V dnešní se stále více prosazují netradiční zdroje, mezi které patří tepelná čerpadla, solární panely…. U těchto zdrojů je však třeba počítat s vyšší prvotní investicí. Zdroj tepla může obsahovat více jednotek. Jsou-li řazeny jednotky stejného druhu mluvíme o kaskádě zdrojů, pokud jsou řazeny různé druhy zdrojů (např. kombinace solárního ohřevu, zásobníku tepla a kotle) mluvíme o bi-/multi-valentním zdroji. Nejvíce regulačních akčních prvků obsahují rozvody – topné okruhy, ať už jsou to prvky hydraulické nebo regulační. Topná soustava může být složená z jediného nebo několika topných okruhů, které mohou být na sobě teplotně zcela nezávislé. Ve vytápění se používají dvě základní technologická zapojení; je jím směšovací a čerpadlový „ostrý“ topný okruh. Čerpadlový okruh
Směšovací topný okruh
Spotřebiče tepla předávají dodávané teplo do prostoru. Mezi nejvýznamnější patří topná tělesa jako jsou radiátory, konvektory (rychlý radiátor), Fan-Coily (konvektor s ventilátorem), podlahové vytápění a jiné. Pokud mluvíme o spotřebiči obecně, je nutno mezi významné spotřebiče zahrnout zařízení pro přípravu teplé vody dále jen TV (zásobník TV, průtoková příprava TV), bazén,…. Výkon spotřebičů je možno obecně regulovat průtočným množstvím a/nebo teplotou topného média.
Rozdělení regulace. Hned na začátku rozdělíme regulaci na regulaci výkonu topné soustavy a hydraulickou regulaci. Hydraulická regulace tzv. hydraulické vyvážení soustavy je náročný proces, jednak ve fázi projektu a jednak ve fázi uvedení do provozu. Princip hydraulických problémů nasazením regulátorů výkonu je jednoduchý. Uzavření jediné větve topného okruhu regulátorem zapříčiní tzv. nadprůtok v ostatní části, a tím dojde okamžitému zvýšení výkonu spotřebičů. A naopak uvolnění větve může způsobit, že do vzdálené větve vlivem větších hydraulických odporů topná voda proudit vůbec nebude. Může se také vlivem špatného hydraulického návrhu stát, že za jistých okolností voda v určité části soustavy proudí opačným směrem. Pokud pomineme ruční vyvážení existují dva postupy automatického vyvažování. U prvního se vyvažují jednotlivé větve pomocí vyvažovacích škrtících regulačních armatur. Tento postup vyžaduje přesnou metodiku postupného přibližování, neboť nastavením jedné armatury se mění hydraulické poměry na dalších. Druhý postup, mnohem progresivnější, reguluje průtok malými pružinovými ventilky na všech spotřebičích (např. na všech radiátorech). Nastavením průtoku na těchto regulátorech se topná soustava vyvažuje sama.
Existují další možnosti regulace radiátorů. Základním předpokladem jejich nasazení je existence radiátorového ventilu, na který se tato regulace montuje. Místo termostatické hlavice je možné použít programovatelnou elektronickou hlavici, která má integrované čidlo teploty pro snímání teploty místnosti. Na změny teploty reaguje pomocí motorku uzavíráním nebo otvíráním radiátorového ventilu. Dalším ovládacím prvkem jsou termoelektrické radiátorové pohony, které pracují na principu zahřívání voskové náplně pomocí vestavěného elektrického odporu. Po připojení na ovládací napětí (ovládáno např. prostorovým termostatem) se odpor zahřívá a pohon pomocí náplně uzavírá ventil. Jedná se tedy o dvoustavové řízení, avšak pohon zcela uzavře ventil až po uplynutí doby cca. 3 min. Do stejné kategorie regulátorů můžeme zařadit také tzv. IRC regulaci (Individual Room Control), nezávislou regulaci teploty v jednotlivých místnostech. Centrální jednotka zaznamenává teplotu v místnostech a na základě rozdílu mezi skutečnou a nastavenou teplotou ovládá jednotlivá topná tělesa v příslušných místnostech. Podle popsaného principu zařadíme regulaci radiátorů do skupiny s kvantitativním řízením. Nejvíce se používají termostatické hlavice, které pracují paralelně s některým programovatelným centrálním regulátorem. Z hlediska uživatele slouží na vytvoření teplotních zón, z hlediska topenáře slouží na zohlednění dodatečných vlivů tepla a případného špatného dimenzování topných těles.
Prostorové termostaty (15%). Do této skupiny patří přístroje, které řídí vytápění podle vybrané referenční místnosti (např. obývací pokoj). V referenční místnosti se měří prostorová teplota a přístroj ji porovnává s uživatelem nastavenou teplotou. Jedná se o dvoustavovou kvantitativní regulaci (zapnuto/vypnuto). Prostorový termostat je vhodný pro čerpadlový topný okruh. Může ovládat kotel s automatickým vypnutím čerpadla, nebo ovládá čerpadlo a kotel se vlivem žádného odběru sám vypne. Pokud se topná soustava skládá z více okruhů, pak termostat ovládá vždy příslušné oběhové čerpadlo. Princip regulace prostorovým termostatem je velice jednoduchý. Termostat zapne vytápění, když teplota v referenční místnosti poklesne pod zvolenou teplotu a vypne, když jí překročí (spínací hystereze). Podle principu snímání teploty dělíme termostaty do dvou kategorií. Do první patří mechanické termostaty s bimetalem nebo přesnější s plynovou dilatační membránou. Druhou kategorii tvoří elektronické termostaty, které mají zabudované teplotní čidlo a termostatická charakteristika spínání je zajištěna elektronickou formou. Přesnost neboli spínací hystereze termostatu se pohybuje v závislosti na kategorii v rozsahu 0,5 až 1°C. Vlivem tepelné setrvačnosti každého objektu je však skutečná přesnost regulace teploty v místnostech násobně horší (1 až 3°C). Tento negativní fakt se u termostatů někdy kompenzuje tzv. tepelnou zpětnou vazbou. Jedná se o paralelně zapojený odpor, který se zahřívá a tak simuluje tepelnou setrvačnost objektu.
Prostorový regulátor je podobně jako prostorový termostat dvoustavový regulátor. Prostorové regulátory dosahují vyšší přesnost. Je to díky principu práce regulátoru a přesnějšímu měření teploty. Regulátor zapíná vytápění podle určitého algoritmu, který nazýváme charakteristikou regulátoru. Existuje několik charakteristik, přičemž nejpoužívanější jsou proporcionální (P) nebo proporcionálně integrační (PI). Proporcionální chování reaguje úměrně na rozdíl mezi nastavenou a skutečnou teplotou v referenční místnosti a integrační chování sleduje a vyhodnocuje rychlost změny prostorové teploty (dynamika objektu). Charakteristika regulátoru by měla být přizpůsobená charakteristice objektu. Z tohoto důvodu byla vyvinuta adaptace regulační charakteristiky.
Regulace teploty topné vody (25%). Tento druh regulace reguluje (snižuje) výkon tak, že snižuje teplotu topné vody a tím se snižuje centrálně výkon topné soustavy (radiátorů). Hlavní snahou je najít rovnováhu mezi dodávaným výkonem (teplota topné vody) a tepelnou ztrátou objektu při požadované vnitřní teplotě. Protože
tepelná ztráta objektu není zatím měřitelná veličina, musí se nahradit jinou veličinou. Pokud ji nahradíme venkovní teplotou, na které je závislá, mluvíme o ekvitermním regulátoru. Ekvitermní regulátor je dnes nejvíce používaný regulátor teploty topné vody. V poslední době začaly vznikat nové principy řízení, které vycházejí z jiných hodnot než je venkovní teplota. Vyplývá to z faktu, že u velmi dobře zaizolovaných rodinných domků, není vliv venkovní teploty již tak velký. Na základě těchto poznatků postupně vzniklo prostorové řízení (nemá s prostorovým termostatem nic společného) a řízení zátěží. Je možné kombinovat dva druhy řízení např.: ekvitermní řízení s vlivem teploty prostoru, nebo ekvitermní řízení s vlivem zátěže.
Prostorová regulace Na tomto druhu regulace si ukážeme rozdíl mezi prostorovým termostatem a regulací topné vody s prostorovým řízením. Použijeme k tomu příklad rodinného domku, který má jednostupňový nástěnný kotel, čerpadlový topný okruh s radiátory, příprava TUV. A6
B3
B2
Q3
Q1 K4
Prostorový termostat ovládá kotel (K4)a oběhové čerpadlo (Q1) je zapínáno přímo z kotle. Vzhledem k popsanému principu práce prostorového termostatu dochází ke kolísání teploty v místnosti, což se projevuje negativně na úsporách a na nižším komfortu. Příprava TUV se musí řešit externě. U prostorového řízení je prostorová teplota vstupujícím parametrem do algoritmu výpočtu teploty topné vody. Velmi důležitým vstupním parametrem je gradient prostorové teploty. Rovnováha mezi dodávkou tepla a skutečnou potřebou (tepelná ztráta) je dána tím, že teplota v místnosti odpovídá nastavené hodnotě a je stálá přestože teplo stále dodáváme. Reguluje se tedy teplota topné vody (B2) a prostorová teplota (A6) je jejím důsledkem. Teplota topné vody se zde zajišťuje spínáním kotle (K4) takže dochází ke kolísání teploty topné vody, což se však na prostorové teplotě neprojeví. Oběhové čerpadlo (Q1) je u této regulace trvale v provozu (kvalitativní regulace). Většina regulátorů s tímto řízením má navíc funkci vypínání oběhového čerpadla při překročení určité odchylky prostorové teploty. Výsledkem tohoto řízení jsou vyšší úspory, vyšší dosažená tepelná pohoda, která je dána hlavně nižší povrchovou teplotou radiátorů.
Zátěžová regulace Princip tohoto řízení je založen na skutečnosti, že kotel vyrobí pouze tolik tepla, kolik se spotřebuje v topném okruhu. Spínání kotle je tedy důsledkem předaného tepla v topných tělesech, takže vlastně zátěž kotle (spínací poměr hořáku) odpovídá potřebě tepla. Toto platí pouze u jednostupňového kotle a čerpadlového topného okruhu (bez směšování). Pomocí zvolené zátěžové křivky a zátěže kotle regulátor průběžně počítá teplotu topné vody. Strmost zátěžové křivky se volí s ohledem na teplotní režim topného systému. Řízení zátěží vyžaduje, aby byl topný okruh regulován termostatickými ventily, nebo jinou regulací (IRC). Komfortní teplota ve vytápěném prostoru se nastavuje na termostatických hlavicích. Při nočním resp. denním útlumu není nutné přestavovat termostatické hlavice, ale regulátor podle velikosti útlumu sníží adekvátně teplotu topné vody. Tímto způsobem lze „řídit kotel“ nezávisle z jednotlivých vytápěných místností. Řízení zátěží spojuje výhody regulace termostatickými ventily s regulací teploty topné vody.
Ekvitermní regulace U ekvitermní regulace se teplota topné vody stanovuje na základě venkovní teploty, která je u kvalitnějších regulátorů upravená (utlumená a časově posunuta) s ohledem na setrvačnost budovy. Výpočet teploty topné vody se tedy provádí z tzv. geometrické venkovní teploty a pomocí topné křivky se určuje teplota topné vody. Na tuto teplotu potom regulátor reguluje přímo zdroj tepla (výměník tepla, nízkoteplotní kotel) nebo směšovací ventil topného okruhu. Správně zvolená strmost topné křivky je nutným
předpokladem tohoto řízení. Z tohoto důvodu se u nás ekvitermní regulace dříve používala pouze jako předregulace a teplota v místnostech se doregulovala pomocí např. termostatických radiátorových ventilů. U menších aplikací (rodinný domek) se ekvitermní regulace používala dříve sporadicky. Tento problém se vyřešil snímáním prostorové teploty. Aby byl zachován princip ekvitermního řízení všechny prostorové teplotní odchylky od nastavené hodnoty se provádí přes topnou křivku. Změna teploty v místnosti zapříčiní krátkodobý posun topné křivky. Dlouhodobé vyhodnocování prostorové teploty má za následek posun nebo změnu strmosti topné křivky (adaptace topné křivky). Výsledkem této kombinace dvou řízení je stálá teplota v místnostech a velmi úsporné vytápění. Paralelní posun topné křivky TV
20 20
°C 100
20
90
80 70 60 50 40 30
30 20 10 0
10
0
-10
-20
-30 °C
TAgem
TR w
10
0
Regulace přípravy teplé vody Existuje několik způsobů přípravy TV. Nejpoužívanější je vzhledem k dosažené stálé teplotě příprava se zásobníkem vody (bojler), který může být přímo ohřívaný (topnou spirálou, hořákem) nebo nepřímo ohřívaný topnou vodou. Přípravu TV můžeme řídit termostatem s větší spínací hysterezí (5 – 10 °C) nebo jí řídí regulátor, který snímá teplotu vody čidlem, a tím má možnost vytápět zásobník v různém čase na rozdílné teploty. U nepřímo ohřívaného zásobníku musí mít nabíjecí teplota topné vody určité převýšení, aby byla požadovaná teplota v zásobníku skutečně dosažena a nebylo tak blokováno vytápění. Tento problém může nastat u regulace teploty topné vody (nižší teplota topné vody) nebo také s prostorovým termostatem, když je topná soustava dimenzovaná na teplotní spád 70 - 55°C. V době přípravy TV musí zdroj tepla dodávat topnou vodu o vyšší teplotě (převýšení). Prakticky příprava TV nastává zvýšením teploty topné vody a zapnutím nabíjecího čerpadla nebo překlopením třícestného ventilu do polohy ohřevu TV. Z hlediska regulace je lepší zapojení s nabíjecím čerpadlem neboť přednost (nemusí být vždy absolutní jako je to u použití třícestného ventilu) TV před vytápěním řeší sám regulátor vypínáním oběhového čerpadla topného okruhu.
Příprava TV se zásobníkem
Průtoková příprava TV se používá u nástěnných kotlů. Systém přípravy je vzhledem k dynamice děje náročný na regulaci. Ohřev se uskutečňuje přes výměník topná voda/užitková voda a teplota užitkové vody se reguluje teplotou vody z kotle. U dražších modulačních kotlů se ohřev uskutečňuje přes druhý výměník spaliny/užitková voda a užitková voda bývá ihned k dispozici (režim trvalého ohřevu). Ve většině případů spouští přípravu TV snímač průtoku. Tuto regulaci obvykle zajišťuje přímo řídící jednotka kotle. Často se průtoková příprava TV vyskytuje u výměníků tepla, u kterých se dá precizněji regulovat výstupní teplota užitkové vody (spojité řízení ventilu na primární straně), která se snímá čidlem zabudovaným přímo ve výměníku. Paralelně s tím se řídí cirkulační čerpadlo, které zajistí teplou vodu na odběrném místě. V případě žádného odběru regulátor dokáže podle nastaveného režimu trvale udržovat výměník na konstantní teplotě a tím vyrovnávat ztráty v sekundárním okruhu a nebo uzavřít ventil v primárním okruhu a čekat na větší pokles teploty užitkové vody a příkaz od snímače průtoku. Pokud se ještě do sekundárního okruhu zařadí směšovací ventil je příprava TV velice precizní. Průtoková příprava s výměníkem tepla a směšováním v sekundárním okruhu. M M
Regulace bazénové vody je aplikace regulace TUV přes výměník s nižší teplotou a větším množstvím vody. V zásadě se používají dva způsoby. U běžnější, dvoustavové přípravy, se v případě potřeby zapíná nabíjecí čerpadlo a teplota bazénové vody se reguluje teplotou topné vody. U spojité přípravy se spojitě reguluje ventilem na primární straně teplota vody vstupující do bazénu, a to nezávisle od teploty topné vody. Teplota bazénu se snímá čidlem nebo termostatem na vratné vodě z bazénu.
Aplikace regulační techniky. Pří výběru vhodného typu regulátoru je nutno vzít v úvahu několik základních hledisek: • Požadavky uživatele na obsluhu, komfort a provozní úspory. • Složitost a druh topné soustavy. • Výkon topné soustavy. • Návratnost investice na regulaci. • Možnost komunikace a dálkového ovládání.
Slovo na závěr. Tento článek obsahuje informace pouze k regulaci teplovodního vytápění. U jednotlivých názvů typů regulace je uveden orientačně potenciál dosažených úspor oproti neregulované soustavě. Ing. Jan Plašil Siemens s.r.o., Technologie budov
