Automatyka/elektronika w systemach ogrzewania cz.4 - Instalacja hydrauliczna i źródła ogrzewania

Instalacja hydrauliczna a automatyka grzewcza

Podstawy działania instalacji hydraulicznej są zrozumiałe nawet dla laika (o ile nie zaczniemy wnikać w niuanse jej działania, czego nie potrzebujemy). Istnieje wiele analogii między prądem elektrycznym a ogrzewaniem i hydrauliką, np.: za odpowiednik temperatury uważać możemy napięcie, za odpowiednik prędkości przepływu wody w instalacji grzewczej – natężenie prądu, źródło ciepła to zasilanie układu, pompa lub zawór to włącznik, wymiennik ciepła to transformator separacyjny, a grzejnik to rezystor itd.

Przykładową instalację hydrauliczną pokazano na rysunku 1. Dobierając regulator, należy pamiętać, by był on dostosowany do rodzaju instalacji. Jest to szczególnie ważne w przypadku wymiany sterownika na inny niż był pierwotnie zainstalowany. Dobrze dobrany regulator nie tylko zapewnia komfort cieplny użytkownika, ale również minimalizuje zużycie energii elektrycznej.

Rys.1 Przykładowa instalacja hydrauliczna

Tryby ładowania zasobnika CWU: z priorytetem i bez priorytetu

W przypadku ładowania zasobnika ciepłej wody użytkowej z kotła, do wyboru są dwa tryby ładowania zasobnika CWU: z priorytetem i bez priorytetu ładowania CWU.

W trybie z priorytetem CWU po pojawieniu się żądania grzania zasobnika, regulator chwilowo przestaje troszczyć się o pomieszczenia, a grzeje wyłącznie zasobnik CWU. Po osiągnięciu zadanej temperatury zasobnika CWU, regulator wznawia grzanie mieszkania. Autor zawsze ustawia włączony priorytet grzania zasobnika CWU w celu zapewnienia możliwie jak największego komfortu korzystania z ciepłej wody użytkowej.

Czas potrzebny na nagrzanie zasobnika CWU jest na tyle krótki, że budynek w tym czasie nie zmieni swojej temperatury w sposób zauważalny dla użytkownika. Tryb z priorytetem ładowania CWU pozwala na najszybsze nagrzanie ciepłej wody użytkowej. W trybie bez priorytetu CWU, zasobnik i mieszkanie są grzane równocześnie, co wydłuża czas nagrzewania zasobnika CWU.

Pompa cyrkulacyjna obiegu CWU załącza się co określony czas na zadany okres tak, by wymusić przepływ ciepłej wody w instalacji doprowadzającej ciepłą wodę do kranu. Ma to szczególne znaczenie w przypadku rozbudowanych instalacji, gdzie np. łazienka jest na ostatniej kondygnacji budynku – oddalona od zasobnika CWU w kotłowni. Dzięki cyrkulacji ciepła woda jest dostępna niemal natychmiast po odkręceniu kranu.

W przypadku obiegu grzejnikowego bez mieszacza pompa obiegu pracuje ciągle, a funkcję regulacji temperatury w pomieszczeniu pełnią głowice termostatyczne montowane na grzejnikach lub termostaty pokojowe. Maksymalna temperatura zasilania obiegu równa jest temperaturze wody w kotle. Termostaty grzejnikowe dławią przepływ w obiegu, przy czym stopień dławienia przepływu zależy od różnicy między temperaturą ustawioną na głowicy termostatu a temperaturą zmierzoną w pomieszczeniu.

Brak odbioru ciepła z kotła powoduje nagrzanie go do temperatury zadanej i przejście do nadzoru lub wygaszenie. Termostaty pokojowe dają sygnał do wyłączenia pompy po osiągnięciu temperatury zadanej w pomieszczeniu, przez co kocioł uzyskuje temperaturę zadaną i przechodzi do nadzoru lub wygasza się.

Nieco inaczej działają pompy obiegów mieszających. W przypadku obiegów podłogowych najczęściej stosuje się obniżenie temperatury zadanej obiegu grzewczego, gdy pomieszczenie nagrzeje się do pożądanej temperatury. Pozwala to zachować komfort cieplny w pomieszczeniu, posadzka jest cały czas ciepła, a jednocześnie do pomieszczenia dostarczamy znacznie mniej ciepła. W przypadku obiegów grzejnikowych stosuje się wyłączenie pompy lub rzadziej obniżenie temperatury zadanej.

Użytkownik najczęściej ma do czynienia z głowicami termostatycznymi i termostatami pokojowymi, które dbają o utrzymanie w pomieszczeniu zadanej temperatury. Prawidłowe ich ustawienie potrafi przynieść znaczące oszczędności oraz poprawić komfort cieplny w domu. Praktycznie wszystkie współczesne instalacje z kotłami są instalacjami mieszanymi, zawierającymi zarówno termostaty, jak i głowice termostatyczne.

Głowice termostatyczne - automatyka grzewcza

Głowice termostatyczne montuje się na grzejnikach – fotografia 2. Dla prawidłowej pracy głowic termostatycznych wymagane jest ich umieszczenie w miejscu niezasłoniętym żadnymi przedmiotami. Głowice starszego typu utrzymywały stałą temperaturę zadaną w pomieszczeniu.

Fot.2 Głowica termostatyczna zamontowana na grzejniku

Nowsze głowice termostatyczne ze sterowaniem elektronicznym mają możliwość ustawienia indywidualnych programów czasowo-temperaturowych dla danego grzejnika – fotografia 3. Niektóre z głowic ze sterowaniem elektronicznym pozwalają nawet na zmianę nastaw za pomocą smartfona.

Fot.3 Głowica termostatyczna ze sterowaniem elektronicznym

Część głowić wykrywa również otwarcie okna i na czas wietrzenia przymyka zawór termostatu, by zminimalizować straty ciepła. Zasilanie głowicy stanowią baterie, należy więc pamiętać o konieczności ich okresowej wymiany. Ustawienie temperatury zadanej w głowicy zapewnia miniaturowy silniczek. Do części głowic elektronicznych dostępnych na rynku trzeba stosować dodatkowe adaptery.

Wadą głowic termostatycznych jest lekki szum silnika, występujący podczas zmiany położenie zaworu dławiącego przepływ wody przez grzejniki podczas regulacji temperatury. Po pewnym czasie użytkownicy przestają całkowicie zwracać uwagę na ten odgłos.

Głośność głowicy zależy od producenta termostatu. Nieco droższym rozwiązaniem zapewniającym jednak bezgłośne sterowanie temperaturą w pomieszczeniach jest zastosowanie zaworów strefowych wraz z bezprzewodowymi czujnikami temperatury. Przy używaniu głowic termostatycznych konieczna jest elektroniczna pompa obiegowa.

Czym się różnią termostaty dedykowane od uniwersalnych?

Termostaty to czujniki, które dają sygnały dla regulatora automatyki grzewczej. Termostaty można podzielić na termostaty dedykowane – fotografia 4, 5 i uniwersalne – fotografia 6. Termostaty dedykowane są to termostaty produkowane przez producenta regulatora. Pozwalają one nie tylko regulować temperaturę w pomieszczeniu, ale mają szereg dodatkowych funkcji, np.: pozwalają odczytać temperatury w poszczególnych elementach instalacji grzewczej, odczytać poziom paliwa w zasobniku paliwa, wymusić ładowanie zasobnika CWU bez potrzeby schodzenia do kotłowni, znieść ograniczenia czasowe zadanych temperatur, odczytać alarmy itp.

Fot.4 Termostat dedykowany

Fot.5 Termostat dedykowany

Termostaty uniwersalne jedynie przekazują do regulatora informację, czy jest zapotrzebowanie na ciepło, czy nie (w postaci stanu styku bezpotencjałowego) lub bezpośrednio załączają pompę obiegową, podając na nią napięcie 230V. Termostatów z wyjściem wysokonapięciowym nie wolno podłączać do regulatora kotła, gdyż spowoduje to jego uszkodzenie! W przypadku termostatów sygnalizujących potrzebę grzania za pomocą stanu styku, styk zwarty oznacza najczęściej, że pomieszczenie potrzebuje ciepła, styk otwarty oznacza brak zapotrzebowania na ciepło. Układy z odwrotną logiką są spotykane sporadycznie. Termostaty uniwersalnie mają najczęściej możliwość „odwrócenia” logiki termostatu.

Fot.6 Termostat uniwersalny

Gdzie zamontować termostaty do sysemu automatyki grzewczej?

Praktycznie wszystkie regulatory kotłów obsługują zarówno termostaty dedykowane, jak i uniwersalne. W termostatach często dostępnych jest wiele funkcji, w tym istnieje możliwość ustawienia różnych temperatur zadanych w pomieszczeniu w różnych godzinach i dniach tygodnia. Obniżenie temperatury w pomieszczeniu podczas naszej nieobecności czy snu pozwala uzyskać znaczące oszczędności ekonomiczne. Jednak w budynkach murowanych (o ogromnej pojemności i bezwładności cieplnej) nie ma sensu ustawiać zbyt dużych wartości obniżeń temperatur.

Termostat powinien znajdować się w pomieszczeniu, które potrzebuje najdłuższego czasu do osiągnięcia temperatury zadanej. Zwykle jest to najzimniejszy pokój lub pokój, w którym chcemy uzyskać najwyższą temperaturę. Termostat powinien być oddalony od drzwi by nie działały na niego przeciągi oraz umieszczony z dala od źródeł ciepła, takich jak grzejniki, komin, w miejscu nie narażonym na bezpośrednie działanie promieni słonecznych.

Autor ustawia obniżenia na poziomie 2 stopni Celsjusza i aktywuje je około godziny przed planowanym wyjściem z domu czy porą snu. Analogicznie podwyższenia temperatur należy ustawić z dobranym wyprzedzeniem, by budynek zdążył się nagrzać. Warto też okresowo załączać pompę, by nie pozwalać budynkowi wychłodzić się zbyt szybko. Większe wartości obniżeń temperatur można stosować jedynie w przypadku długich nieobecności, nie zapominając o czasie niezbędnym do nagrzewania budynku.

Zasadniczo z montażem termostatu (po wcześniejszym upewnieniu się, że będzie on prawidłowo współpracował z posiadanym regulatorem), czy to dołączonego przewodami, czy bezprzewodowego, poradzi sobie każdy średnio zaawansowany elektronik. Jednak o wiele trudniejszym zadaniem jest optymalna regulacja – tu absolutnie konieczne jest zapoznanie się z instrukcją regulatora i termostatu.

Sterowanie pogodowe i wykorzystanie krzywych grzewczych

Przyzwyczajeni jesteśmy, że temperatury w mieszkaniu ustalane są przez wewnętrzne czujniki. Jednak zwłaszcza przy dużej bezwładności cieplnej nie jest to najlepszy sposób regulacji. Pomocą jest zastosowanie czujnika zewnętrznego. Aby sterowanie pogodowe spełniło swoją funkcję, czujnik mierzący temperaturę pogodową powinien być zamontowany od strony północnej, w miejscu nienarażonym na bezpośrednie działanie promieni słonecznych.

Przy sterowaniu pogodowym chwilowe zapotrzebowanie budynku na ciepło wyliczane jest na podstawie aktualnej temperatury na zewnątrz budynku. Im temperatura na zewnątrz budynku jest niższa, tym większe jest zapotrzebowanie na ciepło. Idea jest jasna i prosta, ale jej realizacja – trudna. Dlatego nadal wykorzystywana jest regulacja stałowartościowa, gdy kocioł pracuje ze stałą temperaturą tak dobraną, by zapewnić pożądaną temperaturę wewnątrz budynku, niezależnie od temperatury zewnętrznej. Za regulację temperatury wewnątrz budynku odpowiadają wtedy termostaty lub głowice termostatyczne, co daje gorsze wyniki niż prawidłowe wykorzystanie zewnętrznego czujnika.

Rys.7 Krzywe grzewcze

Przy regulacji „pogodowej”, wymaganą temperaturę zasilania obwodów grzewczych wylicza się za pomocą tzw. krzywych grzewczych – rysunek 7, innych dla każdego regulowanego obiegu grzewczego. Podstawowymi parametrami charakteryzującymi obiekt i jego krzywą grzewczą jest jej nachylenie i współczynnik przesunięcia. Wartość współczynnika przesunięcia mówi nam, o ile stopni należy podnieść lub obniżyć temperaturę zadaną względem wartości wyliczonej z krzywej.

Dobór krzywych grzewczych i współczynników przesunięcia wykonuje się na drodze eksperymentalnej, obserwując temperaturą w pomieszczeniu budynku dla różnych temperatur zewnętrznych. Zasady doboru krzywych w pracującym systemie są następujące: Jeżeli przy spadającej temperaturze zewnętrznej temperatura pomieszczenia wzrasta, to wybrana krzywa grzewcza jest „zbyt duża”. A jeśli przy spadającej temperaturze zewnętrznej spada również temperatura w pomieszczeniu, to wybrana krzywa grzewcza jest „zbyt mała”.

Jeśli podczas mrozów temperatura pokojowa jest odpowiednia, a w czasie cieplejszej pogody jest zbyt niska, to zaleca się zwiększyć przesunięcie równoległe krzywej grzewczej i obniżyć krzywą grzewczą. Jeśli podczas mrozów temperatura pokojowa jest zbyt niska, a w czasie cieplejszej pogody jest zbyt wysoka, to zaleca się zmniejszyć przesunięcie równoległe krzywej grzewczej i podnieść krzywą grzewczą.

Regulację pogodową dla każdego obiegu w instalacji ustawia się niezależnie. Wartości krzywych grzewczych dla ogrzewania podłogowego ustawia się zwykle w przedziale 0,2–0,6, ogrzewanie grzejnikowego 1,0–1,6 dla kotła w przedziale 1,8–4,0. Budynki słabo ocieplone wymagają ustawiania „większych” krzywych grzewczych. Natomiast dla budynków dobrze ocieplonych krzywa grzewcza będzie miała „mniejszą wartość”.

Temperatura zadana, wyliczona z krzywej grzewczej, może być przez regulator zmniejszona lub zwiększona w przypadku, gdy wychodzi poza zakres ograniczeń temperatur dla danego obiegu, np. gdy przekracza maksymalną wartość temperatury dozwoloną dla ogrzewania podłogowego.

Niestety nawet prawidłowe dobranie krzywych grzewczych nie zawsze powoduje prawidłowe działanie regulacji pogodowej. Krzywe grzewcze nie uwzględniają bowiem wilgotności powietrza, siły wiatru, nasłonecznienia, tego, czy pomieszczenie było wietrzone, a czynniki te mają istotny wpływ na bilans cieplny budynku. W praktyce krzywe grzewcze nieco się zawyża, a zadana temperatura w pomieszczeniach utrzymywana jest za pomocą termostatów. Wiele termostatów dedykowanych potrafi modyfikować temperaturę wyliczoną przez sterowanie pogodowe na podstawie różnicy pomiędzy temperaturą zadaną w pomieszczeniu i aktualnie zmierzoną.

Wielu producentów regulatorów umożliwia definiowanie własnych krzywych grzewczych. W rozwiązaniu tym użytkownik przypisuje określonym temperaturom zewnętrznym zadane temperatury wody grzewczej. Działanie takiej regulacji wydaje się proste: jeśli przy określonej temperaturze zewnętrznej masz w pomieszczeniu zbyt niską temperaturę, podnieś temperaturę wody, jeśli za wysoką – obniż.

Mimo, że wydaje się to bardzo proste, wcale takie nie jest. Problemem jest w tym wypadku duża bezwładność termiczna budynku i dobowe wahania temperatury mogące przekraczać nawet 20 stopni Celsjusza. Opisana metoda określenia „punktowej krzywej” przez użytkownika sprawdza się jedynie przy małych wahaniach temperatury zewnętrznej.

Obniżenie nocne temperatury zasobnika CWU i cyrkulacji CWU

Funkcje te pozwalają dostosować nagrzewanie ciepłej wody użytkowej do rzeczywistego zapotrzebowania. Obniżenia nocne powinniśmy ustawić tak, by zapewnić komfort korzystania z ciepłej wody użytkowej, uwzględniając dobowe zmiany zapotrzebowania na ciepłą wodę. W przypadku konieczności korzystania z ciepłej wody użytkowej poza wcześniej zadeklarowanym okresem, możemy posłużyć się funkcją ładującą jednokrotnie zasobnik CWU lub znieść obniżenia na potrzebny okres.

Oprócz temperatury zadanej CWU, powinniśmy też ustawić histerezę zasobnika CWU. Wartość histerezy mówi nam, po jakim spadku temperatury względem temperatury zadanej zasobnika CWU, rozpocznie się ponowne jego ładowanie (jeśli nie są aktywowane obniżenia temperatury zadanej zasobnika). Różnica między temperaturą zadaną CWU i histerezą wyznacza minimalną temperaturę CWU akceptowaną przez użytkowników.

Praktycznie wszystkie współczesne regulatory mają funkcję dezynfekcji zasobnika CWU, nazywaną potocznie antylegionellą. Działanie dezynfekcji polega na okresowym, zwykle cotygodniowym podniesieniu temperatury zasobnika CWU powyżej 70 stopni w godzinach nocnych. Włączając dezynfekcję zasobnika CWU, należy poinformować mieszkańców domu o tym fakcie, by zachowali odpowiednią ostrożność podczas korzystania z CWU.

Usługi internetowe - zdalne sterowanie kotłem 

Wiele nowoczesnych regulatorów kotłów ma możliwość zdalnego sterowania pracą instalacji grzewczej przez internet np. z pomocą smartfona. Sterowanie pracą regulatora odbywa się poprzez przeglądarkę internetową (przez wejście na określoną stronę internetową) lub za pomocą stworzonych przez producentów 20 regulatora aplikacji. Z możliwościami sterowania przez internet można zapoznać się, wchodząc na adres: www.econet24.com, używając loginu: demo@plum.pl i hasła: demo. Uwaga: strona nie zawsze działa, gdyż czasami jej twórcy używają jej do testów i potrafią okresowo wyłączać konto testowe.

Rys.8 Przykładowy zapis pracy kotła

Przykładowy zapis pracy kotła pokazano na rysunku 8. Dzięki podłączeniu regulatora do internetu zyskujemy szereg możliwości: możemy zmodyfikować zdalnie temperatury zadane termostatów, np. planujemy wcześniejszy przyjazd do domu, odczytać zdarzenia w regulatorze, przejrzeć historię pracy urządzenia do kilku lat wstecz, a nawet samodzielnie diagnozować problemy z pracą instalacji. Podłączenie regulatora do internetu pozwala również zdalnie serwisowi producenta zdiagnozować problemy występujące w urządzeniu klienta, zmodyfikować nastawy regulatora, a nawet wymienić oprogramowanie w regulatorze.

Autor zna osobiście wypadek, gdy zdalny dostęp do informacji z regulatora uchronił klienta przed poniesieniem dużych kosztów: podczas zimowego wyjazdu kocioł retortowy uległ wygaszeniu wskutek długotrwałego zaniku prądu. Gdyby klient nie zareagował i nie poprosił rodziny o ponowne rozpalenie kotła, to po przyjeździe do domu spotkałaby go przykra niespodzianka: pęknięte kaloryfery i konieczność remontu domu.

W następnej części cyklu pokażemy przykładową instalację grzewczą składającą się z kotła gazowego i kotła retortowego oraz omówimy nastawy regulatora i zasady ich doboru. Autor dziękuje za uwagi wniesione przez Marka Malesińskiego, Sebastiana Matejczuka i Pawła Sobolewskiego.