Zónová regulace s funkcí change-over
U fancoilů nebo chladicích trámů se někdy používá tzv. dvoutrubkové zapojení s funkcí change-over (C/O). Tato funkce zajišťuje, že společný registr podle potřeby energie v místnosti a dostupného média v potrubí topí, chladí nebo je odstaven.
Výhodou dvoutrubkového zapojení je zejména úspora investičních nákladů: v budově jsou místo oddělených potrubí pro topnou a chladicí vodu jen jedny rozvody, které distribuují buď teplou nebo studenou vodu, a v místnostech je pouze jeden výměník nebo jiná teplosměnná plocha. Systém s sebou ale nese několik omezení, které mohou zásadně ovlivnit komfort v budově. Navíc hrozí, že při chybném naprojektování nebo instalaci bude celá soustava funkční jen omezeně a stane se zdrojem mrzutostí a sporů mezi profesemi. Pojďme se podívat na základní principy funkce zapojení s change-over a nejčastější chyby při projektu i realizaci.
Rozdíl mezi čtyřtrubkovým a dvoutrubkovým zapojením
U čtyřtrubkového zapojení (obr. 1 a) je k dispozici topná i chladicí voda (samozřejmě pokud jsou v provozu zdroje – kotelna, chladicí agregát, případně tepelné čerpadlo). Je tedy možné, aby podle potřeby část zónových regulátorů topila a zároveň část chladila. K této situaci dochází zejména v přechodném období, tedy na jaře a na podzim, a to především v ranních a dopoledních hodinách. Tehdy místnosti na východní straně mají tepelné zisky z oslunění takové, že již vyžadují chlazení, zatímco na západní fasádě se ještě topí.
U dvoutrubkového zapojení (obr. 1 b) je ale v jediném potrubí buď topná nebo chladicí voda. Režim topení nebo chlazení se tedy musí určit centrálně pro celou budovu a podle toho se aktivuje zdroj tepla nebo chladu.
Obr. 1 a) čtyřtrubkové zapojení, b) dvoutrubkové zapojení s termostatem change-over
Jak rozhodnout, zda v budově topit nebo chladit?
Ať už vybereme jakýkoli algoritmus, bude to v některých ohledech špatně. Pravděpodobně bude vždy existovat nějaká místnost, která potřebuje opačný režim. Je zkrátka nutné se smířit s tím, že se nepodaří dodržet požadované teploty ve 100 % místností – to je daň za nižší pořizovací a provozní náklady systému s change-over.
Přepínání zdrojů může být automatické nebo ruční. Při ručním přepnutí se provozovatel budovy rozhoduje podle venkovní teploty, očekávaného vývoje počasí, oblačnosti, která má vliv na tepelné zisky na fasádách, případně podle dalších faktorů, jako jsou priority některých místností. U automatického přepínání jsou obvykle použity algoritmy podobné těm pro provoz dálkového vytápění, tedy „pokud průměrná venkovní teplota za posledních 72 hodin klesne pod…“, což ale nemusí reflektovat skutečnou potřebu v místnostech. Každá místnost může být jinak zatížená (tepelné zisky z techniky a osob), bude rozdíl mezi rohovou ředitelskou prosklenou kanceláří orientovanou na sever a účtárnou na jižní straně budovy atd. U komunikativních zónových regulátorů je možné sbírat teploty v místnostech, resp. požadavky na topení či chlazení, pokud to řídicí systém umožňuje, a z těchto hodnot počítat, zda budova potřebuje spíše tepelnou nebo chladicí energii. Požadavky mohou být váženy (plochou nebo důležitostí místnosti atd.). Přesný algoritmus by měl určit technolog s tím, že konkrétní hodnoty parametrů je možné doladit při zkušebním provozu.
Pokud je to možné, v řídicím systému (SCADA) by měla být také možnost ručního nastavení režimu. Volba režimu může vypadat například takto:
- Topení – budova je trvale v režimu topení
- Chlazení – budova je trvale v režimu chlazení
- Přechodné období – přepínání mezi topením a chlazením se děje podle časového programu, uživatelsky nastavitelného (např. 9–18 h chlazení, 18–9 h topení)
- Auto – režim topení nebo chlazení je automaticky měněn podle venkovní teploty s nastavitelnou hodnotou přechodu léto–zima i hysterezí (pro návrat zima–léto).
Informace o aktuálním režimu (binární hodnota, obvykle False = topení, True = chlazení) se dále používá pro zápis do zónových regulátorů, pokud jsou použity regulátory komunikativní.
Oddělení zdrojů
Zdrojem teplé a chladné vody může být například plynový kotel a chladicí jednotka, tepelné čerpadlo, případně kombinace těchto zdrojů, kdy tepelné čerpadlo zajišťuje chladnou vodu a topení při venkovní teplotě nad určitou mez. Při nižších venkovních teplotách se pak přepíná na kotel. Větev s dvoutrubkovými rozvody se tedy přepíná buď na zdroj topné nebo chladicí vody. Oba okruhy by se měly mísit co nejméně, navíc je vhodné mezi uzavřením jednoho a otevřením druhého zdroje dodržet prodlevu, aby se zbytečně nemařila energie a zbytky horké vody nevnikaly do chladicí jednotky. Zároveň musí být okruhy hydronicky navrženy tak, aby i při dočasném úplném uzavření obou zdrojů mělo podávací čerpadlo na větvi k zónám, pokud je instalováno, vhodné podmínky k činnosti. Délku prodlevy stanoví technolog: pokud jde pouze o to, aby se přímo nemísila média mezi zdroji, stačí 1 minuta; má-li dojít k vychladnutí celého okruhu, obvykle se nastavuje 30 minut a více. V některých státech existují podrobná pravidla (energy codes), která podmínky pro change-over určují: např. US Building Energy Codes Program z r. 2018 stanovuje, že doba topení pro přepnutí musí být minimálně 4 hodiny a hystereze venkovní teploty větší nebo rovna 15 °F (cca 8 K).
Je důležité, aby technolog pro přepínání zvolil vhodný regulační prvek. Ideální jsou mezipřírubové klapky, např. Belimo D6…W, které výrobce vysloveně specifikuje „pro připojení a odpojení zdrojů tepla a chladu“. Obvykle je vídáme u potrubí světlosti DN100 a větší. Naopak za nevhodné považujeme třícestné kohouty, které při přejezdu mezi polohami hydraulicky propojují zdroje topení a chlazení a není možné u nich dodržet prodlevu při změně režimu. Kohouty navíc vykazují netěsnost, zejména při rozdílu tlaků v obou systémech.
Change-over termostat
Každý regulátor v místnosti musí mít informaci o tom, jaká energie je k dispozici, aby podle toho mohl řídit ventil. Zde existuje zásadní rozdíl mezi komunikativní a nekomunikativní regulací.
Pokud jsou regulátory připojeny na sběrnici a umožňují přenos signálu change-over po ní, nadřazená podstanice prostě tuto informaci centrálně rozešle do všech regulátorů. To je ideální stav, protože odpadá nákup a instalace C/O termostatů, jejich zapojování a případné související chyby.
U autonomních regulátorů je nutné připojit change-over termostat, který měří teplotu vody na přívodním potrubí a tuto informaci předává do regulátoru. Nejvhodnější je použít speciální C/O termostat, např. Siemens RYT182. Ten má pevně nastavené meze přepínání: při teplotě vody nad 30 °C (±4 K) přepíná do režimu topení, při poklesu teploty vody pod 19 °C (±4 K) přepíná do režimu chlazení.
Běžné příložné termostaty nejsou tak vhodné, protože mívají větší rozměry a do stísněných poměrů v podhledech se hůře montují. Největší problém je ovšem možnost nastavení hraniční teploty pro přepnutí, protože pokud je nastavovací prvek vně krytu, svádí k manipulaci, a pokud je uvnitř, není pro servis a kontrolu dostupný. Nevhodně nastavená mezní hodnota je pro správnou funkci regulace fatální – pokud je místnost přetopená, regulátor chce chladit, domnívá se, že v potrubí je studená voda a otevírá ventil, situaci to ještě zhoršuje. Podobně to platí pro chlazení.
Někdy se používá jeden společný C/O termostat pro více zónových regulátorů. Když to výrobce regulátoru umožní, lze C/O vstupy regulátoru připojit ke kontaktům termostatu všechny paralelně, jinak je nutné použít oddělovací relé. Toto zapojení vždy konzultujte s výrobcem regulátoru. Při paralelním zapojení je nutné zapojit vstupy shodně s ohledem na polaritu. Společný C/O termostat sice snižuje počet termostatů v budově, ale zvyšuje nároky na kabeláž a správné zapojení.
Místo termostatu se někdy používá (příložné) čidlo teploty, které má několik výhod:
- je obvykle levnější
- měří teplotu vody spojitě a pokud lze tuto teplotu odečíst na displeji regulátoru, máme další diagnostický prvek
- je-li regulátor instalován v místnosti, lze čidlo zkontrolovat prostým změřením odporu na svorkách u regulátoru bez nutnosti vstupovat do podhledů (pokud tedy nekontrolujeme i montáž) – to u termostatu není možné, chceme-li prověřit jeho funkci, musíme vyvolat nebo simulovat změnu teploty média
- nelze na něm již z principu nastavovat mezní hodnotu a tedy odpadá možnost chybného nastavení
- nemá přepínací kontakt, ale dva vodiče, u pasivních odporových čidel zaměnitelné, takže nehrozí chybné zapojení.
Regulátor ovšem musí na svém vstupu odporové čidlo teploty pro C/O podporovat.
Umístění C/O termostatu nebo čidla
Obr. 2 – Umístění change-over termostatu
Termostat musí být především instalován tak, aby mohl správně měřit teplotu přívodní vody. Problém nastává při montáži na plastové potrubí. Zatímco mosaz má součinitel tepelné vodivosti 100 Wm-1K-1, u materiálu PP-RCT je to 0,24 Wm-1K-1, tedy o tři řády méně. Projektant měření a regulace by měl v požadavcích na ostatní profese vyžadovat připravenost v té podobě, že projektant potrubních rozvodů určí místo, kam bude možné C/O termostat nebo čidlo přimontovat. Jímkové termostaty se nepoužívají jednak pro malou světlost potrubí, jednak pro vyšší cenu a náročnější montáž.
Při určování místa montáže si musíme uvědomit, jak je potrubí vedeno a kde vlastně médium trvale proudí, aby měření mělo smysl.
Trvalý průtok je zajištěn pouze v místě a) nebo d), a to ještě jen v případě, že na konci potrubí je trvalý zkrat (s omezeným průtokem). V odbočkách k jednotlivým místnostem proudí voda pouze tehdy, je-li otevřen ventil! Při uzavřeném ventilu je tedy u termostatů instalovaných v místech b) nebo c) stojatá voda, která nemůže poskytnout pravdivou informaci o aktuální teplotě média v hlavní větvi. Montáž termostatu nebo čidla C/O na odbočku je tedy nevhodná.
Bohužel k hlavní větvi není vždy možné se s kabelem termostatu dostat. Proto některé regulátory (Siemens RDG100) mají funkci tzv. proplachu, která otevírá ventil i v době, kdy by měl být uzavřen, a to ve dvouhodinových intervalech na nastavitelnou dobu 1…5 min. To by mělo zajistit dostatečnou cirkulaci vody v hlavním potrubí i v odbočce. Pak je přípustná montáž v místě b). Pozice c) má tu nevýhodu, že měřená voda je již ochlazena nebo ohřáta v teplosměnném tělese, a proto je její teplota blíže teplotě pokojové. Tomuto místu se proto snažíme za každou cenu vyhnout.
Instalovat C/O termostat na společnou zpátečku by snad nikoho ani nenapadlo, proto tato varianta na obrázku chybí. V tomto kontextu jen pozor na možnou záměnu přívodního a vratného potrubí. V okamžiku montáže termostatů nemusí ještě být všechny části potrubí řádně označeny štítky.
I s ohledem na nepohodlí při montáži a servisu C/O termostatů nebo čidel lze jen doporučit nasazování komunikativních regulátorů, které signál C/O přijímají po sběrnici. Výše zmíněná rizika a potíže tím zcela odpadají.
Logika v zónovém regulátoru
Rozhodovací logika v pokojovém regulátoru je v principu poměrně prostá. Regulátor teploty v místnosti má na výstupu dvě sekvence – topení a chlazení. Na ventil je pak přivedena ta z nich, pro kterou je v potrubí vhodná teplota vody.
Obr. 3 – Logika change-over v zónovém regulátoru
Znamená to, že při požadavku na topení (požadovaná teplota v místnosti je větší než teplota naměřená) otevírá ventil fancoilu nebo stropního trámu pouze v případě, je-li v potrubí topná voda (resp. je-li aktivní režim topení). Pokud je právě aktivní režim chlazení, ventil zůstává uzavřen. Podobně při požadavku na chlazení musí být aktivní režim chlazení. Má-li regulátor displej, je užitečné, když je uživateli indikován buď aktuální stav ventilu (topení/chlazení/vypnuto), nebo aktuální režim (topení/chlazení). U některých regulátorů (např. Domat FCR010) je možné způsob indikace vybrat při uvádění do provozu.
Tato základní funkce může být doplněna zpožděním při přechodu mezi režimy (cca. 30 minut). Na to je třeba dát pozor při uvádění do provozu a testech, protože při změně stavu termostatu nebo sběrnicového C/O signálu se pak nějakou dobu zdánlivě nic neděje.
Zaškolení uživatelů
Důležitou součástí celého procesu uvádění do provozu a předávání systému change-over je zaškolení uživatelů, a to jednak obsluhy – domovního technika, jednak osob, které dlí ve vytápěných či chlazených místnostech. Domovní technik by měl zejména pochopit algoritmy pro přepínání zdrojů mezi režimy topení a chlazení a umět přepínat ručně režimy a nastavovat meze, jsou-li tyto parametry dostupné. Uživatelům místností je nutné vysvětlit, že v budově se vždy buď topí nebo chladí, nikdy obojí zároveň, a že některé místnosti se musejí přizpůsobit aktuálnímu režimu, tedy nebude v nich vždy možné dodržet nastavené teploty. Je zbytečné nastavovat ovladačem požadovanou teplotu do krajních mezí – pokud je budova v opačném režimu, než určitá místnost potřebuje, její zónový regulátor nemůže ke zvýšení komfortu přispět.
Není snad nutné dodávat, že zaregulování musí proběhnout i v přechodném období, kdy právě pravidla pro volbu režimu hrají pro ekonomiku provozu i komfort zásadní roli. Jedině při dostatečné výměně informací mezi technologickou firmou, dodavatelem řídicího systému a provozovatelem budovy může systém change-over, jakkoli s sebou nese některá omezení, fungovat co možná úsporně při dosažení maximálního možného komfortu.
Domat Control System s.r.o. patří k evropské špičce dodavatelů řídicích systémů a regulací pro inteligentní budovy, průmysl a energetiku. Cílem této ryze české společnosti je vyvíjet, vyrábět a dodávat řídící systémy v mezinárodním měřítku.