Zónové regulační systémy a jejich využití při úsporném efektivním vytápění
V článku je popsána možnost regulace vytápění využitím regulace vytápění využitím zónových regulačních systémů. Článek uvádí princip funkce zónových vodičových a bezdrátových regulačních systémů.
Úvod
Předchozí článek pojednával o využití mechanických a prostorových termostatů pro regulaci zdrojů tepla a následně pak dosažení optimální tepelné pohody ve vytápěných prostorách. Aby bylo dosaženo efektivního vytápění při minimálních nákladech, měl by být každý lokální zdroj tepla ovládán nejlépe prostorovým termostatem (nebo ekvitermním regulátorem). Hlavní nevýhodou prostorových termostatů je, že termostat je umístěn vždy v jedné místnosti (referenční - většinou nejvíce obývané) a na základě okolní prostorové teploty v této referenční místnosti ovládá zdroj tepla. Celý systém vytápění je tedy řízen na základě teploty pouze v jedné referenční místnosti. Samozřejmě v dnešní době již existují systémy, které umožňují řízení vytápění na základě prostorových teplotních snímačů umístěných ve více místnostech. Tyto systémy se jednoduše nazývají zónové. Následující článek popisuje princip zónových regulačních systémů a jejich využití v panelových bytech a obytných domech.
Popis a využití zónových systémů
Minulý článek začínal popisem principu lokálního a dálkového vytápění. Důvodem popisu bylo využití prostorových termostatů jako systémů pro ovládání zdroje tepla. Pokud se zaměříme na zónové systémy, není nutné již specifikovat zónové systémy pro lokální a dálkové vytápění. Zónové systémy jsou totiž využitelné pro oba typy vytápění. Jelikož jsem se již několikrát setkal s nesprávným pochopením významu pojmu "zónového systému", ještě než přejdeme k popisu těchto systémů, uvedu význam slova "zónový". Co tedy znamená pojem "zóna". Pojem zóna je adekvátní pojmu prostor. Pokud význam vztáhneme k vytápění, jedná se o vymezený prostor (konkrétní místnost), která se má vytápět na požadovanou teplotu. Význam celého pojmu zónový systém pak znamená: Systém umožňující individuální vytápění v jednotlivých místnostech. Pokud tedy obytný prostor obsahuje čtyři pokoje a kuchyň, může se hovořit až o 5 zónovém systému. Schválně jsou uvedena slova "může" a "až", neboť ne všechny místnosti musí být individuálně vytápěny. Jako zóna mohou být například označeny dva pokoje dohromady. V našem příkladě se tedy může jednat o systém 1 zónový až 5 zónový. Jakým způsobem bude zónový systém navržen, je pak již zcela obyvateli bytu.
Kde je tedy možné zónové systémy využít již vyplývá ze samotného popisu významu zónový. Zónové systémy se dnes s výhodou využívají jak v rodinných domech (s lokálním vytápěním), tak v panelových domech (s vytápěním dálkovým). Jediný rozdíl je v použití reléové jednotky, která ovládá příslušný zdroj tepla (kotel). V systémech dálkového vytápění se převážně tato reléová jednotka nevyužívá, zatímco v systémech lokálního vytápění se tato jednotka využívá především ke spínání zdroje tepla dle skutečné potřeby. Základem všech zónových systémů je řídicí centrální jednotka. Tato řídicí jednotka slouží jako hlavní prvek zónového systému, který je správcem nad všemi ostatními zařízeními a vydává povely k jejich ovládání. Řídicí jednotka také obsahuje zobrazení (nejčastěji digitální displej), který slouží jako hlavní rozhraní mezi uživatelem a ostatními systémy. V řídicí jednotce se celý zónový systém konfiguruje. V této jednotce se zadává, kolik zón má celý systém spravovat a hlavně se kterými komponenty systému má řídicí jednotka komunikovat.
Obr. 1. Příklad vícezónového systému
V samotné řídicí jednotce se zadávají časové a teplotní programy pro jednotlivé zóny. Řídicí jednotka může přijímat aktuální prostorové teploty z jednotlivých teplotních snímačů umístěných v místnostech (zónách) a například vysílá požadavky na otevírání a zavírání pohonů a tím i ventilů u jednotlivých otopných těles.
Obr. 2: Příklad centrální řídicí jednotky
Zónové systémy vytápění se obecně rozdělují na dvě části. Nejstarší zónové systémy byly pouze vodičové. To znamená, že jednotlivé komponenty systému byly mezi sebou propojeny vodičem. To přinášelo jisté nevýhody (distribuce vodičů) při integraci zónového systému do již vybudovaného systému vytápění. Druhou skupinou zónových systémů, která již hlavní nevýhodu vodičových systémů nemá, jsou bezdrátové zónové systémy. U bezdrátových systémů je využita bezdrátová technologie nízkorychlostní komunikace, nejčastěji ve frekvenčním pásmu 868 - 870 MHz.
Jak již bylo uvedeno, hlavní částí zónového systému je centrální řídicí jednotka. Z jakých dalších komponent se ale zónový systém skládá? Vzhledem k tomu, že se jedná především o zónové systémy určené pro regulaci vytápění, jsou další komponenty systému následující: nástěnné snímače vnitřní teploty s korekcí nebo bez korekce, snímač venkovní teploty, termoelektrické pohony, elektronické regulátory otopných těles, zónové regulátory podlahového vytápění a reléová spínací jednotka. Mezi další komponenty zónových systémů se mohou řadit zařízení, která přispívají ke komfortu zónové regulace. Mezi tato zařízení se mohou řadit například senzor intenzity slunečního záření, senzor rychlosti větru, různé spínací jednotky, jednotky pro ovládání žaluzií, moduly pro dálkové ovládání prostřednictvím GSM a moduly umožňující vizualizaci celého systému na PC nebo internetu. Jelikož se v této sérii článků soustředíme především na možnosti úspor při vytápění, budou v následujícím textu popsány základní funkce zařízení přispívajících především pro regulaci vytápění.
Vodičové zónové systémy
Vodičové zónové systémy je možné využít pro řízení vytápění z otopných těles, podlahového vytápění nebo kombinace otopných těles a podlahového vytápění. Jak již bylo řečeno, základem celého systému je centrální řídicí jednotka. Další důležitou částí systému, v případě vodičového zapojení, je zónový regulátor. Zónový regulátor slouží pro ovládání (vydávání elektrických povelů) do komponent, které jsou k zónovému regulátoru připojeny. Pokud budeme uvažovat základní aplikaci vytápění pomocí otopných těles, jsou jednotlivými komponenty termoelektrické pohony. Termoelektrický pohon je velikostí podobný termostatické hlavici, která se nasazuje na radiátorový ventil, ale je možno jej ovládat přivedeným elektrickým napětím. Termoelektrické pohony jsou tedy zařízení, která jsou ovládána elektrickým signálem (230V AC nebo 24V AC/DC). Pohony se nejčastěji vyrábí ve dvou provedeních. Prvním je termoelektrický pohon bez napětí otevřen (normaly opened - NO).
Obr. 3: Vodičový zónový systém pro ovládání otopných těles
Druhým typem je termoelektrický pohon bez napětí uzavřen (normaly closed - NC). Výběr typu termoelektrického pohonu závisí na aplikaci a uživateli. Zónový regulátor může obsahovat i relé, které může ovládat hořák kotle. Typické zapojení vodičového systému pro ovládání vytápění pomocí otopných těles je zobrazeno na obr. 3. Princip regulace vytápění je následující: Řídicí jednotka je propojena se zónovým regulátorem. K zónovému regulátoru jsou dále připojeny jednotlivé nástěnné snímače prostorové teploty a odpovídající termoelektrické pohony, které jsou nasazeny na termostatických ventilech otopných těles. V řídicí jednotce jsou nastaveny časové programy (různé požadované teploty v různých časových intervalech) pro jednotlivé zóny. Řídicí jednotka posílá do zónového regulátoru požadované teploty pro všechny zóny. Tyto požadované teploty jsou v zónovém regulátoru porovnávány s aktuálními prostorovými teplotami měřenými nástěnnými jednotkami. V případě, že je prostorová teplota příslušné zóny nižší než požadovaná teplota (nastavená v řídicí jednotce), ovládá zónový regulátor odpovídající pohon. Řízením termoelektrického pohonu se zvedá kuželka termostatického ventilu a topné médium je uvedeno do otopného tělesa. V opačném případě, kdy je měřená prostorová teplota vyšší než požadovaná teplota, je kuželka termostatického ventilu uzavřena. Princip regulace v jednotlivých zónách je obdobný prostorovému termostatu. Pokud je připojen kotel, je pak hořák kotle ovládán při požadavku vytápění v jakékoliv místnosti. Pokud budeme uvažovat aplikaci pomocí podlahového vytápění, tam je princip řízení obdobný. Jedinou odlišností je to, že v případě podlahového vytápění je v systému umístěn rozdělovač. Zónový regulátor je pak umístěn přímo v prostoru rozdělovače. Princip funkce je ale stejný. Měřená prostorová teplota je v zónovém regulátoru porovnávána s požadovanou teplotou. Pokud je požadavek na vytápění (požadovaná teplota je vyšší než aktuálně měřená), otevře se příslušný termoelektrický pohon. Do příslušné zóny podlahového vytápění je pak uvedeno topné médium a podlaha se začne postupně zahřívat.
Obr. 4: Vodičový zónový systém pro ovládání podlahového vytápění
Bystrého čtenáře jistě napadne několik otázek:
Je nutné vždy využívat řídicí jednotku? Odpověď je - není. Některé zónové regulátory mají nastavenou prahovou hodnotu vytápění na 20°C. Pokud tedy není použita řídicí jednotka, vzdáváme se nastavení časových programů pro jednotlivé zóny a aktuální měřená teplota je v zónovém regulátoru porovnávána s hodnotu 20°C. Výrazně ušetříme při pořizování systému, ale vzdáváme se komfotního ovládání vytápění.
V textu výše je uvedeno, že některé nástěnné teplotní snímače obsahují korekci. Co to přesně znamená? Nástěnný teplotní snímač je určen pro měření aktuální prostorové teploty. Tato teplota je zasílána do zónového regulátoru. V zónovém regulátoru je tato měřená teplota porovnávána s požadovanou teplotou nastavenou v řídicí jednotce. Pokud ovšem chceme lokálně (v příslušné zóně) změnit požadovanou teplotu, je možné využít nástěnný teplotní snímač s korekcí. Pomocí korekce (otočením kolečka v daném rozsahu, typicky +/- 5°C) pak lze změnit požadovanou teplotu pro příslušnou zónu. Nemění se ovšem přesně požadovaná teplota, ale aktuální teplota v daném prostoru. Otočním kolečka korekce totiž měníme měřenou teplotu v místnosti (ovlivňujeme odpor teplotního prostorového snímače). Změna je platná do další změny časového programu.
Bezdrátové zónové systémy
Obr. 5: Bezdrátový zónový systém pro ovládání otopných těles
Jak již bylo uvedeno, hlavní nevýhodou vodičového zónového systému je nutnost propojení všech komponent systému pomocí vodičů. Díky tomu, že v bezdrátovém systému mezi sebou všechny jednotky komunikují bezdrátově, tato nevýhoda u bezdrátového systému již není. Bezdrátový zónový systém, stejně jako vodičový, je možné využít pro řízení vytápění otopnými tělesy, podlahového vytápění a jejich kombinace. Další výhodou bedrátového zónového systému je, že v případě řízení vytápění otopnými tělesy není nutné použít zónový regulátor. Zónový regulátor může být nahrazen bezdrátovými regulátory (termostatickými hlavicemi) otopných těles, které jsou umístěny v jednotlivých zónách. Příklad bezdrátového systému pro ovládání otopných těles je uveden na obr. 5. Princip zónové regulace je následující. V řídicí jednotce je nastaven požadovaný časový program s požadovanými teplotami. Regulátory otopných těles jsou nasazeny na termostatických ventilech, jednak ovládají zdvih kuželky termostatického ventilu, a jednak slouží jako teplotní snímače prostorové teploty. To znamená, že komunikace mezi řídicí jednotkou a regulátorem otopného tělesa je obousměrná. V řídicí jednotce je pak porovnávána požadovaná teplota s teplotou měřenou. Dle porovnání obou teplot je pak vyslán signál do regulátoru otopného tělesa, který reaguje na požadavek vytápění přivíráním nebo otvíráním termostatického ventilu. Samozřejmě může být celý systém koncipován pomocí zónového regulátoru, ale pak již systém není plně bezdrátový, neboť k jednotlivým termoelektrickým pohonům jsou vedeny vodiče.
Pokud budeme uvažovat systém podlahového vytápění, tam je již použití zónového regulátoru nezbytné. Příklad bezdrátového systému pro podlahové vytápění je uveden na obr. 6. Základem systému je opět řídicí jednotka a zónový regulátor. V celém zónovém systému se dále nacházejí nástěnné teplotní snímače (s korekcí nebo bez), reléová jednotka určená pro ovládání kotle a anténa sloužící výhradně pro posilování signálu. Princip regulace je zcela shodný jako u vodičového zónového systému. Řídicí jednotka zasílá bezdrátově požadovanou teplotu pro všechny zóny do zónového regulátoru. Současně jsou do zónového regulátoru bezdrátově zasílány z jednotlivých teplotních snímačů aktuální měřené prostorové teploty. Zónový regulátor porovnává aktuální a požadované teploty a ovládá jednotlivé termoelektrické pohony, které jsou k zónovému regulátoru drátově připojeny. Na základě požadavku vytápění je také zasílán signál do reléové jednotky, která ovládá příslušný zdroj vytápění.
Obr. 6: Bezdrátový zónový systém pro ovládání podlahového vytápění
Jak je patrné z uvedeného popisu, výhod bezdrátového systému je více. Každého jistě může napadnout otázka ohledně bezdrátového dosahu. Většina výrobců uvádí dosah do 30 m v otevřeném prostoru. Samozřejmě závisí na konstrukci celého objektu, který je vytápěn. Z vlastní zkušenosti znám aplikace, kdy je vytápěna průmyslová hala o délce 50 m a dosah je bezproblémový. Na druhou stranu jsou známy aplikace, kdy je dosah do 10 m a komunikace vypadává. Nicméně pro rodinné domy nebo v panelových bytech je téměř zaručená bezproblémová komunikace. Největší rizika ztráty komunikace jsou v rodinných domech, kdy je požadován dosah signálu mezi dvěma patry (i když v dosahu 30 m).
Závěr
V uvedeném článku je popsána možnost regulace vytápění využitím zónových regulačních systémů. Článek popisuje vodičové a bezdrátové zónové systémy a jejich využití pro optimální regulaci vytápění. Popsán je především důvod využití zónových systémů pro komfortní možnosti vytápění. Využitím zónového systému je vytápění v objektu ve vytápěném prostoru optimálně regulováno a je možno dosáhnout dalších úspor.
The paper presents the possibility of heating regulation by using of zoning regulation systems. The paper describes the main functionality of zoning wired a wireless regulating systems. Detail description of wired and wireless zone systém differences is mentioned. By using of zone regulating systems it is possible to reduce heating costs and improve comfort in our homes.