Regulace v praxi I - topný okruh a podlahové vytápění
Článek vychází z publikace "Regulace v praxi aneb jak to dělám já". Popis programování řídicích systémů je popsán v logickém sledu tak, aby byl aplikovatelný na různé systémy. Záměrem bylo vytvořit "pomocníka do kapsy" pro projektanty, montážní techniky a programátory měření a regulace.
Ve článku autor rozebere problematiku regulace, programátorské postupy i praktická řešení konkrétních zadání. V první části je popsán ekvitermní topný okruh s vlivem prostoru, ale protože navazuje na předešlou kapitolu, jejíž znění naleznete v uvedené publikaci, může se zdát popis neúplný. Ukázka programátorského postupu v kapitole "podlahové topení" je příkladem, který by mohl princip tohoto řešení ekvitermní regulace osvětlit a trochu vynahradit nepublikovanou kapitolu.
Článek nemá ambice výše zmiňovanou knihu nahradit, ale spíše na ni čtenáře upozornit. Publikaci vydalo nakladatelství BEN.
2.4 Ekvitermní topný okruh s vlivem prostoru
Ekvitermní regulace s vlivem prostoru neznamená ekvitermní regulaci s prostorovým termostatem! Prostorové termostaty spínají jen při poklesu teploty v referenční místnosti (povel chci/nechci topit) a tím se připravujeme o informaci o teplotě prostoru, která nám potom chybí při úpravě ekvitermní křivky. Při použití prostorového termostatu "říkáme" topení zda má topit či ne a kotel (nebo topná zóna) se regulují podle neměnné ekvitermní křivky, což má za následek cyklování topení při dotopení prostoru na žádanou teplotu a zároveň nemůžeme upravit křivku pro rychlé zatopení. S použitím prostorového snímače máme o hodně větší pole působnosti v regulaci topného okruhu a doladění ekvitermní křivky podle aktuálních podmínek. Doplnění ekvitermní regulace o vliv prostoru popisuje programátorský postup.
Obr. 2.4.1 Ekvitermní okruh s prostorovým snímačem
Pro rodinné domy bez řídicího systému a s malou spotřebou energie je ideálním řešením (poměr cena/výkon) použití kotle s ekvitermní regulací teploty topné vody a prostorového ovladače s integrovaným snímačem teploty, který nám dolaďuje tepelnou pohodu a zároveň plynule reguluje výkon hořáku kotle podle konkrétní situace. Pokud toto výrobce kotle neumožňuje, je vhodné použít náhradní řešení, které ale nedosahuje takové efektivity jako řešení předešlé. V podstatě je to kombinace ekvitermního řízení kotle a použití prostorového termostatu s časovým programem pro odstavení topení při dotopení prostoru na žádanou hodnotu. Toto už není ekvitermní řízení s vlivem prostoru, ale ekvitermní řízení s odstavením topení od prostorové teploty. Může se zdát, že je to to samé, ale rozdíl v provozních nákladech u středních a větších systémů může být 10 až 20 %.
Programátorský postup:
Popis algoritmu ekvitermní topné zóny doplněný o vliv prostoru. Algoritmus je realizován ve dvou částech. První částí je splnění podmínek pro topení (logické operace), druhou částí je vlastní regulace (analogové zpracování hodnot).
POSTUP UVEDEN POUZE V TIŠTĚNÉ VERZI KNIHY REGULACE V PRAXI
Pro osazení prostorových snímačů platí stejné podmínky jako pro osazení prostorových termostatů popsaných v kapitole 2.2. Pokud použijeme prostorový snímač, většinou máme k dispozici řídicí systém, a proto můžeme použít i komfortní ovládání se snímáním prostorové teploty popsané v kapitole 2.8.
LETNÍ ČAS - Podle mezinárodního standardu je přechod na letní čas určen na poslední neděli v březnu (+1 hodina) a přechod na zimní čas poslední neděli v říjnu (-1 hodina). Též musíme myslet na možné budoucí sjednocení Evropy s USA (datum jarního přechodu první neděle v dubnu), nebo úplné zrušení letního času, a proto je dobré zavést proměnnou pro deaktivaci automatické změny letního času. Velmi dobře má vyřešen a popsán algoritmus přechodu na letní čas výrobce řídicích automatů firma AMiT, a z tohoto algoritmu zde budu vycházet. Chceme-li zajistit automatický přechod na letní čas, vezmeme si čas při nahrání aplikace do řídicího systému jako platný a nakopírujeme si ho do pomocné proměnné a následně upravíme tak, že do této proměnné ukládáme lokální čas převedený na pásmový (zimní) čas Azorských ostrovů, tj. čas o hodinu zpožděný oproti UTC (GMT), a tím pádem o dvě hodiny zpožděný od středoevropského času. Úprava spočívá v odečtení od aktuálního času tři hodiny v době letního času, a 2 hodniny v době zimního času. Takto upravený čas má tu výhodu, že středoevropský přechod zima/léto a zpět v něm nastává vždy o půlnoci, takže není třeba řešit speciality různých časů v rámci kritické neděle (letní/zimní čas v jeden den), kdy dochází ke změně času. S takto uvedeným časem lze zjistit, zda den spadá do zimního či letního období, bez testování aktuální hodiny. V aplikaci si udržujeme příznak, jedná-li se o zimní nebo letní čas, tj. léto je od dubna do září. V březnu tehdy, jestliže nejbližší následující neděle je už v dubnu, v říjnu tehdy, jestliže nejbližší následující neděle spadá ještě do října. V inkriminovaný den přechodu na letní (či zimní) čas přičteme (nebo odečteme) hodinu a tímto časem přepíšeme systémový čas řídicího automatu.
Obr. 2.4.2 Ukázka LCD
U aplikací, kde je přítomna obsluha a nejedná se o dálkové řízení přechod na letní čas neimplementuji, aby obsluha musela zadat jiný čas, a tím se (alespoň dvakrát za rok) procvičila v obsluze ovládacího terminálu a zároveň zkontrolovala instalovanou technologii.
Je-li nutné řešit přechod na letní čas a řídicí stanice jsou spojeny v síti, např. sídliště, výrobní podniky atd., tak algoritmus letního času řeším jen v jedné z nich (nejdůležitější typicky u zdroje tepla) a čas rozesílám do ostatních řídicích stanic po komunikační lince.
2.5 Podlahové topení
Podlahové topení zvláště větších výkonů má svá specifika, a proto mu věnuji samostatnou kapitolu. Podlahové topení má své příznivce i odpůrce, a proto bych hned v úvodu na základě svých zkušeností uvedl porovnání podlahového topení versus radiátory. Pro podlahové topení mluví zejména tyto výhody:
- Je vhodné zejména tam, kde máme nízkoteplotní zdroje (tepelná čerpadla, kondenzační kotle atd.).
- V místnostech nemusí být žádná otopná tělesa, tudíž je větší užitný prostor.
- Tepelná pohoda od sálavého tepla z podlahy je kvalitnější než u radiátorů.
- Cirkulace vzduchu je podstatně snížená oproti radiátorům, a proto je i víření prachu v místnosti menší, ale musíme vzít v úvahu podlahové krytiny. U podlahového topení je velmi problematické umístění koberce, který je velkým lapačem prachu, a proto se musí častěji uklízet. Z hlediska víření prachu je podlahové topení lepší, ale pro zachycení prachu horší. Nebyl jsem si jistý, zda toto dát do kladů či záporů, ale při odpovídajícím úklidu rozhodně patří do kladů.
Samozřejmě co má klady má i zápory:
- Velká tepelná setrvačnost podlahového topení je velmi nepříznivá pro rychlé zatopení a odstavení topení. Opravdu se vyplatí topit sice méně, ale stále. Velké teplotní skoky jsou nevhodné.
- Větší investice do topenářské realizace topení a nutnost osadit havarijní termostat TAH01 pro topnou větev, který při překročení teplotní hranice povolené do podlahového topení (standardně 45 °C), odstaví čerpadlo, zavře směšovací ventil a vyhlásí poruchu.
Obr. 2.5.1 Podlahové topení
Teplotu topné vody pro okruh podlahového topení nebo přípravu vhodné teploty topné vody pro rozdělovač podlahových topných okruhů můžeme též řídit podle předcházejících kapitol, ale ekvitermní křivky musíme volit podstatně menší, protože podlahové topení je navrhováno na menší provozní teploty, zpravidla na tepelný spád 45/35 °C.
Dnes hodně využívané a provozně výhodné řešení je použití podlahového topení k udržování základní tepelné pohody v objektu a následné dotopení prostoru na komfortní teplotu např. krbem. V objektu je osazen plynový kotel, který ve spojení s podlahovým topením temperuje objekt a po příchodu obyvatel do bytu je prostor v krátké době dotopen zdrojem tepla na tuhá paliva. Není-li osazen nízkoteplotní zdroj tepla a aplikace je bez centrálního řídicího systému, lze použít pro regulaci teploty topné vody pro podlahové topení levné jednoúčelové regulátory na konstantní teplotu, ale zvláště v tomto případě nesmíme zapomenout na dříve popsaný havarijní termostat.
Pro objekty, které jsou nárazově využívané, se osvědčil princip kombinace podlahového topení a radiátorů. Po aktivaci topení radiátory rychle dotopí prostor na přijatelnou teplotu a podlahové topení následně udržuje tepelnou pohodu. Toto zapojení odstraňuje nevýhodu odstavení podlahového topení a zároveň nemusí být dimenzováno na extrémně chladné dny, protože zvýšený výkon můžeme dodat radiátory. Též radiátorů je v objektu minimum.
Je-li použit rozdělovač podlahových topných okruhů, můžeme jednotlivé topné okruhy podlahového topení elektricky ovládat:
- pomocí prostorových termostatů, které ovládají termopohony na rozvaděči podlahového topení pro jednotlivé okruhy,
- centrálním řídicím systémem, který ovládá zdroj tepla, přípravu topné vody a pomocí prostorových snímačů ovládá termopohony jednotlivých topných okruhů,
- existuje též mnoho firem, které se specializují na individuální řízení místností, popsané v kapitole 2.8.
Obr. 2.5.2 Rozdělovač podlahové topení
Pokud budeme řídit topné okruhy jinak, než samostatnými prostorovými termostaty, doporučuji použít k dohledu a parametrizaci obslužný vizualizační software na PC, protože ovládání přes LCD je pro obsluhu (z důvodu mnoha parametrů) velmi namáhavé a pracné. Je nutné si předem dobře rozmyslet variantu individuální regulace místností, protože případná změna výrobce a tudíž i koncepce je velmi náročná (jiné kabely, snímače atd.).
Při oživování podlahových topení narážím na živelné napouštění topných hadů podlahového topení a to má za následek vytvoření takzvaného "pytle" v topných hadech a následného pracného vyhánění vzduchu ze systému topení. Správný postup je ten, že zavřeme všechny topné hady kromě napouštěného a následně napouštíme hada z jedné strany. Po napuštění tohoto topného hada ho uzavřeme a přistoupíme k napouštění dalšího. Po napuštění posledního topného hada všechny otevřeme a zapneme čerpadlo, které zbytky vzduchu vyžene k odvzdušňovacímu ventilu. Od doby co topenáři používájí tento postup, nemám s podlahovým topením žádné problémy.
Pro správnou funkci podlahového systému topení je vhodné použít podlahový rozdělovač s plováčkovými průtokoměry na sběrači, pomocí něhož můžeme nastavit správný průtok topnou větví (hadem), a zároveň máme kontrolu její správné funkce. U aplikací s programovým ovládáním topných hadů pomocí servopohonů, termopohonů atd. je to neocenitelná pomůcka pro oživení, kontrolu funkce a v neposlední řadě pro nález případné nefunkčnosti. Při použití termopohonů musíme též správně zvolit jejich funkci, tj. "bez napětí otevřen" nebo "bez napětí zavřen." Důležité je též upozornění, že některé typy termopohonů bývají dodány v "montážní poloze" pro správné nasazení pohonu, a teprve s prvním a dalším řídicím signálem se srovnají do přiřazené polohy.
Chtěl bych se zde ještě zmínit o vysoušení podlahy po instalaci podlahového topení. U vysoušení podlahy postupujeme podle doporučení výrobce, ale obecně lze říci, že necháme podlahu po zabetonování stát, dokud nevidíme patrné známky schnutí (cca 5-10 dní). Potom můžeme pustit do podlahového topení 25 °C teplou topnou vodu. Tuto hodnotu udržujeme jeden den a potom zvýšíme každý den o 10 °C, až se dostaneme na 55 °C, potom tuto teplotu udržujeme cca 5 - 10 dní. Po zřetelném vysušení podlahy plynule snižujeme teplotu topné vody o 10 °C každý den, až se dostaneme opět na 25 °C. Po této akci by měla být podlaha kvalitně vysušená a topný had dokonale usazen v podlaze.
Obr. 2.5.3 Ukázka topných ekvitermních křivek pro max. teplotu 40-50°C
Popis (více kapitola 2.3 ekvitermní topný okruh): Ekvitermní křivku mám složenou ze tří bodů, to znamená ze šesti parametrů. První bod při 31 °C venkovní teploty a 10 °C topná voda zůstává konstantní. Parametry venkovní teploty zůstávají též konstantní, tj. 31 °C; 0 °C; -30 °C. Pro druhý a třetí bod topné vody jsem vytvořil lineární interpolaci podle zadaného čísla.
Volba křivky pro bod 0 °C venkovní teploty:
křivka 10 → 23 °C; 20 → 26 °C; 30 → 29 °C; 40 → 32 °C; 50 → 35 °C; 60 → 38 °C; 70 → 41 °C; 80 → 44 °C; 90 → 47 °C; 100 → 50 °C.
Volba křivky pro bod - 30 °C venkovní teploty:
křivka 10 → 27 °C; 20 → 32 °C; 30 → 37 °C; 40 → 42 °C; 50 → 47 °C; 60 → 52 °C; 70 → 57 °C; 80 → 62 °C; 90 → 67 °C; 100 → 72 °C.
Mezi těmito body též interpoluji. Po změně čísla ekvitermní křivky se přepočítá druhý a třetí bod a provede se změna ekvitermní křivky. Pro doladění křivky jsem použil paralelní posun křivky, tzn. KOREKCI. Pomocí těchto dvou parametrů by měl být uživatel schopen doladit tepelnou pohodu dle objektu. Tento postup by se mohl nahradit matematickou operací, ale protože ekvitermní systém je v našich končinách nejpoužívanější a neustále ho zdokonaluji, tak je tento systém nejpřijatelnější pro modifikace, tj. je možné upravovat jednotlivé křivky.
Doteď jsem se zabýval jen nejrozšířenějším vodním podlahovým topením a jeho regulací, ale obdobné principy platí i pro elektrické podlahové topení. I u elektrického podlahového topení musíme zabezpečit hlídání maximální teploty podlahy. Toho docílíme tak, že do chráněného úseku vložíme snímač teploty nebo ochranný termostat s možností měření teploty v podlaze (kapilárový), který rozepne elektrický topný okruh při nadměrném zahřátí podlahy. Při dnešních cenách elektrické energie patří toto topení spíše k nadstandardním a regulace je řešena už výrobcem v rámci projektu tohoto topení.
Programátorský postup:
Zde ve dvou částech popíši vytvoření algoritmu ekvitermní topné zóny pro podlahové topení. Princip regulace je obdobný jako u ekvitermního regulačního okruhu pro radiátory, ale protože pracujeme s menším tepelným spádem, jsou ekvitermní křivky a algoritmus tomu přizpůsoben. Častým dotazem u podlahového topení je na odstavování z důvodů úspory energií. Odpověď je jednoznačná. Čím méně tepelné energie do prostoru dodáme, tím méně jí spotřebujeme pro výrobu tepla. Hlavním argumentem pro neodstavení podlahového topení je jeho tepelná setrvačnost, tudíž pokud topení odstavíme, tak nemůžeme čekat, že za chvíli bude v daném prostoru komfortní teplota. Zde musíme najít kompromis mezi přijatelným komfortem a optimální spotřebou energie. Takže závěr je takový, že útlumy topení ano, ale takové jenž nesníží požadovaný uživatelský komfort. Protože je to subjektivní názor obsluhy tak nastavení útlumů necháváme vždy na ní.
První část algoritmu zajišťuje splnění podmínek pro topení (logické operace), druhou částí je vlastní regulace (analogové zpracování hodnot).
1. ČÁST:
Nejprve vyhodnotíme podmínky pro aktivaci topení.
1. Pokud je topení zapnuto vypínačem na rozvaděči (LCD):
- [a zároveň] není vypnuto od venkovní teploty,
- [a zároveň] není odstaveno od nízké žádané teploty topné vody,
- [nebo] je vyhodnocen mráz na topné vodě,
- [a zároveň] není žádná porucha na topném okruhu (velmi důležité je vyhodnocení poruchy od havarijního termostatu pro maximální teplotu topné vody; též maximální teplotu vyhodnocujeme i na regulačním snímači teploty topné vody),
- tak povolíme provoz topení, tj. nastavíme příznak topit.
2. Pokud budeme chtít použít i ruční volbu, můžeme ji realizovat např. přepínačem na rozvaděči s polohou ručně. Poté je nutné tuto informaci předat řídicímu systému připojením kontaktů od spínacích jednotek tohoto přepínače. Další možností je použití přepínače na ovládacím terminálu (LCD). Při použití ručního zapnutí postupujeme programově takto: při sepnutí přepínače do polohy ručně zapíšeme do proměnné ŽÁDANÁ konstantní hodnotu, např. 40 °C, nebo častějším řešením je vyřazení časového programu, tj. [jestliže] je přepínač ručně, [tak] 0 °C (čistá ekvitermní křivka bez vlivu časového programu), [jinak] výstup z časového programu. Do požadavku topit (bod 1.) přidáme podmínku. Celkově bude bod 1. vypadat takto: je-li topení zapnuto v automatickém režimu:
- [a zároveň] není vypnuto od venkovní teploty,
- [nebo] je zapnuto v ručním režimu,
- [a zároveň] není odstaveno od nízké žádané teploty topné vody,
- [nebo] je vyhodnocen mráz na topné vodě,
- [a zároveň] není žádná porucha na topném okruhu,
- tak povolíme provoz topení, tj. nastavíme příznak topit.
3. Čerpadlo zapneme jestliže:
- je požadavek topit,
- [nebo] je požadováno protočení čerpadla,
- [nebo] čerpadlo dobíhá po vypnutí topení (standardně 5 minut). Doběh čerpadla realizuji generování pulsu od sestupné hrany požadavku topit.
4. Regulačním ventilem pohybujeme, máme-li požadavek topit, nebo probíhá letní protočení ventilu. Nedoporučuji provádět letní protáčení čerpadla a ventilu souběžně, z důvodu pravděpodobného odběru tepla. Prvně protočíme ventil a následně čerpadlo.
2. KROK:
5. Podle dříve popsaného algoritmu (vypnutí od venkovní teploty kapitola 2.3) jsme si vytvořili teplotu pro budovu nazvanou např. TěžkáSever a tu použijeme pro vypínání topení s hysterezí 1 °C. Máme-li více venkovních teplot, které ale nejsou ideálně umístěné, použijeme nejnižší z nich (viz osazení venkovních snímačů kapitola 2.3).
6. Lineární interpolací vytvoříme podle zadaných bodů ekvitermní křivku s použitím proměnné TěžkáSever (osvědčila se mi ekvitermní křivka zadávaná třemi a více body).
7. Ořízneme výstupní proměnnou z ekvitermní křivky na minimální a maximální meze, tj. je-li výstupní proměnná z ekvitermní křivky mimo meze, je proměnná nastavena na hodnotu bližší hranice (min. 10 °C; max. 45 °C, nebo maximální dovolená teplota do topného okruhu). Tímto máme vytvořenu takzvanou Z křivku. Minimální žádanou teplotu ve všech případech omezujeme na 10 °C (ne 0 °C) a tím máme ošetřenu i základní ochranu proti mrazu.
8. Vytvoříme časový program pro ovládání teploty topné vody. Ve většině případů stačí čtyři časové zlomy za den. Časový program můžeme vytvořit z hlediska počtu dnů jako denní, týdenní, všední a sváteční dny, nebo uživatelsky definovaný. V tomto časovém programu obsluha zadává hodnotu, která se odečte od výstupní proměnné z ekvitermní křivky. Tímto způsobem lze realizovat mnoho funkcí.
První je noční útlum -8 °C → od křivky se odečte 8 °C. Druhá je pro rychlé zatopení, navýšení křivky +8 °C → ke křivce se přičte 8 °C. Třetí je úplné odstavení topení -50 °C → ať ekvitermní křivka spočítá cokoli, od ekvitermní křivky se odečte 50 °C, tím se dostaneme pod úroveň zapnutí topení (viz dále) a topný okruh je odstaven.
9. Vytvoříme bod mrazové ochrany na topné vodě s hysterezí 2 °C (standardně 11 °C).
10. Vytvoříme výstupní proměnnou ŽÁDANÁ a naplníme ji součtem výstupní proměnné z ekvitermní křivky, korekce a časového programu.
11. Ořízneme proměnnou ŽÁDANÁ na minimální a maximální meze. Pokud je proměnná mimo meze, je proměnná nastavena na hodnotu bližší hranice (min. 10 °C; max. 45 °C, nebo maximální dovolená teplota do topného okruhu).
12. Vytvoříme bod vypnutí topení od nízké žádané teploty do topení s hysterezí 2 °C (typická hodnota pro radiátorový okruh je 21 °C, tzn. při 20 °C topný okruh vypne, při 22 °C zapne).
13. Aktivujeme regulaci na žádanou hodnotu, je-li požadavek topit. Do proměnné ŽÁDANÁ zapíšeme 10 °C, není-li požadavek topit, jinak nic (typická konstrukce: ŽÁDANÁ = IF[jestliže] (topit [je true], [tak] ŽÁDANÁ, [jinak] 10)). Tato funkce musí být za vyhodnocením vypnutí topení od nízké žádané teploty, jinak nám algoritmus nebude správně pracovat.
14. Zavedeme proměnnou ŽÁDANÁ do PID regulátoru a tímto regulátorem regulujeme směšovací ventil topného okruhu.
SNÍMAČE A TERMOSTATY NA TOPNÉ VODĚ - u těchto zařízení je velmi důležité místo osazení, a proto mu věnujeme velkou pozornost. U směšování dvou a více proudů média (vody) o různých teplotách dodržujeme dostatečnou vzdálenost od tohoto místa z důvodu kvalitního promíchání média. Doporučená vzdálenost je 10× dimenze potrubí. Pokud umísťujeme snímač na topnou zónu, tak až za ruční uzavírací armaturu topné zóny, aby se při uzavření snímač neprohříval a nevznikaly tak zavádějící informace, tj. někdo uzavře ručně topnou větev, nevypne čerpadlo, a tudíž čerpadlo běží naprázdno, "seká" vodu a čerpadlo a topná voda se v daném úseku ohřívá, i když do topného okruhu žádná topná voda neproudí.
Příložné snímače a termostaty jsou pro snímání teploty asi nejpoužívanější, avšak nejsou nejideálnější. Doporučuji používat snímače do jímky a u rychlých soustav snímače přímo do měřeného média (snímač bez jímky, jen v nerezovém pouzdře). U příložných snímačů je více než důležité dodržet postup montáže, protože při špatné montáži se snímaná teplota může lišit od skutečné teploty až o jednotky stupňů.
Postup:
- Pokud osazujeme příložné přístroje do horizontálního potrubí, tak je neumísťujeme na horní a spodní stranu potrubí, protože zde není ve většině případů aktuální teplota média (hlavně u větších dimenzí potrubí).
- Odstraníme z měřeného místa barvu, aby nic nebránilo přestupu tepla.
- Měřené místo natřeme tepelně vodivou pastou (vazelínou).
- Pevně přimontujeme měřicí přístroj, minimálně tak, aby s ním nešlo pohybovat rukou. U některých přístrojů jsou dodávané montážní pásky, které nejsou vhodné pro náročnější aplikace, a proto je případně nahradíme páskami s větší přídržnou silou (pásky s utahovacím šroubem, ne závlačkou).
Snímače a termostaty do jímky (přímo do topného média) musí být ponořeny celou svou aktivní délkou v topném médiu a pro lepší omývání snímače jej nasměrujeme proti průtoku topného média. Konec snímače by měl končit v ose potrubí, tj. uprostřed průměru potrubí a v žádném případě se nesmí dotýkat druhé stěny potrubí. Snímače do jímek též potřeme tepelně vodivou pastou, aby byl přestup tepla v jímce co nejlepší.
Article is based on the book "Regulating the practice or how I'm doing." Programming of the control system is described in a logical sequence so as to be applicable to various systems. The intention was to create a "helper in his pocket" for designers, programmers, and assembly techniques of measurement and control.