Wykorzystanie systemu KNX (EIB) do sterowania ogrzewaniem w

Wykorzystanie systemu KNX (EIB) do sterowania ogrzewaniem w

Wykorzystanie systemu KNX do sterowania ogrzewaniem w
budynkach
Zachowanie komfortu cieplnego jest najbardziej oczywistym i jednocześnie niezbędnym
warunkiem dobrego samopoczucia
mieszkańców. Zastosowanie w tym
obszarze
nowoczesnych rozwiązań automatyki budynkowej nie tylko podnosi warunki przebywania na
wyższy poziom, ale również zapewnia znacznie bardziej optymalną eksploatację instalacji
grzewczej oraz minimalizuje koszty późniejszej eksploatacji obiektu.
Już od dawna producenci urządzeń stosowanych do ogrzewania budynków wprowadzali
elementy automatycznej regulacji w tym zakresie. Jednak większość z nich działała
autonomicznie i nie zawsze znajdowała zastosowanie w małych i średnich obiektach ze
względu na swój koszt. Wykorzystanie magistrali KNX aspirującej do miana zintegrowanego
systemu sterowania pozwala użytkownikowi na włączenie zaawansowanego sterowania
ogrzewaniem również do takich obiektów.
Przykładowy rozkład żądanych temperatur w mieszkaniu
Sterowanie ogrzewaniem uwzględniające indywidualne potrzeby użytkowników jest jednym
z zasadniczych powodów wprowadzenia do realizacji tak zwanej pomieszczeniowej
/miejscowej regulacji temperatury. Taka regulacja znajduje zastosowanie w budynkach
mieszkalnych (domki, wille, apartamentowce) oraz użyteczności publicznej (biura, hotele,
szkoły). Stosowanie indywidualnych regulatorów pokojowych pozwala na różnicowanie
temperatury w każdym pomieszczeniu lub grupie pomieszczeń, zwiększając komfort pobytu
jak i przyczyniając się do zmniejszenia kosztów eksploatacji. Należy zauważyć, że obniżenie
temperatury pomieszczenia tylko o 1°C skutkuje 6% zmniejszeniem poboru energii.
Wykorzystując do regulacji temperatury dodatkowo czujniki obecności i możliwość
sterowania czasowego uzyskujemy zdecydowaną przewagę nad tradycyjnymi systemami
ogrzewania. Takie rozwiązania przewiduje się również w urządzeniach sterujących pracą
instalacji grzewczych nowszej generacji, lecz są to dalej instalacje autonomiczne, nie
pozwalające na kompleksową obsługę obiektu, a ponadto często wymagające od
użytkownika wyższego poziomu wiedzy technicznej potrzebnej przy ich obsłudze.
Ogólny schemat blokowy pomieszczeniowej regulacji temperatury.
Zasadniczym elementem jest regulator, który na podstawie, odbieranej ze znajdującego się
w pomieszczeniu czujnika, mierzonej wartości temperatury i ustawionego zadania
wypracowuje sposób sterowania zaworem grzejnikowym.
Przy projektowaniu instalacji KNX należy zwrócić uwagę na odpowiedni dobór sposobu
regulacji do przewidzianego do realizacji rodzaju instalacji grzewczej oraz potrzeb
użytkownika. Właściwy wybór zapewni użytkownikowi wymaganą jakość regulacji, a
jednocześnie pozwoli uniknąć dodatkowych kosztów materiałowych. Zalecane zestawienie
jest pokazane w tabeli:
Zalecany sposób regulacji
Instalacja
grzewcza
2-położeniowa
PWM
PI
układy niskotemp.
z grzejnikami
X
X
podookiennymi
ogrzewanie
elektryczne
X
układy
wysokotemp. z
grzejnikami
X
X
X
X
podookiennymi
wodne ogrzewanie
podłogowe
układy grzewczoklimatyzacyjne
X
Warianty miejscowej regulacji temperatury i rodzaje wykorzystanych urządzeń przy realizacji takiej instalacji w
systemie KNX.
Regulacja dwupołożeniowa
Zawory grzejnikowe w tym sposobie regulacji ustawiane są, w dwóch skrajnych stanach
otwarty(100%)/zamknięty(0%). Upraszczając układ do jednego pokoju, należy użyć trzech
elementów: pokojowego regulatora temperatury z czujnikiem pomiarowym, elementu
wykonawczego w postaci wyjścia binarnego i dowolnego elektrozaworu grzejnikowego Idea
regulacji dwupołożeniowej sprowadza się do takiego sterowania zaworem, aby po obniżeniu
się temperatury poniżej wartości zadanej minus ½ zakresu histerezy następowało załączanie
zaworu, a gdy temperatura pomieszczenia wzrośnie powyżej temperatury zadanej plus ½
zakresu histerezy następowało wyłączanie zaworu. Przykładowo ustalając w regulatorze
temperaturę zadaną na 22°C przy histerezie równej 2°C, włączanie zaworu będzie
następowało po obniżeniu się temperatury pomieszczenia poniżej 21°C a wyłączanie po
przekroczeniu temperatury 23°C. Na rysunku 3 pokazane są przykładowe przebiegi zmian
wartości mierzonej temperatury w pomieszczeniu przy takim sposobie regulacji. Zmiany
temperatury oscylują wokół temperatury zadanej, a częstotliwość tych oscylacji jest zależna
od bezwładności cieplnej pomieszczenia oraz szerokości pętli histerezy. Ten typ sterowania
często stosuje się w układach niskotemperaturowych z grzejnikami podokiennymi oraz
ogrzewania elektrycznego, w tym podłogowego. Z zasady działania wynika, że temperatura
ulega ciągłym wahaniom wokół punktu wyznaczonego przez wartość temperatury zadanej.
Niestety wielkość powstających przy tym przeregulowań temperatury w bardzo dużym
stopniu zależy od charakterystyki cieplnej pomieszczenia, szczególnie jego bezwładności. Im
większa tym większe wahania temperatury. Dlatego w pomieszczeniach gdzie możemy
spodziewać się również potrzeby współdziałania z klimatyzacją ten sposób regulacji nie jest
zalecany.
Regulacja PWM (modulacja szerokości impulsu)
Również w tym sposobie regulacji zawory grzejnikowe ustawiane są, w dwóch stanach
(zamknięty(0%)/otwarty(100%). Jednak algorytm ich sterowania jest nieco bardziej złożony.
Zastosowane są takie same elementy, które stosowano do wcześniej opisanego sposobu
regulacji, czyli regulator, wyjście binarne, zawór. Zadaniem regulatora jak poprzednio jest
porównywanie zadanej wartości temperatury z temperaturą mierzoną. Na podstawie tych
danych wyznaczana jest krzywa regulacji (0%100%) Następnie zgodnie z krzywą formowane
są impulsy, których szerokość jest wprost proporcjonalna do wartości sygnału na początku
okresu impulsowania.
Krzywa nastawy i sterowanie zaworem w regulacji PWM
Przykładowo, jeśli wyliczona wartość sterująca na początku okresu impulsowania wynosiła
20% to szerokość impulsu (czas jego trwania) również będzie wynosić 20% okresu.
Przyjmując, że okres impulsowania wynosi 15 min, to czas trwania impulsu będzie równy
3min. (Zawór zostanie otwarty na 100% na czas 3min.). Średnia wartość wyjściowa
regulatora jest w tym przypadku zmienna w sposób ciągły, mimo że mamy tylko dwa
możliwe położenia zaworów. Okres impulsowania powinien być dobierany odpowiednio do
układu grzewczego, tak aby otrzymać najlepszą jakość regulacji, czyli najmniejsze wahania
temperatury. Ten typ sterowania stosuje się w systemach: z podokiennymi grzejnikami
konwekcyjnymi oraz z wodnym ogrzewaniem podłogowym. Obiekt sterujący (sterowanie
wyjściem binarnym) przesyła wartość1-bitową.
Regulacja PI (proporcjonalno-całkowa)
Ten algorytm regulacji wymaga zastosowania elektrozaworów ze sterowanym stopniem
otwarcia. Oferowane tego typu zawory mają możliwość bezpośredniego podłączenia do
magistrali KNX, co pozwala też uprościć instalację. Stopień otwarcia/zamknięcia zaworu
przesyłany jest jako wartość jednobajtowa (0-255). Zatem przy tym sposobie regulacji w
systemie KNX należy użyć dwóch urządzeń: pokojowego regulatora temperatury i
elektrozaworu proporcjonalnego (ciągłego).
Regulacja tego typu jest regulacją ciągłą, zapewniającą najdokładniejsze utrzymanie
założonych parametrów. Dla przykładowej krzywej regulacji w danym okresie czasu
uzyskanej na podstawie porównania wartości zadanej z wartością zmierzoną jest ustalany
stopień otwarcia zaworu.
Telegram na magistralę jest wysyłany, kiedy wartość wyjściowa jest większa lub mniejsza o
10% (wartość ta może byćą, wynikającą z potrzeb). W tym trybie regulacji mamy największe
możliwości ustalania parametrów regulatora, a zatem dopasowania do danej instalacji
grzewczej. Zastosowanie tego typu regulacji pociąga za sobą jednak trochę większe koszty ze
względu na konieczność umieszczenia na wszystkich źródłach ciepła droższych elementów
wykonawczych. Ten typ sterowania najczęściej stosuje się w systemach: ogrzewania
wysokotemperaturowego oraz układów grzewczo klimatyzacyjnych.
Chociaż ten rodzaj regulacji wymaga poniesienia przez inwestora najwyższych nakładów w
trakcie inwestycji to daje możliwość przy odpowiednim wyborze źródła ciepła pełnej kontroli
nad całością instalacji grzewczej, a przez to optymalizacją dostarczanej mocy cieplnej. Daje
to możliwość dalszego znaczącego obniżenia kosztów eksploatacji.
Regulacja PI ze sterowaniem kotła CO
Z punktu widzenia zarządzania obiektem włączenie do regulacji następnego urządzenia,
jakim jest kocioł grzewczy zwiększa jego kompletność i podnosi standard, a jednocześnie ma
cechy, które dobrze byłoby omówić oddzielnie.
Obecnie niektórzy producenci urządzeń grzewczych, wyposażają swoje autonomiczne
systemy sterowania w interfejsy/sterowniki standardu KNX, dzięki czemu możliwe staje się
sterowanie i monitorowanie pracy kotła z poziomu systemu KNX. W takim układzie
sterowania pokojowy/indywidualny regulator temperatury steruje zaworem zgodnie z
wymaganiami użytkownika jak dla regulacji typu PI, a dodatkowo sygnał statusu położenia
zaworu wpływa na ustawienia parametrów grzewczych kotła. Po odczytaniu wartości
położeń zaworów (uwzględniane są wszystkie zawory
obiegów grzewczych, a ich
maksymalna ilość zależy od możliwości sterownika kotła) kocioł automatycznie dopasowuje
temperaturę wyjściowa czynnika do potrzeb budynku przez przestawienie zaworu
mieszającego, a także sterowanie pracą pompy cyrkulacyjnej i palnika.
Blokowy schemat instalacji dla regulacji PI ze sterowaniem kotła CO
Interfejs KNX-DDC oraz sterownik kotła należy traktować jako jedno urządzenie, które jest
dostarczane przez producenta kotła. Uzyskane w ten sposób oszczędności energii mogą
sięgać nawet do 20%. Ponadto wszystkie bieżące wartości takie jak temperatura zadana,
zmierzona, komunikaty błędów są wysyłane na magistralę KNX i mogą zostać wyświetlone na
panelach LCD znajdujących się w budynku. To znacząco zwiększa wygodę obsługi i pozwala
na pełen nadzór również zdalny. Na rys. 9 przedstawiona jest przykładowa krzywa grzewcza
kotła, gdzie widaćżność temperatury czynnika grzewczego od temperatury zewnętrznej oraz
wpływ stopnia otwarcia zaworów na tą krzywą.
Krzywa grzewcza kotła CO i zakres jej zmian
Aby ograniczenie kosztów eksploatacji było nadrzędnym celem w projektowanej instalacji
KNX nie możemy zapomnieć o wykorzystaniu czujników otwarcia, zamykających dopływ
czynnika grzewczego do pomieszczenia w czasie jego wietrzenia. Stosowane w
pomieszczeniach regulatory KNX dla wszystkich omówionych sposobów regulacji posiadają
możliwość przełączenia w tryb ochrony przeciwzamrożeniowej po otrzymaniu telegramu
sygnalizującego otwarcie okna. Należy podkreślić, że przedstawione rodzaje sterowania
ogrzewaniem nie wyczerpują wszystkich możliwości. Są to właściwie tylko podstawowe
rodzaje dostępne w fabrycznych aplikacjach regulatorów temperatury. Czasami konieczne
jest podejście bardziej dopasowane do charakteru obiektu, w tym stosowanie własnych
algorytmów, zmodyfikowanych w stosunku do standardowych, implementowanych w
modułach logicznych o odpowiedniej do tego celu mocy obliczeniowej.
Podsumowując, wykorzystanie magistrali KNX z jej możliwością centralnego sterowania i
kompleksowego nadzoru instalacji grzewczej przy jednoczesnym spełnianiu indywidualnego
zapotrzebowania na ciepło w dowolnym fragmencie budynku wprowadza nową jakość do
pojęcia komfortu cieplnego. Jednocześnie możliwość wyboru wariantu regulacji pozwala
dopasować poziom wymaganych w czasie inwestycji kosztów do rzeczywistych potrzeb
użytkownika.
mgr inż. Krzysztof Sowiński - "Elektroinstalator” nr 9/2003