafi również obniżać temperaturę zadaną obiegu w określonych przedziałach czasowych. Funkcja ta powoduje dostarczanie mniejszych ilości ciepła do budynku, a w konsekwencji spadek temperatury w pomieszczeniach, co z kolei powoduje zmniejszenie kosztów ogrzewania. Funkcję tę wykorzystuje się zwykle wtedy, gdy nie wykorzystujemy termostatów do regulacji temperatury w pomieszczeniu, np. nie przykręcamy ich na noc. Termostaty mogą również obniżać temperaturę zadaną obiegów, zamiast je wyłączać. Metoda taka zapewnia większy komfort temperaturowy kosztem większego zużycia prądu przez pracujące pompy obiegów grzewczych.

Zasobnik CWU w systemie automatyki grzewczej

Temperatura zadana CWU wynosi 52°C a histereza zasobnika 5 stopni. Ciepła woda użytkowa grzana jest w godzinach 16–21. W pozostałych godzinach zasobnik CWU grzany jest tylko na żądanie. W ciągu całej doby temperatura wody zwykle nie spada poniżej 35°C. Autor nie montował obiegu cyrkulacji CWU, gdyż związane jest to z większym zużyciem energii.

Regulatory mają nastawy mówiące, w jakich godzinach cyrkulacja może pracować, regulację czasów załączenia i wyłączenia pompy cyrkulacyjnej uwzględniającą dni robocze i weekendy oraz minimalną temperaturę w zasobniku CWU, powyżej której pompa cyrkulacyjna może być załączona. Raz w tygodniu przeprowadzana jest dezynfekcja zasobnika CWU.

Opis działania kotła węglowego w systemie automatyki grzewczej

Kocioł węglowy pracuje w systemie otwartym i sprzężony jest z kotłem gazowym za pomocą wymiennika ciepła. Temperatura zadana kotła ustawiona jest na 68 stopni. Histereza temperatury pracy kotła wynosi 6 stopni. Temperatura zadana kotła musi być o kilka stopni wyższa niż najwyższa temperatura, jakiej może żądać odbiornik ciepła. Na wyjściu wymiennika zawsze panuje temperatura o kilka stopni niższa niż na wejściu doprowadzającym wodę z kotła do wymiennika.

W przypadku zbyt nisko ustawionej temperatury zadanej kotła i priorytetu CWU zasobnik nigdy się nie nagrzeje do temperatury zadanej a ogrzewanie załączy się dopiero wtedy gdy zostanie aktywowane obniżenie temperatury zadanej CWU. Producenci kotłów zwykle ograniczają możliwość obniżenia tej temperatury poniżej 55 stopni ze względu na ryzyko wykraplania spalin, co powoduje zwiększenie szybkości korozji kotła i komina.

Wysoka temperatura panująca w kotle zapobiega również osadzaniu substancji smolistych. Temperatura startu pompy kotła wynosi 50 stopni, co zapobiega zbytniemu schłodzeniu powrotu, a tym samym kondensacji pary wodnej w kotle. Dopiero gdy woda dogrzeje się do tej temperatury, ciepło z kotła będzie mogło być oddawane do instalacji grzewczej.

Fot.4 Kocioł węglowy z automatycznym pojadnikiem paliwa - system automatyki grzewczej

Kocioł pracuje w trybie ze stałą mocą zadaną. Po osiągnięciu temperatury zadanej kocioł przechodzi do nadzoru, po spadku temperatury w kotle poniżej temperatury zadanej o wartość histerezy kotła przechodzi z nadzoru do pracy. Po przejściu kotła do pracy temperatura na kotle spada jeszcze jednak przez kilka minut, ponieważ kocioł nie zdąży się od razu nagrzać, a ciepło od niego jest odbierane.

Mimo że tryb ze stałą mocą pracy kotła powoduje, że kocioł nie dostosowuje swojej mocy do zapotrzebowania na ciepło, ułatwia jednak ustalenie optymalnych nastaw palnika. Trzeba ustawić tylko jeden strumień paliwa i odpowiadający mu nadmuch powietrza, co nie jest czynnością prostą ze względu na rozrzut parametrów węgla, szczególnie gdy nie kupujemy go z jednego źródła (tzn. z jednego złoża). Praca palnika na maksymalnej mocy zapewnia również najwyższą sprawność palnika. Zdecydowana większość konstrukcji palników zarówno węglowych, jak i pelletowych ma największą sprawność, gdy pracują z mocą maksymalną.

Lato / zima - tryby sezonowe (automatyka grzewcza)

Wybór trybu lato, zima lub auto określa zachowanie regulatora w zależności od wybranego trybu pracy albo temperatury zewnętrznej. W trybie zima pracują wszystkie obiegi grzewcze. W trybie lato obiegi grzewcze są wyłączone, chyba że wskażemy, że dany obieg ma ignorować tryb lato (np. obieg zasilający kaloryfer w łazience). W trybie auto regulator wybiera tryb lato lub zima w zależności od temperatury panującej na zewnątrz budynku.

Tryb komfort, party, wyjście z domu, wakacje - system automatyki grzewczej

Są to tryby czasowe regulatora – pozwalają one jednym kliknięciem zmienić ustawienia sterownika. W trybie komfort znoszone są trwale obniżenia temperatur zadanych pomieszczeń, obiegów grzewczych i CWU, kiedy wg harmonogramu temperatura w pomieszczeniach powinna zostać obniżona – nie musimy modyfikować przedziałów czasowych grzania – wystarczy, że wybierzemy tryb komfort, aby w pomieszczeniu zapanowała przyjemna temperatura. W trybie party znoszone są obniżenia temperatur zadanych pomieszczeń, obiegów grzewczych i CWU na zadaną liczbę godzin.

Tryby komfort i party stosuje się, gdy nasza aktywność wydłuża się poza przewidywany czas. W trybie wyjście z domu aktywowane są obniżenia nocne temperatur zadanych pomieszczeń, obiegów grzewczych i CWU na zadaną liczbę godzin – niezależnie od wcześniej ustalonego harmonogramu. W trybie wakacje temperatura zadana pomieszczeń, obiegów grzewczych obniżana jest na określoną temperaturę na określoną liczbę dni. Obsługa CWU jest wyłączana. W trybie przeciwzamrożeniowym regulator nie dopuszcza do zamarznięcia i rozszczelnienia instalacji lub stale ustawia temperaturę obniżoną. W każdym z trybów działają wszystkie mechanizmy zabezpieczające prawidłową pracę instalacji.

Ustawienia obiegów grzewczych

W przypadku obiegów grzewczych ustawiamy minimalną temperaturę, po przekroczeniu której obiegi grzewcze zostaną załączone. W przypadku mieszaczy ustawiamy nieczułość mieszacza, czyli zakres zmienności temperatur zasilania obiegu względem temperatury zadanej, wokół której mieszacz nie będzie regulował swego położenia – autor ustawił ten parametr na 1,5°C.

Parametrów regulacji PID nie należy zmieniać samodzielnie, jeśli nie ma się znaczącego doświadczenia w regulacji obiektów automatyki. Źle dobierane parametry mogą powodować niestabilną pracę układu i np. wcześniejsze zużycie siłownika mieszacza. Przykładowe ustawienia sterownika pokazane są w materiałach dodatkowych do artykułu, umieszczonych na Elportalu.

W następnej części cyklu omówimy regulację kotła pelletowego i węglowego. Autor dziękuje za uwagi Kolegom: Markowi Malesińskimu, Sebastianowi Matejczukowi i Pawłowi Sobolewskiemu.