Bakalářská práce. Návrh systému měření a regulace vytápění

Bakalářská práce

Návrh systému měření a regulace vytápění vypracoval: Pavel Troják vedoucí práce: Ing. Stanislav Věchet, Ph.D. obor: Aplikovaná informatika a řízení 2006

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav automatizace a informatiky

NÁVRH SYSTÉMU MĚŘENÍ A REGULACE VYTÁPĚNÍ (Bakalářská práce)

Bakalář: Pavel Troják Vedoucí: Ing. Stanislav Věchet, Ph.D. Brno, květen 2006

Anotace Cílem této bakalářské práce je návrh systému měření a regulace vytápění firmy TONER s.r.o., Moravská Třebová. Měření a regulace bude navrženo pro vytápění výrobní haly, zahrnující kombinaci teplovzdušného a teplovodního systému. V práci jsou popsány současné způsoby vytápění, moderní řešení regulace kotelen s využitím informačních technologií a také používané komunikace mezi zdrojem tepla a regulátorem. Pozornost je věnována také výběru takových regulátorů, které nám umožní bezobslužný provoz s možností automatického nastavení podle historie provozu. Poslední kapitoly jsou věnovány také popisu a zapojení regulátorů. Tato práce je podrobným podkladem pro realizaci měření a regulace vytápění zmíněné výrobní haly.

Annotation The target of this bachelor thesis is design of measuring and regulation of heating system in company TONER, Moravská Třebová. The measuring and regulation will be designed for heating of production hall, including combination of heating with warm air and warm water. In the thesis are described current ways of heating, modern solution of regulation of boiler houses with using information technologies and also used communication between source of heat and regulator. Attention is devoted also to choice such regulators, which allow us unmanned operation with possibility of automatic setting based on history of operation. Last chapters are devoted to description and connection regulators. This thesis is detailed basis for realization of measuring and regulation of heating of mentioned production hall.

Prohlášení: Tímto závazně prohlašuji, že tuto práci jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce s využitím pramenů uvedených v seznamu použité literatury.

Poděkování: Děkuji Ing. Stanislavu Věchetovi, Ph.D za metodické vedení a podmětné připomínky při vypracování mé závěrečné bakalářské práce. Zároveň děkuji vedení fakulty FSI VUT, že mi umožnila tuto práci vypracovat.

…………………….. Dne: 12.5.2006

podpis

Obsah 1

2

3

4

5

Úvod .................................................................................................................................. 9 1.1 Vytápění v proměnách času ...................................................................................... 9 1.2 Fyziologické reakce člověka na okolní prostředí.................................................... 10 1.2.1 Reakce lidského těla na teplé prostředí ........................................................... 10 1.2.2 Reakce lidského těla na chladné prostředí ...................................................... 10 1.3 Co je to vlastně tepelná pohoda?............................................................................. 10 1.4 TONER s.r.o., Moravská Třebová .......................................................................... 11 1.4.1 Historie ............................................................................................................ 11 1.5 Současnost............................................................................................................... 11 1.6 Charakteristika podniku .......................................................................................... 12 Stávající vytápění výrobní haly a přilehlých prostor ...................................................... 13 2.1 Centrální plynová kotelna ....................................................................................... 13 2.2 Posouzení ekonomiky stávající centrální plynové parní kotelny ............................ 14 2.2.1 Základní údaje parní plynové kotelny............................................................. 14 2.2.2 Náklady na provoz parní plynové kotelny v roce 2005 .................................. 14 2.2.3 Spotřeba tepla za rok 2005 .............................................................................. 15 2.3 Náklady na vytápění po decentralizaci (teplovodní vytápění) ................................ 15 2.3.1 Předpokládané náklady na teplovodní a teplovzdušné vytápění..................... 15 2.4 Návratnost investice do rekonstrukce vytápění...................................................... 15 2.4.1 Provoz vytápění po decentralizaci................................................................... 15 2.4.2 Provoz parní kotelny ....................................................................................... 15 2.4.3 Zhodnocení úspor ve vytápění ........................................................................ 15 Základní rozdělení způsobu vytápění.............................................................................. 17 3.1 Teplovzdušné vytápění............................................................................................ 17 3.1.1 Principy ........................................................................................................... 17 3.2 Parní vytápění.......................................................................................................... 19 3.2.1 Pára ve vytápění .............................................................................................. 19 3.3 Teplovodní vytápění................................................................................................ 20 3.4 Vytápění infračervenými plynovými zářiči............................................................. 20 3.4.1 Všeobecně ....................................................................................................... 20 3.4.2 Tmavé zářiče ................................................................................................... 21 3.4.3 Infrazářiče světlé ............................................................................................. 21 Návrh vytápění výrobní haly a přilehlých prostor .......................................................... 23 4.1 Popis vytápěného objektu........................................................................................ 23 4.2 Způsoby vytápění výrobní haly a přilehlých prostor .............................................. 23 4.2.1 Varianta nového centrálního parního vytápění ............................................... 24 4.2.2 Varianta teplovodního centrálního vytápění ................................................... 24 4.2.3 Varianta teplovodního decentralizovaného vytápění ...................................... 24 Řešení vytápění výrobní haly a přilehlých prostor.......................................................... 25 5.1 Řešení teplovzdušného vytápění ............................................................................. 25 5.1.1 Použité agregáty pro vytápění ......................................................................... 26 5.1.2 Princip funkce teplovzdušných agregátů......................................................... 26 5.2 Řešení teplovodního vytápění ................................................................................. 27 5.2.1 Kaskádové systémy vytápění .......................................................................... 28 5.2.2 Řešení ohřevu TUV......................................................................................... 29

5.2.3 Regulace .......................................................................................................... 30 Realizace systému měření a regulace.............................................................................. 31 6.1 Regulace kotelny I................................................................................................... 31 6.1.1 Provedení regulace .......................................................................................... 31 6.1.2 Ovládání okruhů ÚT........................................................................................ 32 6.2 Regulace kotelny II. ................................................................................................ 33 6.3 Regulace kotelny III., kotelny IV............................................................................ 33 6.3.1 Regulátor TRONIC 2008E zajišťuje:.............................................................. 34 6.3.2 Popis regulací a řízení kotelny ........................................................................ 34 6.4 Regulace kotelny V. ................................................................................................ 36 6.5 Regulace teplovzdušných agregátů ......................................................................... 36 6.6 Popis použitých prvků, regulátorů, protokolů......................................................... 40 6.6.1 Prostorové regulátory s komunikačním protokolem OpenTherm®................ 40 6.7 Programovatelná řídící stanice TRONIC 2000 E.................................................... 41 6.7.1 Přístrojové vybavení stanice T2008E.............................................................. 42 6.7.2 Napájecí zdroj PWSP150 poskytuje následující napájecí hladiny.................. 42 6.7.3 Rozšíření komunikačních možností stanice .................................................... 44 6.7.4 Programování regulátoru T2008E:.................................................................. 44 6.7.5 Aplikační programové vybavení řídicích stanic.............................................. 45 6.7.6 Komunikace a sítě ........................................................................................... 45 6.7.7 Přímé spojení PC a řídicí stanice..................................................................... 46 6.7.8 Napájecí zdroj PWSP150 ................................................................................ 46 7 Závěr................................................................................................................................ 47 8 Seznam použité literatury................................................................................................ 49 9 Přílohy ............................................................................................................................. 51 Příloha 1: zapojení svorek regulátoru TRONIC.............................................................. 51 Příloha 2: schéma zapojení ventilů a čerpadel ............................................................... 52 Příloha 3: připojení servoventilu ÚT k regulátoru TRONIC .......................................... 53 Příloha 4: schéma zapojení vstupů .................................................................................. 54 Příloha 5: schéma zapojení napájení ............................................................................... 55 Příloha 6: schéma zapojení strojního zařízení - kotelna.................................................. 56 6

Úvod

1

Strana 9

Úvod

Tato práce se zabývá návrhem řešení měření a regulace vytápění výrobní haly a přilehlých prostor firmy TONER s.r.o. Moravská Třebová. Jedná se o kombinaci dvou typů vytápění, a to teplovodního a teplovzdušného. Návrh teplovodního vytápění obsahuje pět zdrojů tepla a návrh teplovzdušného vytápění počítá s deseti plynovými agregáty. Řešení vytápění firmy je popsáno v kapitole 5. V kapitole 6. je pak popsáno řešení systému měření a regulace. Schémata zapojení regulace jsou přiloženy v příloze této práce. Ale dříve než bude řešen konkrétní způsob měření a regulace je v kapitole 2. popsán stávající způsob vytápění a v kapitole 3. je základní rozdělení metod vytápění. Kapitola 4. uvádí více možných variant řešení vytápění výrobní haly, jejich výhody a nevýhody. 1.1

Vytápění v proměnách času

V celé historii středoevropských obytných staveb bylo zajištěno vytápění výhradně lokálními zdroji (pece, krby, kamna) umístěnými v jednotlivých místnostech. Tyto topné zdroje vytvářely po dlouhá staletí v budovách plně funkční systém vytápění, který měl zajišťovat tepelnou pohodu. Již Sokrates (okolo 400 př. n. l.) se zabýval myšlenkou jak stavět domy, aby v nich byla zajištěna pohoda prostředí pro člověka. Bohužel v praxi měly jeho návrhy jen minimální vliv. Až do průmyslové revoluce totiž nebyla tepelná pohoda skutečným problémem, protože v té době bylo k dispozici jen velmi málo nástrojů, jak tepelnou pohodu ovlivnit. Bylo-li chladno, zapálil se oheň, bylo-li teplo, používaly se vějíře nebo ventilátory poháněné sluhy. Koncem 18. století se však zdokonalila vytápěcí technika, počátkem 20. století se začalo používat mechanické chlazení a již bylo možné budovu jak přetopit, tak podchladit. V dnešní době, při současném rozmachu techniky, není problém snadno a efektivně vytápět budovy a dle aktuální potřeby regulovat teploty. Optimální teplota vnitřního vzduchu je pro oblečeného člověka 21,5 ± 2 °C v zimním období. Teplota okolních ploch, tedy stěn, stropu, oken apod. nemá být nižší než o 2 °C. V letním období se tato hodnota pohybuje 26 ± 2 °C, je závislá zejména na teplotě ve venkovním prostředí, neboť člověk vnímá teplotu relativně. Pokud je v budově o 4-6 °C chladněji než ve venkovním prostředí, je to optimální z hlediska pocitu příjemného prostředí a zároveň tento rozdíl není rizikový z hlediska nemoci z nachlazení, která je příznačná pro "překlimatizované" budovy. Rychlost proudění vzduchu by neměla překročit 0,1 m/s.

Strana 10

1.2

Úvod

Fyziologické reakce člověka na okolní prostředí

1.2.1 Reakce lidského těla na teplé prostředí Na teplé prostředí nebo stoupající produkci metabolického tepla tělo člověka odpovídá reakcí zvanou vazodilatace = podkožní cévy se rozšiřují a zvyšují zásobování pokožky krví. Je to tedy teplota pokožky, která zvýší odvod tepla z těla. Jestliže zvýšení teploty pokožky nemůže obnovit tepelnou rovnováhu, jsou aktivovány potní žlázy a začne probíhat chlazení odpařováním. V krátkém intervalu mohou být vyprodukovány až 4 litry potu za hodinu, ale mechanismus je "unavitelný". Udržitelná míra odpařování je zhruba 1 litr za hodinu, přičemž při odpaření 1 litru potu je z těla odvedeno okolo 2,4 MJ tepla. 1.2.2 Reakce lidského těla na chladné prostředí Na chladné prostředí reaguje lidské tělo nejdříve vazokonstrikcí = snížení podkožní cirkulace krve, snížení teploty pokožky, což následně snižuje tepelné ztráty těla člověka. Tento proces bývá provázen vznikem "husí kůže" nebo atavistickým jevem - postavení chloupku na kůži, což způsobuje lepší tepelnou izolaci kůže. Jestliže toto je neúčinné, nastoupí termogeneze = svalové napětí, třesení, které zvyšuje tepelnou produkci těla. Třesení muže vyvolat až 10-ti násobné zvýšení tepelné produkce. Vnitřní teplota těla zůstává okolo 37 °C. Tělesné končetiny, prsty u rukou i u nohou, ušní lalůčky, mohou mít nedostatek krve a jejich teplota muže poklesnout až pod 20 °C. V některých případech mohou i omrznout, aniž by byla ohrožena vnitřní teplota těla. 1.3

Co je to vlastně tepelná pohoda? Tepelná pohoda znamená, že je dosaženo takových tepelných poměrů, kdy člověku není ani chladno, ani příliš teplo - člověk se cítí příjemně (Cihelka). Tepelnou pohodou (někdy též tepelnou neutralitou) se označuje stav, kdy prostředí odnímá člověku jeho tepelnou produkci bez výrazného (mokrého) pocení (Pulkrábek).Tepelná pohoda je stav mysli, jenž vyjadřuje spokojenost s teplotním klimatem a který vychází ze subjektivního hodnocení (ASHRAE). Bohužel ne vždy budou všichni spokojeni. Tak jako někdo nemá rád špenát a někdo by ho naopak mohl jíst denně, tak někdo má raději tepleji a někdo zase příjemný chládek. To znamená, že tepelná rovnováha (neutralita) nemusí nutně znamenat tepelnou pohodu (muže jí být dosaženo např. v nepříjemně těžkém oděvu), ale tepelná pohoda je podmíněna tepelnou rovnováhou. Oblast tepelné pohody je totiž jen částí rozsahu tepelné neutrality. Uplatňuje se zde množství jiných (psychologických) vlivů, jako např. dřívější zkušenosti, sociálně-kulturní vlivy, zvyky i očekávání. Např. člověk, který vyrůstal v panelovém domě s ústředním vytápěním napojeným na centrální zdroj tepla, kde se permanentně přetápělo a jedinou regulací bylo otevírání okna, má jiné zkušenosti než člověk, který vyrůstal v rodinném domě, kde také měli ústřední vytápění, ale zdrojem tepla byl plynový kotel s velmi dobrou regulací. Každý z těchto lidí bude mít jiné zkušenosti s tepelným mikroklimatem, každý bude asi očekávat jiné parametry vzduchu a hlavně, každý bude jinak adaptován a určovat svou spokojenost. Na tepelnou pohodu člověka má vliv také kvalita vzduchu a tepelně-vlhkostní podmínky prostředí. Investice do měřicí a regulační techniky je nejrychleji návratná investice ze všech investic do úspor energií. S rostoucí cenou energií se návratnost zrychluje.

Úvod

1.4

Strana 11

TONER s.r.o., Moravská Třebová

1.4.1 Historie Podnik Toner s.r.o. má své kořeny již v roce 1883, kdy si původní zakladatel (moravsko-třebovský občan německé národnosti) František Bibus otevřel provoz stříbrné dílny. Její výroba byla širokého spektra a zahrnovala stříbrné výrobky jako cigaretová pouzdra, pudřenky, kazety, podnosy a první kovové příbory. V roce 1919 Bibus rozšířil dílnu o galvanizovnu. Až do II. světové války podnik Františka Bibuse vzkvétal a byl významným stříbrnickým podnikem mladé Československé republiky. Jeho výrobní zaměření se dále rozšířilo na stříbrné zapalovače, knoflíky k holím, řetízky, jehlice a stříbrnické dutiny (kompotové mísy a čajové servisy). V letech 1939 – 1945 byl podnik Bibus v majetku říšské firmy Metalbau. Stříbrnická výroba byla kompletně zrušena a spojením s prostorami závodu Hedva T3 byla zahájena výroba drobných součástí pro letadla Wermachtu. Po osvobození byla 10.5.1945 na podnik Bibus uvedena národní správa a 20.8.1946 byl podnik znárodněn a začleněn do národního podniku Sandrik – spojené závody na výrobu stříbrného a kovového zboží, národní podnik se sídlem v Bratislavě. V roce 1950 bylo sídlo národního podniku Sandrik přeneseno do Moravské Třebové. V roce 1958 proběhla reorganizace podniků a podnikové ředitelství přešlo pod Dolné Hamre. Od 1.1.1969 byl podnik Sandrik Moravská Třebová vyčleněn z národního podniku Sandrik Dolné Hamre a byl od tohoto data samostatným podnikem s názvem národní podnik TONER Moravská Třebová (n.p.TONER M.T.) 1.1.1973 byl samostatný národní podnik TONER Moravská Třebová začleněn jako odštěpný závod do národního podniku ROSTEX Vyškov. V roce 1990 se vyčlenil odštěpný závod Rostex Moravská Třebová ze státního podniku Rostex Vyškov a rozhodnutím Ministerstva strojírenství a elektroniky ČR byl založen státní podnik TONER Moravská Třebová s předmětem činnosti vývoj, výroba a odbyt nožířských výrobků a pomůcek pro domácnost, strojů a zařízení pro veřejné stravování, kovového nádobí, hasících zařízení, řemeslnického nářadí, nástrojů a forem, součástek a drobných kovových výrobků, kování a zámků, nádobí, stolního náčiní a plastických hmot. V roce 1991 byl zpracován privatizační projekt s.p. TONER na restrukturalizaci podniku na pět částí, který byl v roce 1992 schválen usnesením vlády ČR a následně v rámci první vlny privatizace v roce 1993 realizován. V roce 1994 se společnost přejmenovala na TONER s.r.o. Moravská Třebová, aby nedošlo k narušení používání ochranné známky TONER (což značí TOvárna NERez) 1.5

Současnost

Podnik Toner s.r.o. Moravská Třebová navazuje na dlouholetou tradici ve výrobě příborů, která byla v Moravské Třebové zahájena před více než 100 lety. Společnost s ručením omezeným TONER Moravská Třebová je známým českým výrobcem kvalitních nerezových příborů a dalších kuchyňských pomůcek. Příbory s ochrannou známkou TONER jsou vyrobeny z kvalitních nerez materiálů 18/10 ve speciální příborové kvalitě podle norem DIN a ČSN. Do výrobního programu jsou zařazeny i příbory ze 17% chromové oceli.

Strana 12

1.6

Úvod

Charakteristika podniku

Svojí povahou se jedná o středně velký podnik, který v současné době (k 31.1.2006) zaměstnává 174 pracovníků. Roční obrat podniku TONER s.r.o. Moravská Třebová překračuje 60 mil. Kč. Organizačně je TONER členěn na výrobní halu příborů, technický rozvoj a nástrojárnu, balírnu, expedici a ředitelství.

Obr. 1: firma TONER s.r.o.

Výrobní hala příborů se dělí na lisovnu, kde je zaměstnáno 45 pracovníků a brusírnu, kde pracuje 91 zaměstnanců. Relativně samostatnou jednotku činí nástrojárna, kde je zaměstnáno 37 zaměstnanců. Ostatní zaměstnance tvoří technicko-hospodářští pracovníci, pracovníci expedice a kotelny. Strojní vybavení výroby příborů tvoří většinou stroje nikoli sériově vyráběné, nýbrž z větší části jednoúčelové stroje vyráběné dodavatelsky na zakázku nebo přímo pracovníky technického rozvoje podniku. Výroba prodělala během několika málo let díky investicím do nových strojů řízených počítačem značné změny. Investice byly prováděny nejen pro zvýšení kvality a množství, nýbrž stejnou roli hrála i ekologizace výroby. Jednou z prvních investicí v počátcích podnikání formou společnosti s ručením omezeným byla kompletní přestavba podnikové kotelny ze spalovny pevných fosilních paliv na ekologičtější centrální plynovou kotelnu.

Stávající vytápění výrobní haly a přilehlých prostor

2

Strana 13


K vytápění výrobní haly a přilehlých prostor se v současné době používá centrální parní vytápění. Středotlaká pára je do objektu výrobní haly přivedena z centrální plynové kotelny, která je umístěna v samostatné budově vzdálené asi 200 metrů. Z této kotelny je do výrobní haly přivedena středotlaká pára o velikosti tlaku 0,6 MPa, zde se následně reguluje přes regulační ventil na nízkotlakou o velikosti 30 až 40 kPa, a ta se rozvádí do topného systému přes hlavní rozdělovník vytápěných okruhů. Tyto okruhy jsou v současné době rozděleny na 5 větví, a to severní strana haly, jižní strana haly, hlavní výrobní loď, teplovodní parní agregáty (Sahary), kanceláře a sociální zařízení. Převážná část místností je osazena radiátory typu žebrovice. Ovládání a regulace jednotlivých okruhů se provádí ručně. Ruční regulace závislá pouze na pracovníkovi, který kontroluje vytápění (topiči). Je velmi nespolehlivá a také v závislosti na tepelné pohodě v jednotlivých místnostech nepřesná s velkými výchylkami teplot. Z tohoto důvodu dochází často k přetápění některých místností a nebo naopak obsluha zareaguje pozdě na pokles teplot v místnosti a je chladno. Z ekonomického hlediska je to velmi špatné a nehospodárné, přetápění stojí firmu zbytečné peníze. 2.1

Centrální plynová kotelna Parní plynová kotelna o výkonu 7,8 MW byla projektovaná pro vytápění výrobních prostor firmy TONER s.r.o. a dále objektů vedlejších firem Abner a.s., Prefa a.s., Kovoservis v.o.s.. V současné době mají dříve námi vytápěné firmy vlastní vytápění, stejně tak objekty nástrojárny naší firmy. Z toho důvodu je stávající kotelna značně naddimenzovaná. Nyní se používá pouze k vytápění fy TONER s.r.o., prostory výrobní haly a přilehlé prostory této haly. Pro tuto halu jsou stanoveny tepelné ztráty cca 1 MW, a to včetně přilehlých prostor. Kotelna je umístěna v samostatné zděné budově a teplo se odtud vede v zemi topnými kanály přes prostory sousední firmy Abner a.s. do rozvodny páry umístěné v objektu výrobní haly.

Obr. 2: Parní plynový kotel

Strana 14


Z důvodu vysokých nákladů na energie, velkých ztrát v rozvodech, předimenzování výkonu pro současnou potřebu uvažujeme o decentralizaci vytápění všech uvedených prostor. 2.2

Posouzení ekonomiky stávající centrální plynové parní kotelny

2.2.1 Základní údaje parní plynové kotelny Firma: Stávající kotelna: Celkový výkon: Zařízení: Provozní tlak: Účinnost zařízení: Spalné teplo plynu: Průměrná hodnota výhřevnosti: Dodané teplo pro vytápění za rok: Cena plynu: Průměrná hod. spotřeba plynu (leden):

Toner s.r.o., Moravská Třebová středotlaká plynová parní kotelna 7,8 MW středotlaké žárotrubnaté kotle typ. VSP 4 výkon 2,6 MW, rok výroby 1990, 0,6 MPa 91,0 % 10,50 kW/m3 34,22 MJ/m3 4 411 GJ (1 225,28 MWh) 6,48 Kč/m3 142 m3/hod

2.2.2 Náklady na provoz parní plynové kotelny v roce 2005 Spotřeba plyn Voda pitná Voda užitková El. energie

154 208 Nm3 50 m3 383 m3 21 336 kWh

á 6,48 á 41,43 á 24,14 á 2,37

999 267,84 Kč 2 071,50 Kč 9 245,62 Kč 50 566,32 Kč 1 061 151,28 Kč

Režijní materiál Opravy, revize

60 000,00 Kč 170 000,00 Kč 230 000,00 Kč

Mzdy topiči Pojištění (zdravotní, sociální)

493 993,00 Kč 172 897,00 Kč 666 890,00 Kč

Odpisy

227 160,00 Kč

Celkem náklady na provoz kotelny za rok

2 185 201,28 Kč

Náklady na výrobu jednoho GJ Náklady na výrobu jedné MWh

495,40 Kč / GJ 1 783,43 Kč/MWh


Strana 15

2.2.3 Spotřeba tepla za rok 2005 Roční spotřeba plynu Roční spotřeba plynu Výroba tepla za rok (účinnost 91%) Dodané teplo do provozu za rok (včetně ztrát) Hodinový tepelný příkon vytápěných objektů (průměrný) Hodinový tepelný výkon vytápěných objektů (účinnost 91%) 2.3

154 208 m3 1 619 184 kWh 1 473 457 kWh 1 225 280 kWh 1 491 kWh 1 357 kWh

Náklady na vytápění po decentralizaci (teplovodní vytápění)

Předpoklad spotřeby tepla po decentralizaci (výpočet projekční firmy, tepelné ztráty budovy)

1 000 kWh

2.3.1 Předpokládané náklady na teplovodní a teplovzdušné vytápění Předpoklad je vypracován podle zkušeností s úsporami při decentralizaci objektu nástrojárny. Spotřeba plynu za hod. (kvalifikovaný odhad) Spotřeba plynu za rok Spotřeba plynu za rok Výroba tepla za rok (účinnost 94%) Dodané teplo do provozu za rok Náklady na plyn 2.4

99 m3 101 286 m3 1 063 503 kWh 999 693 kWh 999 693 kWh 656 333 Kč

Návratnost investice do rekonstrukce vytápění

2.4.1 Provoz vytápění po decentralizaci Spotřeba plynu Opravy, revize Mzda topič

656 333 Kč 50 000 Kč 170 000 Kč

Celkem

876 333 Kč

2.4.2 Provoz parní kotelny Celkem náklady na provoz parní kotelny za rok

2 185 201 Kč

2.4.3 Zhodnocení úspor ve vytápění Roční úspora Návratnost investice při pořizovací ceně 3 500 000 Kč

1 308 868 Kč 2,7 roku

Strana 16

Základní rozdělení způsobu vytápění


Strana 17

3 Základní rozdělení způsobu vytápění 3.1

Teplovzdušné vytápění

3.1.1 Principy Teplovzdušné vytápění je systém, kdy tepelná energie se do vytápěné místnosti dostává výhradně proudícím teplým vzduchem, v místnosti se vzduch vlivem tepelných ztrát ochlazuje na požadovanou vnitřní teplotu a odvádí se mimo místnost. Teplonosnou látkou je zde vzduch. Z porovnáním fyzikálních vlastností vody a vzduchu je patrné, že vzduch je díky podstatně menšímu měrnému teplu a nižší teplotě horším nosičem tepla. Tabulka 1: Porovnání fyzikálních vlastností vody a vzduchu

parametr měrné teplo c [J.kg-1.K-1] hustota [kg.m-3] teplotní spád používaný pro vytápění obytných budov [K]

Voda 4186 980 10 až 25

Vzduch 1010 1,28 20 až 30

Tato skutečnost vede k větším dimenzím rozvodů při teplovzdušném vytápění a tím většímu zásahu systému do stavby. Na druhou stranu, ve srovnání s tradičním teplovodním vytápěním, zde nejsou potřebné otopné plochy, teplovzdušné vytápění je pružnější (dokáže rychleji reagovat na změnu výkonových požadavků), potřebuje však k dosažení tepelné pohody díky absenci sálavé složky vyšší teploty vzduchu, což vede k vyšším tepelným ztrátám a k odlišnému vnímání tepelné pohody uživateli. Teplovzdušné vytápění se také velmi obtížně kombinuje s tradičním centrálním zdrojem na pevná paliva, neboť takový zdroj nedokáže reagovat dostatečně pružně na proměnné výkonové požadavky. Toto jsou hlavní důvody, proč se teplovzdušné vytápění obytných staveb v našich zemích zatím příliš nerozšířilo. Tento pohled na způsob stavění se však v posledních letech vlivem ekonomických tlaků změnil a kromě tradičních zděných staveb se objevují lehké stavby na bázi dřeva s vyhovujícími tepelně-izolačními vlastnostmi, ale minimální akumulací tepla, pro které je tradiční teplovodní otopná soustava málo pružná a z hlediska návrhu velmi citlivá na případné nedodržení projektovaných hodnot. V těchto typech objektů je v zahraničí běžné použití klasického teplovzdušného vytápění s cirkulačním provozem, tzn. s nulovým řízeným přívodem čerstvého vzduchu, kterého se používá především v USA a Kanadě. Negativní chladné sálání běžně izolovaných obvodových konstrukcí se v zahraničí řeší instalací doplňkového lokálního sálavého zdroje tepla, který v místnosti nebo hale zajistí v případě potřeby tepelnou pohodu i při nižší teplotě vzduchu. Druhý aspekt, který vede k přehodnocení pohledu na volbu systému vytápění je zapříčiněn celosvětovým tlakem na snižování potřeby energie na vytápění, který dramaticky mění požadavky na tepelně-technické vlastnosti obalových konstrukcí budov. Nejedná se pouze o zvýšení požadovaného tepelného odporu neprůhledných obvodových konstrukcí, pevných výplní a oken, ale také minimalizaci infiltrace - nekontrolovatelné výměny vzduchu. Vývoj v této oblasti vyústil v paradoxní stav, kdy moderní těsná okna mají tak malou

Strana 18


infiltraci, že nepostačuje k pokrytí minimální hygienické výměny vzduchu v místnostech. V rané fázi používání "těsných" oken tento stav vedl k hygienickým problémům způsobeným nedostatečnou výměnou vzduchu v obytných místnostech. Tyto problémy se projevují poruchami staveb jako je vznik plísní a další. Řešení tohoto problému je možné v principu dvěmi způsoby. První spočívá v umělém zvýšení infiltrace oken vytvořením dodatečných větracích štěrbin v konstrukci oken, druhá možnost je v řízeném větrání obytných budov. Zvýšením infiltrace se ztrácí původní myšlenka snížení tepelných ztrát větráním a proto, i když současné názory nejsou jednotné, spěje vývoj při snižování spotřeby energie k řízenému větrání. Řízené větrání však vyvolává zvýšené investiční náklady instalací dalšího systému do budovy, a tak se nabízí možnost spojit větrání s vytápěním, a tak využít dvakrát jednoho systému. Řízené větrání má kontrolovaný přívod i odvod vzduchu, a tak je možné využít dalších prvků pro snížení potřeby energie, jako je zpětné získávání tepla nebo cirkulační provoz a objekt se tak dostává do kategorie nízkoenergetických budov. V těchto objektech většinou díky velmi kvalitním obvodovým konstrukcím není problém s nízkou povrchovou teplotou, a tak se snižuje i význam sálavé plochy tradičního radiátoru z hlediska dosažení tepelné pohody. Teplovzdušné agregáty mohou být v provedení na zemní plyn i propan nebo lehký topný olej. Plynové agregáty v klasickém provedení jsou konstruovány pro maximální ohřev vzduchu o 35 až 55 K, v kondenzačním provedení do 20 K. Jednotky se vyrábí ve výkonech od 7 do 100 kW. Účinnost plynových teplovzdušných jednotek se pohybuje kolem 80% pro klasické provedení, až 96 % pro kondenzační jednotky. Kromě agregátu plynových a olejových je možné teoreticky používat agregátů plně elektrických, kde je však u nás problém s využitím sazby pro přímotopy. Tímto tarifem je v ČR elektrická energie do objektu dodávaná pouze 20 hodin s max. dvouhodinovými přestávkami, což postačuje pro vytápění tradiční stavby teplovodním vytápěním, kde lze počítat s akumulací tepla. V lehkých stavbách s teplovzdušným vytápěním je dvouhodinová přestávka příliš dlouhá na to, aby nedošlo k poklesu vnitřní teploty a pocitu diskomfortu uživatelů, a proto jsou instalace tohoto systému vytápění za současných podmínek velmi riskantní.

Obr. 3: teplovzdušný plynový agregát


3.2

Strana 19

Parní vytápění

Způsob ústředního, popřípadě dálkového vytápění, u něhož je otopným médiem vodní pára. Pára přivedená parním potrubím kondenzuje v otopných tělesech, kondenzát se vrací kondenzátním potrubím zpět do kotle. Nevýhodou parního vytápění je vysoká povrchová teplota topných těles a obtížná ústřední regulace topného výkonu. Parní vytápění:

nízkotlakové - tlak pod 0,1 MPa středotlakové - tlak 0,1 až 1,15 MPa vysokotlakové - tlak nad 1,15 MPa

3.2.1 Pára ve vytápění Pára je jedním z nejstarších průmyslových nástrojů. Umožňuje, aby byla energie vzniklá spalováním paliva v parním kotli dopravena na místo, kde se může měnit v mechanickou energii v parním stroji nebo mnohem častěji se využívá její energie k ohřívaní. Aby svůj pracovní úkol plnila s maximální účinností, musí být pára k dispozici v požadovaném čase, ve správném množství, při správném tlaku a ve správném stavu. Pára je voda v plynném skupenství a prvním požadavkem při výrobě páry je zahřívat vodu, až dosáhne bodu varu. Pak je třeba přidávat mnohem větší množství tepla, aby se voda přeměnila v páru. Pára je pak obvykle dopravována od vyvíječe nebo parního kotle ke konečnému spotřebiči, kde odevzdává své teplo. Pára má některé podstatné přednosti oproti jiným teplonosným mediím. Koeficienty přestupu tepla jsou u páry dvakrát tak vysoké než u vody, a tak muže být strojní zařízení v případě páry menších rozměru. Pára naplňuje celý vyhřívaný prostor teplem stejně, a tak jsou u páry vyloučeny problémy z působením nerovnoměrného prohřívání. Nižších teplot může být dosaženo použitím redukčního ventilu ke snížení tlaku. Hlavní nevýhoda páry a parního vytápění je nesnadná regulace vytápěného celku a také nutnost přídavného zařízení pro úpravu vody a chemikálií. V dnešní době se od parního vytápění ustupuje z důvodů neekonomického provozu. Vytápění parou má hlavně smysl tam, kde se tato pára používá pro výrobní nebo technologické účely.

Strana 20

3.3


Teplovodní vytápění

Jedná se o systémy, kdy je teplo vyráběno v kotli, který je zpravidla umístěn v kotelně. Teplo a teplá voda je pak do místa spotřeby dopravována tepelnými rozvody. Topným mediem je většinou voda. Topnými spotřebiči jsou radiátory, konvektory nebo systémy podlahového nebo stropního vytápění. Hlouběji se teplovodním vytápěním budu zabývat v další části této práce. 3.4

Vytápění infračervenými plynovými zářiči

3.4.1 Všeobecně Infrazářiče dodávají do oblasti pobytu člověka tepelnou energii sáláním. Po dopadu na podlahu se nejprve ohřívá tato plocha a od ní teprve vzduch. Teplota vzduchu po výšce stoupá velice pomalu (0,3 a. 0,5 K/m), což má vliv na tepelnou ztrátu objektu. Pod střešním pláštěm, který je spolu se světlíky největší ochlazovanou plochou je teplota poměrně nízká, tepelná ztráta je proto nižší než u soustav, kde se vytváří teplý polštář vzduchu o vyšší teplotě (teplovzdušné soustavy s malou násobností cirkulace). Infrazářiče se dělí podle způsobu spalování plynu a jejich vnějšího vzhledu při provozu na tmavé a světlé.

Obr. 4: infračervený plynový zářič


Strana 21

3.4.2 Tmavé zářiče Docilují potřebného výkonu spalováním plynu v hořácích, odkud jsou spaliny vedeny do trubic opatřenými reflexními zákryty. Povrchová teplota trubic na vstupu spalin je cca 500 °C, při výstupu pak 180 °C. Při těchto rozdílech teplot se dosahuje nejvyšší účinnosti využití plynu. Některé typy zářičů (krátké s menšími průměry trubic) dosahují vysoké výkony, avšak s malou účinností – teplota spalin při výstupu ze zářiče až 250 °C. Oblast použití tmavých zářičů je v rozmezí výšky haly 5 až 8 m pod střešní plášť. Účinnost zvyšují vířivé ventilátory.

Obr. 5: Skladba infračerveného plynového zářiče

3.4.3 Infrazářiče světlé Infrazářiče světlé s činnou otopnou plochou z keramických destiček mají povrchovou teplotu 850 až 950 °C a při provozu svítí (odtud světlé). Jejich použití lze stanovit pro výšky pět a více metrů. Pro vysoké haly jsou nezastupitelné. Zářiče lze zavěšovat na boky haly a pod strop až do výše kolem 20 m. Podle měření účinnosti vytápění tmavých a světlých infrazářičů se účinnost tmavých zářičů ve výšce 10 m snižuje proti světlým o 15 %, ve výšce h = 15 m pak již o 27 %. Z těchto důvodů je méně vhodné používat tmavé zářiče do vysokých hal. Dalším velice důležitým aspektem, který podstatně ovlivňuje ekonomickou efektivnost zařízení, je konstrukční řešení samotných zářičů. Jelikož základním principem dodávky tepla do objektu při vytápění infračervenými zářiči je sálání, je nutné posuzovat právě tuto složku. Sálavá účinnost závisí převážně na konstrukci reflexní plochy a způsobu odvodu spalin.

Strana 22

Návrh vytápění výrobní haly a přilehlých prostor


4


4.1

Popis vytápěného objektu

Strana 23

Budova výrobní haly se skládá z hlavní výrobní lodi, přilehlých prostor této haly a přístavky kanceláří, balírny a šaten. Tepelné ztráty tohoto objektu činí celkem 1000 kW. Hlavní výrobní loď je rozdělena na dva samostatné provozy, a to lisovna a brusírna. Provoz brusírny je z hlediska čistoty pracovního prostředí zařazen jako špinavý provoz. Pracuje se zde na brousících a leštících strojích, kde se používá bavlněných a sisálových kotoučů. Při této práci vzniká kolem pracoviště značné množství prachu, který se musí odsávat odsáváním od jednotlivých strojů přes odsávací zařízení do vnějšího ovzduší. Vlivem tohoto odsávání vzniká v prostorách výrobní haly podtlak, který je nutno snížit přisáváním vnějšího vzduchu. V zimních měsících je nutno přisávat ohřátý vnější vzduch. Jelikož z technických důvodů není možná rekuperace odsávaného vzduchu, tzn. opětovné dodání ohřátého odsávaného vzduchu do výrobní haly, musí se přivést studený čerstvý vzduch z vnějších prostor. Tento přivedený vzduch se musí ohřát na požadovanou vnitřní teplotu. Z důvodů složitosti odsávání a přívodu nového vzduchu se tímto problémem nebudeme zabývat v této práci. Pro potřebu vytápění a přívodu teplého vzduchu do objektu budu brát za postačující hodnoty udané kvalifikovaným technickým pracovníkem této firmy a nebudu tyto hodnoty zpochybňovat nebo dále kontrolovat. Odsávané množství vzduchu pro celou výrobní halu činí 20 000 m3/hod z toho plyne, že je nutno dodat do objektu stejné množství čerstvého vzduchu. Požadované teploty na jednotlivých pracovištích jsou stanoveny dle ČSN 06 0210 a dále upraveny (navýšeny) po dohodě s vedením firmy, a to takto - pro výrobní haly 18 °C, pro skladové prostory 18 °C, dílna údržby 19 °C, dílna balírny a kontroly příborů 20 °C, kancelářské prostory 21 °C, prostory šaten 20 °C, sociální zařízení sprchy 22 °C. 4.2

Způsoby vytápění výrobní haly a přilehlých prostor

V dnešní době, kdy je na trhu mnoho firem a také mnoho způsobů řešení vytápění, si můžeme vybírat z mnoha možností a způsobu řešení vytápění a také více dodavatelů tohoto vytápění. Než se začnu věnovat jednomu vybranému typu či variantě vytápění, chci uvést některé další možnosti více či méně vhodné pro již zmíněnou výrobní halu. Ale ještě než začnu uvádět další vhodné varianty vytápění, uvedu nevhodné způsoby vytápění. K nevhodné variantě vytápění hlavní výrobní lodi patří vytápění infračervenými plynovými zářiči ať už světlými nebo tmavými, a to z důvodů prostředí této haly. V hale je prostředí prašné s hořlavým prachem, jehož zápalná teplota se pohybuje kolem 119 °C, jak udávají provedené zkoušky na Vědecko-výzkumném ústavu uhelném, a.s., Ostrava-Radvanice. Zkoušeným vzorkem byl prach z leštění nerezu. Ústav zhodnotil výsledek zkoušky takto - vzorek je velmi vznětlivý. Zkušební protokol je přístupný k nahlédnutí v kanceláři PZF firmy Toner s.r.o..

Strana 24


V případě použití infračervených plynových zářičů hrozí nebezpečí zapálení usazených nánosů prachů na konstrukcích budovy. Tento druh vytápění je sice velmi vhodný a ekonomický z hlediska provozu pro použití ve vysokých halách, ale pro řešení této výrobní haly není vhodný z již uvedených důvodů. 4.2.1

Varianta nového centrálního parního vytápění

V případě řešení nového vytápění výrobní haly párou bude zřízena nová plynová parní kotelna v prostorách přístavků výrobní haly. Tato kotelna by se osadila jedním či dvěma plynovými parními kotli o celkovém výkonu kolem 1 MW. Výhodou tohoto vytápění oproti stávajícímu stavu, je snížení výkonu parních kotlů, a tím zvýšení účinnosti vytápění (stávající kotel o výkonu 2600 kW by byl nahrazen kotlem o výkonu 1000 kW), žádné ztráty ve venkovních rozvodech a dále by nebyla nutná výměna rozvodů tepla, možno použít stávající rozvody páry. Nevýhody tohoto typu vytápění jsou hlavně ve vyšších provozních nákladech oproti jiným dalším typům vytápění, a to hlavně díky menším možnostem regulace parního vytápění. 4.2.2 Varianta teplovodního centrálního vytápění Centrální teplovodní vytápění by mělo jednu centrální plynovou kotelnu pro celou výrobní halu včetně přilehlých prostor a přístavku kanceláří, balírny a šaten. Kotelna o výkonu 1 MW bude složena s několika kotlů zapojených do kaskády. Stávající rozvody budou zrušeny a provedou se nové teplovodní rozvody včetně nových topných těles. 4.2.3 Varianta teplovodního decentralizovaného vytápění Tato varianta je obdoba předchozí varianty teplovodního centrálního vytápění. Princip vytápění, zdrojů tepla a provedení rozvodů jsou hodně podobné. Tato varianta počítá s několika zdroji tepla rozmístěnými různě po objektu. Každý z těchto zdrojů nebude přesahovat výkon 100 kW. Tento limit je stanoven proto, aby zdroj nebyl charakterizován jako kotelna III. kategorie a nemuseli být splněny požadavky pro kotelny jak udává ČSN 07 0710. Zkráceně to znamená finanční úspory při realizaci, není nutno zřizovat čidla uniku plynu, snímače zaplavení místnosti atd., jak ukládá již zmíněná norma.

Řešení vytápění výrobní haly a přilehlých prostor

5

Strana 25


Pro vytápění výrobní haly a přilehlých prostor byla vybrána vedením firmy varianta 3. Důvod zvolení této varianty je převážně ekonomický (nižší pořizovací cena). Úspory jsou dosaženy ve srovnání s centrálním vytápěním v tom, že bude použito slabších rozvodu potrubí (vytápění rozděleno na úseky), kotelna nebude zařazena do kotelen III. kategorie, čímž není nutno dělat zabezpečení kotelny, které by navýšilo pořizovací cenu. Decentralizované teplovodní vytápění bude řešeno pěti zdroji tepla s instalovaným výkonem jednoho zdroje tepla do 100 kW tak, aby nenaplňovaly ustanovení o zřízení plynové kotelny. Navrženy jsou všude dva nástěnné teplovodní kotle THERM DUO 50 T, v provedení „turbo“. Výkon jednoho kotle je 45 kW. Celkový výkon zdroje je 90 kW. Kotle budou zapojeny do kaskády, jeden kotel bude řídící druhý řízený. V kotlích jsou osazena teplovodní oběhová čerpadla, která zabezpečují oběh vody v kotlovém okruhu. Na přívodním potrubí budou namontovány zpětné a uzavírací ventily. Na vratném potrubí do kotlů budou osazeny kulové uzávěry a filtry. Výstupní a vratné potrubí bude napojeno na hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků, dále jen HVDT. Z HVDT bude vedeno potrubí ÚT, na něm je namontováno oběhové čerpadlo topného okruhu. Schéma zapojení strojního zařízení je na Obr. 23. Systém bude jištěn tlakovou expanzní nádobou s pojistným ventilem. Zdroje budou umístěny do jednotlivých přístavků výrobní haly.

severní přístavek jižní přístavek přístavek balírny a šatny

2 zdroje tepla (4 ks kotlů) 2 zdroje tepla (4 ks kotlů) 1 zdroj tepla (2 ks kotlů)

Vytápění výrobní haly (hlavní výrobní lodi) bude řešeno teplovzdušně. Celkový výkon těchto jednotek bude kolem 550 kW. V hale bude instalováno osm teplovzdušných plynových agregátů ROBUR. Dva agregáty vybavené přívodním potrubím čerstvého vzduchu a směšovací komorou budou umožňovat přívod čerstvého vzduchu v přechodových obdobích roku (jaro, podzim) a též možnost provětrání haly v letním období. Směšovací komora bude vybavena servopohonem pro regulaci přívodu čerstvého vzduchu v zimním období. Dále bude agregát, vybaven přívodním potrubím čerstvého vzduchu a směšovací komorou osazen v 2. N.P. prostorách dílny nožírny. Tato jednotka bude vytápět prostory dílny nožírny společně s teplovodním vytápěním a zároveň bude do prostoru dodávat čerstvý vzduch. Dodávka vzduchu je tu řešena z důvodů odsávání od jednotlivých pracovišť. 5.1

Řešení teplovzdušného vytápění

Šest teplovzdušných agregátů Robur série K s plynulou modulací výkonu bude ve výrobní hale umístěno na boční stěně haly a další dvě jednotky Robur F1 se směšovací komorou budou osazeny na přední stěně s důvodu přisávání čerstvého vzduchu jak již bylo zmíněno v úvodu. V 2. N.P. dílny budou na stěně pláště haly umístěny jednotky Robur F1 se směšovací komorou. Tato směšovací komora bude také vybavena servopohonem pro regulaci přívodu čerstvého vzduchu v zimním období.

Strana 26


5.1.1 Použité agregáty pro vytápění U navrhnutých agregátů série F1 bude použit model F1 81 o parametrech které jsou uvedeny v Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. Na boční stěnu haly se použije agregáty s plynulou regulací výkonu Robur K56. Parametry této jednotky jsou dány také v Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..

Tabulka 2: technické parametry plynových agregátů Robur

Model

Měrné K56 jednotky

F1 81

Jmenovitý tepelný příkon - maximální Jmenovitý tepelný příkon - minimální Jmenovitý tepelný výkon - maximální Jmenovitý tepelný výkon - minimální Účinnost při maximálním výkonu Účinnost při minimálním výkonu Spotřeba plynu Průtok vzduchu při maximální rychlosti Průtok vzduchu při minimální rychlosti Tepelná spád při maximální rychlosti Tepelná spád při maximální rychlosti Elektrické napájení Elektrický příkon

kW kW kW kW % % m3/h m3/h m3/h K K V/Hz W

77,14

56,0 31,8 51,5 30,3 92 95,2 5,92 4200 2900 36,3 31,0 230/50 450

70,2 91 8,16 7800 26,7 230/50 900

5.1.2 Princip funkce teplovzdušných agregátů Nástěnná vytápěcí jednotka ROBUR je nezávislý plynový spotřebič s uzavřeným okruhem spalování. Vzduch pro spalování je přiváděn z venkovního (případně z vnitřního) prostoru a spaliny jsou vyústěny do venkovního prostoru. Vzduch z vytápěné místnosti je nasáván ventilátorem a proudí přes výměníky tepla zpět do místnosti. Dochází tak k rychlému a rovnoměrnému ohřevu vzduchu beze změny jeho kvality (spotřeba kyslíku nebo vypouštění spalin).

Obr. 6: princip funkce jednotky

S jednotkou Robur snížíme spotřebu plynu odbouráním výškové stratifikace tepla. Tajemství spočívá v jednotlivých výměnících tepla, které rozdělují proud ohřátého vzduchu


Strana 27

do vrstev s různou teplotou jak je vidět na Obr. 7. Méně ohřátý vzduch v horní vrstvě zabraňuje stoupání teplejšího vzduchu nahoru. Tento efekt přináší rovnoměrné vytopení prostoru s minimálním rozdílem teplot mezi podlahou a stropem. Výměník je vybaven dvojitým horizontálním i vertikálním žebrováním, čímž je dosaženo vysoké účinnosti tepelné výměny. Speciální hliníková slitina, ze které je výměník vyroben má desetkrát vyšší tepelnou vodivost než ocel. Takto dosažená stálá rovnoměrná teplota bez přehřátých oblastí zamezuje karbonizaci prachu. Tyto unikátní vlastnosti zaručují vysokou kvalitu a komfort ve vytápěném prostoru.

Obr. 7: termický efekt výměníku

5.2

Řešení teplovodního vytápění

Teplovodní vytápění bude řešeno plynovými závěsnými kotli od firmy Thermona. Výkon 45 kW v pouhých 90 cm x 56 cm x 43 cm. V takto malém prostoru se skrývá moderně koncipovaný kotel. THERM DUO 50 je ideálním zdrojem tepla a přípravy teplé užitkové vody v halách a provozovnách. Jeho hlavní předností však je možnost spojení více kotlů do kaskády, a to až do výkonu 720 kW. Na Obr. 8 je vidět jak taková kaskádová kotelna muže být provedena. Provedení a zapojení kotelen firmy Toner je řešeno v další části této práce.

Obr. 8: Kaskádová kotelna

Strana 28


5.2.1 Kaskádové systémy vytápění Kaskádový systém je zapojení několika kotlů za sebou. Jedinečnost zapojení a konstrukce kotlů Therm dovoluje zvyšovat instalovanou kapacitu plynule již od 35 % nominálního výkonu nejmenšího použitého kotle. V případech potřeby větších výkonu (až do výkonu 1 MW) poskytuje kaskádový systém zapojení kotlů velké výhody. Zvláště použití kotlů s plynulou modulací výkonu. Možnost zařazení do kaskád však není omezena pouze použitím kotlů o stejném výkonu. Kotle určitého výkonu je možné kombinovat i s dalšími kotli o jiném výkonu, a tak přizpůsobit sestavu jak vypočteným tepelným ztrátám objektu, tak i potřebám množství teplé užitkové vody. V technice otopných systému je kaskádový systém průkopnickou metodou pro optimalizaci instalací s velkým výkonem. Místo jednoho kotle s velkým výkonem, který musí pracovat jako celek i při spotřebě malého množství tepla, je v kaskádovém řešení možnost zapojit jen tolik kotlů, kolik je v dané chvíli potřeba. Množství kotlů, které má být v provozu, je elektronicky regulováno. V praxi je prokázáno, že v topné sezóně je v 80 % času kapacita kotle využívána jen na 50 %. V průběhu celé sezóny je tedy kotel využit v průměru jen na 30 %. To znamená jen malé využití a neefektivní provoz. Kaskádový systém poskytuje, jak je zřejmé, okamžitou potřebnou kapacitu postupným přiřazováním více "malých" kotlů, proti jednomu velkému kotli s neefektivním provozem při malých výkonech. Pomocí kaskádové regulace s programovým řízením se odstraní nepříjemné problémy se stanovením optimálního poměru kapacity systému a spotřeby tepla. Široký regulační rozsah kaskády umožní dlouhodobý provoz na nižších teplotách topné vody, tím snížíme ztráty vyzařováním a ztráty při pohotovostním stavu systému. Zvýší se okamžitě využitelnost a kromě toho se zpříjemní teplotní podmínky v prostředí, čili zvýší se uživatelský komfort.

Legenda:

K1,K2,K3 TUV EN ČS HVDT

- kotle THERM DUO 50 - zásobník TUV - expanzní nádoba tlaková - čerpadlo topného systému - hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků

UV ZV F PV 3V

- uzavírací ventil - zpětný ventil - filtr - pojistný ventil - trojcestný ventil

Obr. 9: zjednodušené hydraulické schéma kaskádové kotelny


Strana 29

Důsledné využívání informačních technologií umožňuje nejen ideální regulaci optimalizující výkon kotelny v každém okamžiku provozu. Doposud byl provoz kotelny zajišťován cenové náročným řešením, řízením kaskádovými řadiči. Výrazným posunem bylo vybavení kotlů komunikačním rozhraním (interface), umožňujícím přenos informací mezi kotli a plynulou modulaci výkonu všech kotlů v kaskádě současně. Znamená to nejen dosažení optimálního nastavení výkonu v každém okamžiku provozu, ale i okamžitý přístup k informacím o aktuální činnosti a eventuální diagnóze problému kaskádové kotelny. Dnešní kaskádová kotelna je skutečně „inteligentním zařízením“ pracujícím zcela samostatně, bez zásahu „omylného člověka“. Řešení s promyšleným využitím standardního hardwaru a softwaru, jehož cena je příznivá, je tak dostupné i spořivějšímu uživateli. Kaskádové kotelny jsou přesné zacílenou odpovědí na naléhavý požadavek, optimálně řešit současné problémy středních a malých odběratelů tepla i TUV. Za narůstajícím zájmem odborné i investorské veřejnosti stojí jejich základní přednosti:

mimořádná investiční výhodnost nadstandardní ekonomika provozu plně automatizovaný provoz ohleduplnost k životnímu prostředí vysoká provozní spolehlivost jednoduché a přehledné technické řešení malý obestavený prostor, bez nutnosti zastavení podlahové plochy optimální přizpůsobení pro připojení externího zásobníku TUV

Kaskáda konfigurovaná přesně na míru, vytváří optimální zdroj tepla a je žádaným kompromisem mezi individuální a centrální (externí) dodávkou tepla pro bytové, sociální a provozní objekty. V souhrnu lze říci, že pro kaskádové kotelny hovoří přednosti, jako je rychlost instalace předem připravených modulu, možnost rekonstrukce za provozu stávající kotelny (tzn. bez odstávky), jednoduchá údržba i dlouhodobá životnost a v neposlední řade šetrnost s ohledem na další zásahy do objektu i okolí bez rozsáhlých a neestetických venkovních rozvodů. Velkou předností kotelen s kaskádou kotlů je nenáročnost na jejich umístění. Kaskádové kotelny jsou nositelem řady prestižních oborových ocenění, zejména zásluhou pružné inovace a jejich okamžitého využití v praxi. V současné době představují díky dokonalému programování a neomezené možnosti komunikace technickou špičku řešení, která ve své kategorii nemá konkurenci.

5.2.2 Řešení ohřevu TUV Ohřev TUV má také některá specifika, které je nutné k zajištění správné funkce dodržovat. Zásady pro výpočet zařízení sloužící k ohřevu TUV jsou uvedeny v ČSN 06 0320.

Strana 30


připojení kotle k zásobníku se provádí přes trojcestný ventil (viz. Obr. 10.), doba přestavení použitého trojcestného ventilu musí být maximálně 8 vteřin, připojení je nutné provést co nejblíže pod kotlem, výkon kotle, na který je připojen zásobník TUV by měl odpovídat výkonu topné vložky v zásobníku. Při předimenzování kotle vzhledem k topné vložce pak dochází k přetápění topné vody v tomto okruhu s následným cyklováním kotle, připojení trojcestného ventilu ke kotli se provede tak, jak je znázorněno na Obr. 10.

Obr. 10: trojcestný ventil

Ohřev TUV má vždy přednost před ohřevem topného systému. Tzn., že při poklesu teploty TUV v zásobníku kotel automaticky přestaví trojcestný ventil z topného systému do topné vložky zásobníku a zahájí ohřev TUV. 5.2.3 Regulace Automatická regulace napomáhá ke zvýšení účinnosti kotlů, udržení hlavních parametrů v úzkých mezích, a tím ke zvýšení životnosti zařízení. Řízení provozu kotle se rozumí působení ne jeho vstupní parametry s těmito hlavními cíli:

Udržování výstupních parametrů kotle na požadované výši (regulace vstupních veličin), Ochrana kotle při abnormálních stavech, Optimalizace normálního provozu, najíždění a odstavování, diagnostika mimořádných stavů, poruchové akce.

Součástí řízení bývá i sběr a zpracování dat o stavu řízeného kotle. Udržování parametrů kotle na požadované výši se dosahuje regulačním obvodem.

Realizace systému měření a regulace

6

Strana 31


Ovládání systému vytápění, měření a regulace bude provedeno pro každou kaskádovou kotelnu samostatně, výjimku budou tvořit kotelny III. a IV. v přední části haly nad vrátnicí. Tyto kotelny budou umístěny v samostatné místnosti z důvodu dodržení požadavků uvedených v bodě 4.2.3, ale budou zapojeny do jednoho HVDT. Toto provedení nám umožní regulovat tyto kotelny jako jeden celek s jedním řídícím kotlem a třemi řízenými kotli. Regulace teplovzdušného vytápění bude řešena také samostatně, nezávisle na regulaci teplovodního systému. Teplovzdušné vytápění bude provedeno pro vytápění hlavní výrobní lodi a pro vytápění dílny (nožírny). Regulace bude provedena centrálně pro oba prostory. 6.1

Regulace kotelny I.

Tato kotelna bude umístěna v samostatné místnosti I. patra severní části přístavků výrobní haly vedle sušárny kotoučů. Kotelna bude sloužit k vytápění prostorů kanceláří 2. N.P., část výrobních prostor 1. a 2. N.P. severní části a pro ohřev teplé užitkové vody(TUV). Vytápění bude rozděleno do dvou okruhů. Řešení ohřevu teplé užitkové vody bude provedeno jak již bylo popsáno v bodě 5.2.2. Připojení ohřívače TUV bude provedeno k řízenému kotli způsoben jak je zakreslen na Obr. 9. 6.1.1 Provedení regulace Regulace bude provedena programovatelným regulátorem TRONIC 2008E. Tento regulátor nám poskytne komfortní řízení kaskády kotlů, umí zabezpečit nezávislé řízení až 6 regulačních okruhů a v závislosti na jejich aktuálních požadavcích zasílat po interní komunikační lince povely pro řízení celé kaskády. Současně je schopen shromaždovat provozní data od technologických okruhů i od kaskády a zpřístupnit je (např. pomocí obvyklého sériového rozhraní RS232 nebo RS485, ale i pomocí GSM brány nebo telefonního modemu) pro vzdálenou kompletní správu kotelny (tzv. dispečink). Další možnosti tohoto regulátoru: např. dálkové zpracování signálu, jednoduché programování, dálkové komfortní grafické zobrazení parametru i jejich nastavování, registrace, archivace a správa dat, variantní časové programy. Programovatelný regulátor komunikuje s řídícím kotlem kaskády přes interface IU05. Toto rozhraní předává programovatelnému regulátoru informace s řídícího kotle a zároveň obstarává předávání informací mezi ostatními kotli v kaskádě. Zjednodušeně řečeno, uvedený regulátor vyhodnocuje výslednou teplotu topného systému, teplotu v místnostech, venkovní teplotu a na základě zjištěných a požadovaných hodnot vyšle signál řídícímu kotli. Právě pro tyto uvedené vlastnosti byl zvolen pro regulaci vytápění tento regulátor. Systémy TRONIC 2008E lze programovat na obvyklém PC v grafickém prostředí WINLEDA. Tento komfortní software umožňuje i projektantům a uživatelům efektivně a rychle pracovat s řídicím programem pro danou aplikaci. Podrobněji se tímto regulátorem zabývám v kapitole 6.7.

Strana 32


Pro dosažení požadované teploty vnitřního prostoru bude použita ekvitermní regulace s kompenzací teplotou prostoru. Tato regulace využívá zpětné vazby z teploty prostoru a je proto schopna eliminovat vliv jiných tepelných zdrojů. Rozdíl teploty prostoru (nastavené a skutečné) přímo ovlivňuje posuv ekvitermní křivky, a tím zajišťuje vyšší komfort regulace. Ke kotlové automatice bude proto připojeno čidlo venkovní teploty a DIP-SWITCH (2) u interface IU05 nastaven na „ON“ jak je znázorněno na Obr. 11. Při provozu si regulátor umí z nashromážděných informací během několika dnů, provést optimalizaci výchozího nastavení ekvitermy. Měření teploty bude provedeno pomocí odporových teploměrů. Jako zdroj signálu se používají dvouvodičově připojené odporové teploměry Pt1000 a Ni1000 se strmostí 5000ppm/°C i 6178ppm/°C. Pro použité typy teploměrů je měřící rozsah -30 ÷ 120 °C.

Obr. 11: interface IU05

6.1.2 Ovládání okruhů ÚT Regulace teploty prvního a druhého okruhu ÚT se provede třícestným servoventilem, který je řízen regulátorem TRONIC 2008E. Tento regulátor si měří teplotu v každém okruhu ÚT a podle požadavků (nastavené a skutečné) teploty provede plynulou regulaci průtoku teplé vody (přivření nebo pootevření servopohonu), a tím následně snížení nebo zvýšení teploty v regulovaném okruhu ÚT. Schéma elektrického zapojení uvedených ventilů je znázorněno na Obr. 20. Řízení oběhových čerpadel jednotlivých větví je provedeno dvouhodnotovými výstupy regulátoru TRONIC, a to jako kontaktní spínání, relé s možností spínání střídavého 230V/2 A (AC1 – 500 W, AC3 – 200 W) nebo stejnosměrného (48 V/0,5 A) napětí. Všechny kontakty relé jsou navzájem odděleny pracovní izolací. Připojení čerpadla k regulátoru je na Obr. 19. Pro názornost elektrického zapojení regulátoru TRONIC je zobrazeno na Obr. 12 svorkové připojení vstupů a výstupů.


Strana 33

Obr. 12: svorkové připojení regulátoru TRONIC 2008E

6.2

Regulace kotelny II.

Kotelna II. bude umístěna ve skladě MTZ, II.N.P. výrobní haly. Stejně jako v předchozím případě, bude tato kotelna osazena dvěma kotli zapojenými do kaskády a bude sloužit k vytápění severních přístavku výrobní haly I. N.P. a II. N.P., přesněji přední části. Druhá část bude vytápěna, jak už bylo uvedeno, kotelnou I. Vytápění bude rozděleno na dva okruhy. První okruh bude vytápět přízemí a druhý bude pro vytápění I.patra. Provedení regulace bude obdobné jak je již uvedeno v bodě 6.1.1. Ovládání jednotlivých okruhu UT je provedeno stejným způsobem jako u kotelny I. Popis provedení je uveden v bodě 6.1.2. Pro názornost je na Obr. 23 schéma zapojení strojního zařízení. 6.3

Regulace kotelny III., kotelny IV.

Jak už bylo v úvodu této kapitoly uvedeno, bude provedena regulace těchto kotlů společně jedním regulátorem. Tato kaskáda kotlů bude vytápět prostory jižní části haly (přístavků haly). Vytápění bude rozděleno do tří okruhů, kde bude provedena samostatná regulace vnitřní teploty. První okruh bude pro celé přízemí jižní části haly, druhý okruh bude pro I. patro jižní části haly a třetí okruh bude pouze pro vrátnici z důvodu nepřetržitého provozu (služby). Pro dosažení požadované teploty vnitřního prostoru bude použita ekvitermní regulace s kompenzací teplotou prostoru. Provedení regulace bude obdobné jak je již uvedeno v bodě 6.1.1. Ovládání jednotlivých okruhu UT je provedeno stejným způsobem jako u kotelny I. Popis provedení je uveden v bodě 6.1.2.

Strana 34


6.3.1 Regulátor TRONIC 2008E zajišťuje:

kaskádové řízení a řazení kotlů komunikačně protokolem OPEN - THERM ekvitermní regulaci teploty topných větví automatické doplňování vody do sytému vytápění poruchové zabezpečení kotelny

6.3.2 Popis regulací a řízení kotelny Regulace výkonu kotelny je provedena kaskádovým spouštěním kotlů (výkonových stupňů) ve 2, 4 (max. 6-ti) možných výkonových stupních s možností programového nastavení pořadí jednotlivých kotlů z klávesnice nebo automaticky podle počtu odjetých hodin jednotlivých kotlů. Výkon kotelny je odvozen od teploty vody na výstupu T1. Hodnota požadované výstupní teploty je nastavitelná buď jako konstantní hodnota, nebo ekvitermně závislá na venkovní teplotě T2. Ekvitermní regulace větví ÚT je s individuálním nastavením ekvitermních křivek (5-ti bodová ekviterma). Časové teplotní útlumové programy se nastaví během jednotlivých dnů (až 99 úseků natavení po 1/4 hod.). Spouštění kotlových čerpadel je řízeno buď přímo z regulátoru s naprogramovanou dobou doběhu (samostatné DO výstupy) nebo společným signálem startu kotle s doběhem ovládaným časovým relé. Regulátor bude hlídat také základní zabezpečení kotlů, kotelny (vypnutí kotlů, kotelny, plynového ventilu, přehřátí prostoru, ztráta a překročení tlaku topné vody, přehřátí výstupu topné vody). Regulace a řízení kaskády kotlů THERM DUO 50 vybavených automatikou s komunikačním interfacem IU 04.10 nebo IU 05 umožňuje současně vzájemný přenos informací mezi kotli včetně plynulé modulace výkonu všech kotlů v kaskádě . Nadčasové u tohoto řízení je integrace kaskádového řízení přímo do softwaru procesoru. Komunikace mezi řídícím kotlem (masterem kaskády) a nadřazeným regulátorem celé kotelny TRONIC 2008 probíhá přes komunikační rozhraní „OPEN - THERM“ a interface IU 05.


Strana 35

Obr. 13: schéma zapojení regulace kotelny

Data přenášená komunikačně pomocí protokolu OPEN-THERM mezi řídícím kotlem („masterem“) a nadřazeným regulátorem kotelny TRONIC 2008: Informace o stavu a funkci kaskády kotlů venkovní teplota okamžitá výstupní teplota topné vody z kotelny za anuloidem poruchy kotlů včetně identifikace druhu poruchy práce kaskády v režimu ohřevu vody pro ÚT okamžitý stav provozu (chod / stop) okamžitý výkon kaskády v % Řídící povely do kaskády z nadřazeného regulátoru TRONIC 2008E žádaná teplota výstupní topné vody za anuloidem povolení práce kotelny v režimu ÚT Přímé řízení a regulace celé kotelny nadřazeným regulátorem TRONIC 2008E ekvitermní regulace teploty topných větví automatické doplňování vody do systému ÚT poruchové a havarijní zabezpečení kotelny

Strana 36


Regulace teploty jednotlivých okruhů ÚT se provede třícestným servoventilem, který je řízen regulátorem TRONIC 2008E jak již bylo popsáno v bodě 6.1.2. 6.4

Regulace kotelny V.

Tato kotelna bude umístěna ve IV. N.P. přístavku výrobní haly, vedle šaten mužů. Bude sloužit pro vytápění prostorů šaten, sociálního zařízení, skladů zboží, strojovny výtahu a balírny. Vytápění bude rozděleno do dvou okruhů. Jeden okruh bude pro celé IV. N.P. a druhý bude složit pro vytápění III.N.P. Provedení regulace bude obdobné jak je již uvedeno v bodě 6.1.1. Ovládání jednotlivých okruhu UT je provedeno stejným způsobem jako u kotelny I. Popis provedení je uveden v bodě 6.1.2. 6.5

Regulace teplovzdušných agregátů

V hlavní výrobní hale bude umístěno osm teplovzdušných plynových agregátů. Prostory dílny (nožírny) budou osazeny dvěma agregáty. Regulace bude řešena centrálně pro všechny tyto jednotky. Pro regulaci bude použit regulační systém firmy ROBUR. Tento systém bude umožňovat nastavení regulačního systému z jednoho místa pomocí počítače osazeného panelem s dotykovým displejem. Pomocí jednoho dotykového panelu s velkým barevným displejem je možné ovládat až 64 jednotek ROBUR z jednoho místa. Tento regulátor komunikuje s jednotkami ROBUR prostřednictvím jednoho komunikačního kabelu TP. Nepřetržitě monitoruje stav jednotek, zobrazuje jejich stavy na obrazovce a jednotky ovládá podle předem nastaveného programu. Každá jednotka ROBUR má nainstalované rozhraní s akčním modulem, které komunikuje s řídícím regulátorem, zjišťuje okamžitý stav jednotky a vykonává jeho povely. Regulátor umožňuje i regulaci směšovacích komor v závislosti na venkovní teplotě. Celý regulační systém se skládá z řídící jednotky, komunikačních rozhraní umístěných v jednotkách Robur, komunikační linky (kabel), interního teplotního čidla, externího teplotního čidla, signalizace a ovládání v místě jednotky a tlačítka pro lokální režim. Další doplňky tohoto systému mohou být GSM modul pro dálkový přenos, opakovač (zesilovač) v případě, že délka komunikační linky přesáhne 1200 m, což není náš případ. Blokové schéma regulace je znázorněno na Obr. 14. Řídící jednotka obsahuje barevný dotykový panel, rozhraní RS232/485 a napájecí zdroj. Součástí skříně je i USB konektor pro import a export dat na USB-disk. Komunikační rozhraní je instalováno v každé jednotce ROBUR. Součástí tohoto rozhraní je komunikační modul, akční člen a napájecí zdroj, kabeláž, instalační krabice a držák. Komunikační linka je kabel využívaný ke komunikaci mezi řídící jednotkou a komunikačním rozhraním. Použitý komunikační přenos RS485 je velmi odolný vůči rušení. Pro propojení prvků je doporučen kabel TP (4x TWISTED PAIR).


Strana 37

Interní teplotní čidlo je umístěno u každé jednotky ROBUR a předává informaci o teplotě do komunikačního rozhraní. Externí teplotní čidlo snímá venkovní teplotu a je připojeno ke komunikačnímu rozhraní. Externí (venkovní) teplotní čidlo je možné instalovat v libovolném místě na venkovním plášti vytápěného objektu.

Tabulka 3: Technické údaje regulačního systému Modul řídícího panelu Napájení Elektrický příkon Krytí, prostředí instalace Úhlopříčka displeje Montáž

V AC/Hz W IP

230/50 50 20, normální 5,7 na povrch nebo zapuštěná

Komunikační rozhraní Typ Napájení Elektrický příkon Montáž

F1, E,F1SK,ESK, F1L, F1SKL, ESKL, NER V AC/Hz 230/50 VA Dle typu max. 12 V jednotce Robur

Interní a externí čidlo Typ Krytí Montáž Provozní teplota

°C

Ni 1000 DIN 64 na povrch -50 až +50

červená žlutá

doutnavka LED

červená

na povrch nebo zapuštěná LED

m

RS 485 64 nestíněný TP 4x twisted pair RJ45 1200

IP

Místní signalizace a odblokování Signalizace zablokování jednotky Signalizace přehřátí jednotky

Tlačítko „lokální“ režim Montáž Signalizace zapnutí

Komunikační linka Typ komunikace Max. počet prvku Doporučený typ kabelu Propojovací konektor Max. délka kabelu bez opakovače

Strana 38


Obr. 14: blokové schéma zapojení regulace


Strana 39

Centrální regulační systém nám zajistí vytápění jen tam kde je potřeba a po dobu, kdy je to "nutné" bez neustálého dohledu a kontroly. Čidla v prostoru, automatická optimalizace, časový program s možností předem povolených zásahů, to vše vede k velké úspoře plynu. S jednotkami ROBUR komunikujeme prostřednictvím barevného dotykového displeje, který je ukryt v nástěnné skříňce zabudované na zvoleném místě. Přehled o provozních režimech, aktuálních i požadovaných teplotách v prostoru nebo o případné poruše některé z jednotek lze mít kromě centrály i přes počítačovou síť. Důvody pro použití centrální regulace ROBUR: Teplotní čidla umístěná v prostoru neumožňují manipulace Tlačítka s předem nastavenou funkcí dovolují pracovníkům mimořádné zásahy do programu (prodloužit dobu vytápění o hodinu, rychle vyvětrat halu apod.) Ranní začátek vytápění je automaticky posunut podle venkovní teploty (značná úspora po většinu topné sezóny bez velmi nízkých venkovních teplot) Grafický dotykový panel s jednoduchým a přehledným ovládáním. Ukázku ovládaní na dotykovém panelu máme na Obr. 15 Přehledné zobrazení celkového stavu vytápění i jednotlivých agregátů Zprávy o příliš nízké teplotě nebo poruchách lze zasílat na e-mail nebo prostřednictvím SMS. Centrální panel řídí celkem 10 jednotek (ale může až 64 jednotek) jednoduše propojených datovým kabelem.

Obr. 15: dotykový panel regulátoru

Strana 40

6.6


Popis použitých prvků, regulátorů, protokolů

6.6.1 Prostorové regulátory s komunikačním protokolem OpenTherm® V posledním desetiletí, kdy se digitální mikroprocesorová technika stala mnohem přístupnější, se stále častěji v řídící a regulační technice pro vytápění objevují digitální sběrnicové systémy. Všeobecně jsou tyto komunikační systémy považovány za velmi účinné a výkonné prostředky, které umožňují inteligentní řízení těch nejsložitějších otopných soustav a umožňují dosáhnout značného komfortu provozu a nízké spotřeby energií. Komplexnost a složitost těchto systém, spolu s vyšší cenou znemožňují efektivní použít tyto řídící sběrnicové systémy v běžných rodinných domcích či bytech. U otopných soustav tohoto rozsahu plně nevyhovuje oboustranná komunikace mezi prostorovým regulátorem a řídící jednotkou (hořákovou automatikou) kotle. Jednou z možností, jak tuto komunikaci zajistit, je použít jednoduchý sběrnicový systém s protokolem OpenTherm®. Tento komunikační protokol je k dispozici u některých plynových kotlů, mezi něž patří také kotle od firmy Thermona, které jsem navrhnul pro vytápění této výrobní haly. Konvenční dvoubodové prostorové regulátory pracují zcela samostatně a nezávisle na připojeném kotli. Prostorový regulátor snímá svým integrovaným čidlem teplotu v referenční místnosti vytápěného objektu a porovnává jí s hodnotou uživatelem nastavenou žádanou teplotou. Mikroprocesor prostorového regulátoru potom na základ určitého algoritmu vyhodnotí situaci a vydá řídící jednotce kotle spínací povel zapnout/vypnout. Takto je realizovaná pouze jednostranná komunikace spínací signál od prostorového regulátoru ke kotli. Komunikační protokol OpenTherm® umožňuje obousměrnou dvouvodičovou komunikaci (point to point) mezi prostorovým regulátorem a řídící jednotkou kotle. Řídící jednotka kotle zásobuje sběrnici všemi potřebnými parametry, které mohou být následně využívány prostorovým regulátorem. Prostorový regulátor je připojen na kotel dvouvodičovou sběrnicí s napájením 24 V. V tomto sběrnicovém systému pracuje prostorový regulátor jako MASTER (řídící) a interface v řídící jednotce kotle jako SLAVE (podřízený). Prostorové regulátory vybavené systémem komunikace OpenTherm® nabízejí uživateli při stejně snadném ovládání jako u dvoubodových regulátor mnohem větší přehled o systému vytápění. Může být zobrazována např. výstupní teplota kotle, aktuální výkon hořáku (procento modulace), nebo mohou být zobrazena případná poruchová hlášení. Hlavním argumentem pro použití prostorových regulátor OpenTherm® je tzv., druhá modulace výkonu kotle". V tomto případě kotel nemění svůj výkon pouze na základ ,,statického" nastavení výstupní teploty otopné vody, ale navíc je zohledněna i okamžitá prostorová teplota v referenční místnosti vytápěného objektu, které se dynamicky přizpůsobuje výkon hořáku kotle. Takto řízené nástěnné kotle dosahují v celoročním provozu úspor v řádu několika procent, snížení emisí spalin a snížení počtu startů hořáku kotle. Další úspora energie a omezení poctu startů hořáku je možná při použití ekvitermní regulace. Při této regulaci se teplota výstupní kotlové vody řídí dle aktuální venkovní teploty podle nastavené otopné křivky, což umožňuje vždy zvolit optimální výkon kotle.


6.7

Strana 41

Programovatelná řídící stanice TRONIC 2000 E

Řídicí systém T2008E je modulární stavebnice řídicího systému, která umožňuje vytvořit řešení pro regulaci malých a středních aplikací. Pro zajištění vysoké provozní spolehlivosti jsou systémy T2008E, stejně jako ostatní systémy TRONIC 2000, vyráběny z komponentů renomovaných světových výrobců technologií s převažujícím podílem povrchové montáže součástek. Osazení desek plošných spojů se děje na moderních automatických osazovacích linkách. Velká péče je při výrobě věnována testování a zahořování vyrobených přístrojů. Všechny komponenty řídicího systému T2008E jsou určeny k montáži na lištu TS35, jsou umístěny v krytech jističového profilu, v rozměrech se liší pouze délkou (maximálně 9 modulů). S výhodou je možné je montovat do standardních plastových rozvodnic. Všechny technologické vodiče se připojují k modulům šroubovacími svorkami, které jsou určeny pro plné i slaněné vodiče do průřezu 2,5 mm2.

Obr. 16: programovatelný regulátor TRONIC 2008E

Regulátor T2008E je základním dílem stavebnicového řídicího systému T2008E. Obsahuje základní sortiment analogových a dvouhodnotových vstupů a výstupů. Na čelním panelu je umístěn zeleně poosvětlený alfanumerický LCD displej se dvěma řádky o 16 znacích, dvě LED diody, indikující činnost regulátoru, a pět kláves s mechanickou odezvou. Uvnitř přístroje je umístěna piezosiréna pro akustickou signalizaci provozních stavů. Regulátor T2008E obsahuje procesorovou jednotku se základním programovým vybavením, prostor 52 kB pro uživatelský program, paměťový prostor 64 kB (zálohovaný baterií v případě výpadku napájení) pro uchování archivu dat, obvod reálného času (hodiny s bateriovou zálohou), konektor rozšiřující sběrnice a servisní sériový kanál.

Strana 42


6.7.1 Přístrojové vybavení stanice T2008E

Základem každé stanice je modul regulátoru T2008E a napájecí zdroj PWSP150. K modulu regulátoru je možno připojit následující vstupy a výstupy.

6 analogových vstupů, podle zdroje signálu se vstupy osazují příslušnými unifikačními články. K regulátoru je možné připojit odporové teploměry Pt1000, Ni1000 se strmostí 5000 ppm/°C (N1) i 6178 ppm/°C (N1A), proud 0 – 20 mA (event. 4 – 20 mA), napětí 0 – 10 V. Dále je každý analogový vstup možno použít jako dvouhodnotový s možností čítání impulzů.

4 dvouhodnotové vstupy s galvanickým oddělením, jako vstupní signál se používá napětí v rozmezí 12 – 30 V pro stav “1“ a 0 – 5 V pro stav “ 0“. Každý vstup je vybaven číslicovou filtrací v rozmezí 10 ms – 2,5 s, čítačem impulzů a měřením periody u periodických vstupních signálů. Izolační pevnost galvanického oddělení je 500 V.

2 analogové napěťové výstupy 0 – 10 V

6 reléových výstupů, které umožňují spínání stejnosměrných (48 V/0,5 A) i střídavých (230 V/2 A) zátěží. Všechny výstupy jsou odděleny od systému dvojitou izolací s izolační pevností 3,7 kV, jednotlivé výstupy jsou odděleny základní izolací s izolační pevností 2,2 kV. Čtyři výstupy jsou zapojeny jako spínací kontakt, dva výstupy jako přepínací kontakt.

6.7.2 Napájecí zdroj PWSP150 poskytuje následující napájecí hladiny

napájení systémové části regulátoru stabilizovaným napětím 13V/0,35A

napětí 24 V galvanicky spojené s napájením systémové části, které slouží k napájení případných proudových smyček analogových vstupů (připojeny mohou být dvě smyčky) napětí 24 V galvanicky oddělené od systému, které slouží k napájení galvanicky oddělených dvouhodnotových vstupů, izolační pevnost galvanického oddělení je 500 V, napájet lze nejvýše 6 vstupů.


Obr. 17: konfigurace stanice T2008E

Strana 43

Strana 44


6.7.3 Rozšíření komunikačních možností stanice Stanice může v závislosti na přístrojovém vybavení komunikovat pomocí několika typů rozhraní. V následujících bodech jsou uvedeny stručné charakteristiky jednotlivých elektrických rozhraní.

RS232 – komunikační spojení dvou stanic na vzdálenost maximálně 18 m. Pro spojení je zapotřebí kabelu se třemi vodiči (RxD,TxD,GND).

RS422 – komunikační spojení dvou stanic na vzdálenost až 1200 m. Pro spojení je zapotřebí kabelu s pěti vodiči (RxD+, RxD-,TxD+, TxD-, GND).

RS485 – komunikační spojení více stanic, z nichž jedna je typu MASTER, který řídí provoz sběrnice, statní jsou typu SLAVE, kterých může být až 255. Komunikace probíhá vždy mezi stanicí MASTER a SLAVE, nelze tedy vyměňovat data mezi dvěma stanicemi typu SLAVE. Maximální délka sběrnice je 1200 m, tato délka může být prodloužena pomocí opakovačů na vzdálenost až 20 km.

CAN - komunikační spojení více stanic, které jsou zcela rovnocenné a kterých může být až 240. Data lze přenášet mezi libovolnými stanicemi. Maximální délka sběrnice je 1000 m, tato délka může být prodloužena pomocí opakovačů na vzdálenost do 20 km.

OpenTherm – toto standardizované rozhraní slouží k připojení kotlové automatiky k regulátoru T2008E na vzdálenost do 50 m.

Řídicí stanice T2008E je standardně vybavena jedním sériovým komunikačním kanálem s elektrickým rozhraním RS232. Tento servisní kanál slouží pro nahrávání uživatelského programu a jeho ladění. Rozšíření komunikačních možností stanice se provádí pomocí modulů KOME-xxx a KOMGE-xxx jak je znázorněno na Obr. 17.

6.7.4 Programování regulátoru T2008E: Základní programové vybavení systému TRONIC je společné pro všechny typy stanic. Je uloženo v paměti EPROM a je zahrnuto v ceně výrobku. Exekutivy reálného času v technologických řídicích stanicích mohou vykonávat všechny běžné funkce vyžadované od systémů přímého číslicového řízení jako je zpracování signálů a obecné operace nad nimi, sběr dat a vytváření historické banky, výpočty algoritmů spojitých a nespojitých regulací, řešení logických kombinačních a sekvenčních funkcí a vytváření sekvenčních automatů, programové řízení chodu aplikačního programu.


Strana 45

6.7.5 Aplikační programové vybavení řídicích stanic Aplikační programové vybavení je možné vytvářet dvěma způsoby:

standardní aplikace, jako např. řízení výměníků, kotelny, vzduchotechniky, solární vytápění atd., je možné vytvářet pomocí programového prostředí WINLEDA. Hlavními přednostmi tohoto způsobu je velice rychlé vytváření aplikací (uživatelský program je vytvořen během několika minut), protože tvorba aplikace probírá pouze jako parametrizace předpřipravených technologických objektů. Z toho důvodu aplikátor nemusí znát žádné programovací postupy, podmínkou práce je pouze znalost technologie. Sortiment standardních objektů je neustále doplňován jednak výrobcem systému a jednak spoluprací s řadou externích firem. nestandardní aplikace v širokém rozsahu (počínaje nestandardními typy kotelen, regulátorů odběru elektrické energie, strojních technologií až po řízení zasněžovacích strojů a lyžařských vleků) se vytvářejí pomocí vyššího programovacího jazyka LEDA. Editace, překlad, download a komfortní ladění programu se provádí v integrovaném vývojovém prostředí COLEDA/WINLEDA32. Hlavními rysy a přednostmi je dosažení naprosté programovací volnosti řídicích stanic, aplikační programování s využíváním knihovny standardních funkcí jazyka (regulátory, filtry,...), možnost definování uživatelských funkcí atd.

6.7.6 Komunikace a sítě Systémy TRONIC2000 umožňují vytvářet decentralizované řídicí systémy s možností dispečerského řízení a sdílení dat mezi stanicemi. Proto jsou všechny stanice vybaveny několika komunikačními kanály s různými vlastnostmi. Pro použití regulace vytápění je pro nás důležité propojení operátorské stanice a PC s operačním systémem Windows a příslušným programovým vybavením. Toto je možné rozšíření navrhovaného systému měření a regulace vytápění. Rozdělení podle typu elektrického rozhraní: elektrické rozhraní komunikačního kanálu určuje, jakými technickými prostředky se spojení uskutečňuje. Typem rozhraní je určen počet vzájemně komunikujících zařízení, rychlost přenosu, vzdálenost a typ použitého vodiče. Navzájem lze spojit pouze zařízení disponující stejným elektrickým rozhraním.

Strana 46


Tabulka 4: typy používaných elektrických rozhraní rozhraní Počet délka Typ kabelu účastníků RS 232 2 do 18 m třížilový RS 422

2

do 120 m

dva páry

RS 485

do 10

do 1200 m

jeden pár

CAN

240

do 1000 m

jeden pár

smyčka 20mA

2

do 1200 m

dva páry

OpenTherm

2

do 50 m

jeden pár

MBUS

do 250

do 6 km

jeden pár

popis obvykle pro spojení stanice s PC při nastavení, připojení modemu atd. spojení s operátorskou stanicí na větší vzdálenost sběr dat z více stanic, při použití většího počtu stanic nebo větší vzdálenosti se použije opakovač RPT 485, v tomto případě musí mít kabel navíc ještě jeden pár sběr dat, vzájemná výměna dat mezi stanicemi v lokální síti, při komunikaci na větší vzdálenost je třeba použít opakovač RPTCAN v systémech TRONIC se využívá pouze pro sběr dat z některých měřičů energií komunikace mezi T 2000E a kotlovou automatikou v systémech TRONIC se využívá pro sběr dat z některých měřičů energií

6.7.7 Přímé spojení PC a řídicí stanice Základní komunikační připojení při místním ladění uživatelského programu ve stanici nebo pro připojení jedné stanice k operátorskému pracovišti je typu MASTER-SLAVE, kde stanicí MASTER je vždy PC. Přenosová rychlost je volitelná v rozsahu 2,4 až 38,4 kBd. Rozhraní je určeno pro krátké vzdálenosti do 18 m. Pro delší vzdálenosti do 1,2 km je možno použít modul KOME422 na straně regulátoru a převodník RS422/232 na straně PC. Pro spojení linkou RS232 se použije libovolný stíněný kabel s nejméně třemi žílami. Pro spojení linkou RS422 se použije stíněný kabel se zkroucenými páry. Doporučené typy kabelů jsou LAM-TWIN FTP pro rozvody uvnitř objektů a TCEKFY pro rozvody mezi budovami. Jeden pár je použit pro RxD, druhý pro TxD a třetí jako GND. Komunikačním kabelem se přímo spojuje sériový kanál PC a konektor XP3 stanice T2008E. 6.7.8 Napájecí zdroj PWSP150 Systémový zdroj PWSP150 je určen pro napájení regulátoru T2008E a přídavných modulů. Hlavní napájecí napětí 13 V je stabilizované. Mimo ně jsou ze zdroje vyvedena další dvě pomocná napětí 24 V. Jedno je spojené s hlavním napětím a je určeno pro napájení proudových měřicích smyček. Druhé je galvanicky oddělené a použije se pro napájení kontaktů připojovaných k dvouhodnotovým vstupům. Jsou-li v sestavě regulátoru přídavné moduly, je třeba kontrolovat celkovou spotřebu a rozhodnout, zda pro její napájení zdroj PWSP150 postačuje. elektrické parametry: napájecí napětí: 230 VAC, tolerance napětí ± 10 %, frekvence 50 Hz kategorie výstupních napětí: SELV spotřeba: 15 VA

Závěr

7

Strana 47

Závěr

Cílem této bakalářské práce bylo vytvoření návrhu systému měření a regulace vytápění. Vytvořený systém kombinuje regulaci teplovodního a teplovzdušného vytápění. Decentralizace vytápění výrobní haly a přilehlých prostor včetně přístavků nám přinese značné úspory plynu, a tím i snížení nákladů na vytápění. Mimo tuto výhodu nám investice do nového vytápění přinese zvýšení tepelné pohody na pracovištích, větší stálost teplot a také jsou očekávané nižší provozní náklady na údržbu, opravy a revize. Další výhoda nového vytápění je bezobslužný provoz celého systému. Jak bylo již v této práci zmíněno, návratnost této investice je do 3 roků. Z toho plyne, že investice do rekonstrukce vytápění je velice výhodná. V případě, že toto vytápění bude mít i správné provedení měření a regulace, povede to ještě k větším úsporám energií, a tím i financí. Investice do měřící a regulační techniky je nejrychleji návratná investice ze všech investic do úspor energií. S rostoucí cenou se návratnost zrychluje. Tato práce je zaměřena převážně na regulaci tohoto decentralizovaného vytápění. Stávající vytápění bylo řízeno a regulováno pouze ručně zásahem obsluhy, což není v dnešní době vhodné a praktické. Nové vytápění nám přinese i díky pokroku techniky proti dřívějším možnostem nové způsoby měření a regulace celého systému vytápění. V této práci je regulace řešena programovatelnými automaty (regulátory) s možností dalšího rozšíření centrálního řízení přes stolní počítač. Zabývám se tu způsobem regulace jednotlivých kotelen, ovládáním jednotlivých větví ÚT a řízením teplovzdušných plynových agregátů. Způsob řešení je částečně ovlivněn finančními možnosti firmy. Stanovený cíl bakalářské práce, jimž bylo navržení měření a regulace vytápění, byl splněn v požadovaném rozsahu.

Strana 48

Seznam použité literatury


Strana 49

8


[1] [2]

Poliščuk, Radek.: Titulní strana závěrečné práce, Poliščuk, Radek.: Instrukce pro autory závěrečných prací, 2006, http://autnt.fme.vutbr.cz/doc/SZZ2006_Instrukce.pdf Tepelná pohoda a nepohoda [online]. 13.12.2000 [cit. 2006-02-14]. Dostupný z WWW: . Trefová, Lea. Vytápění infračervenými plynovými zářiči, 2004, http://www.fce.vutbr.cz/TZB/treuova.l/infrazarice.doc KABELE, Karel. Teplovzdušné vytápění obytných budov [online]. 3.8.2001 [cit. 2006-03-21]. Dostupný z WWW: . ČERNÝ, Václav, JANEBA, Břetislav, TEYSSLER, Jiří. Parní kotle. [s.l.] : SNTL - Státní nakladatelství technické literatury, 1983. 858 s. NEVRLÝ, Josef. Modelování pneumatických systémů. [s.l.] : [s.n.], 2003. 183 s. ISBN 80-7204-300-5. http://www.atrea.cz [online]. c1998-2006 [cit. 2006-03-24]. Dostupný z WWW: . http://www.robur.cz/ [online]. [2006] [cit. 2006-04-15]. Dostupný z WWW: . Projekční dokumentace [online]. 2006 [cit. 2006-04-15]. Dostupný z WWW: . http://www.tronic.cz [online]. [2006] [cit. 2006-04-24]. Dostupný z WWW: . http://www.teplovhale.cz [online]. 2005 [cit. 2006-04-24]. Dostupný z WWW: .

[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]

Strana 50

Přílohy

Přílohy

9

Strana 51

Přílohy

Příloha 1: zapojení svorek regulátoru TRONIC

Obr. 18

Strana 52

Příloha 2: schéma zapojení ventilů a čerpadel

Obr. 19

Strana 53

Příloha 3: připojení servoventilu ÚT k regulátoru TRONIC

Obr. 20

Strana 54

Příloha 4: schéma zapojení vstupů

Obr. 21

Strana 55

Příloha 5: schéma zapojení napájení

Obr. 22

Strana 56

Příloha 6: schéma zapojení strojního zařízení - kotelna

Obr. 23

Bakalářská práce. Návrh systému měření a regulace vytápění

Recommend Documents