Systemy sterowania stosowane w układach ogrzewania

Przedmiot: AUTOMATYKA
CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA
TEMAT: Systemy sterowania stosowane w układach ogrzewania wolnostojących
budynków mieszkalnych z wykorzystaniem powietrznej pompy ciepła:
budowa + działanie +przykłady rozwiązao.
Plan referatu:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Wstęp.
Sterowanie – pojęcia podstawowe.
Pompa ciepła – zasada działania.
Krzywa pogodowa (grzania).
Histereza załączania.
Systemy sterowania stosowanie w układach ogrzewania z powietrzną pompą ciepła:
A. Sterowanie powietrznymi pompami ciepła Logatherm WPL firmy Buderus.
B. Sterowanie powietrznymi pompami ciepła Vitocal firmy Viessmann.
C. Sterownik VATRA Logic®.
D. Mikroprocesorowy sterownik pompy ciepła – Minitherm.
E. Regulator Hibernatus.
F. System Danfoss OnLine.
7. Podsumowanie.
8. Bibliografia.
Klaudyna Zoła
SUChiKl
Semestr 09
Rok akademicki 2010/2011
1. WSTĘP:
Zastępowanie człowieka przez wprowadzanie odpowiednich urządzeo, które realizują
czynności nadzoru nad konkretnymi procesami oraz wpływają na przebieg tych procesów w
celu osiągnięcia zamierzonego celu jest w dzisiejszych czasach zauważalne na każdym kroku.
W większości przypadków regulacja automatyczna przyczynia się do zwalniania pracowników
produkcyjnych, jednak w przypadku sterowania układami ogrzewania budynków
mieszkalnych, które wykorzystują powietrzną pompę ciepła, jej zastosowanie poprawia
komfort życia mieszkaoców.
2. STEROWANIE – POJĘCIA PODSTAWOWE:
Sterowanie jest procesem przebiegającym w układzie wydzielonym, w którym jedna lub
więcej wielkości wejściowych oddziałuje na wielkości wyjściowe według prawideł właściwych
danemu układowi. Każdy automatyczny system sterowania składa się z obiektu regulacji i
urządzenia sterującego – regulatora.
Rozróżniamy dwa rodzaje układów regulacji, otwarty oraz zamknięty. W układzie otwartym
jak sama nazwa wskazuje tor oddziaływania przy sterowaniu jest otwarty. Oznacza to, że nie
ma oddziaływania skutku na przyczynę, ale występuje w nim jednoznaczna zależnośd między
skutkami w procesie sterowania, a czynnościami nastawczymi. Taki układ cyklicznie powtarza
czynności według ustalonego programu z chwilą pojawienia się sygnału inicjującego
rozpoczęcie cyklu. Istnieje możliwośd niweczenia skutków tych zakłóceo, które są mierzone.
Przy dużej liczbie zakłóceo lub zakłóceniach niemierzalnych, sterowanie otwarte jest
nieprzydatne do stabilizacji wielkości wyjściowej z obiektu.
W porównaniu z zamkniętymi układami automatycznej regulacji, które reagują dopiero po
pojawieniu się odchylenia regulacji, proces sterowania działa szybciej przy zmianie zakłócenia
i jest stabilniejszy.
Układ sterowania, którego celem jest stabilizacja sygnału wielkości mierzonej na poziomie
sygnału wartości zadanej, nazywamy zamkniętym układem automatycznej regulacji. Kiedy
wartośd mierzona wielkości regulowanej jest równa wielkości zadanej (przez układ nie
przechodzą żadne sygnały), mówimy o równowadze układu. Wykryte przez elementy układu
regulacji odchylenia wywołują przeciwdziałanie regulatora, mające na celu przywrócenie w
jak najkrótszym czasie stanu równowagi. Proces regulacji zaczyna się z chwilą naruszenia
stanu równowagi układu.
3. POMPA CIEPŁA – ZASADA DZIAŁANIA:
W otaczającej nas przyrodzie nagromadzone są duże, wręcz nieograniczone, rezerwy energii
cieplnej, zmagazynowanej w źródłach naturalnych. Energia ta w sposób bezpośredni nie
może byd wykorzystana do celów technicznych lub bytowych z powodu
niskotemperaturowego charakteru tych źródeł, tj. z powodu zbyt niskiej temperatury nośnika
owej energii. Praktycznie temperatura nośników tej energii jest zbliżona do temperatury
otoczenia. Jednak w większości przypadków energię cieplną pochodzącą z tych źródeł można
eksploatowad bezpłatnie lub przy niewielkim nakładzie finansowym co stanowi ich
niewątpliwą zaletę. Z uwagi na to zasoby energii odnawialnych budzą coraz większe
zainteresowanie potencjalnych użytkowników. Z uwagi na niskotemperaturowy charakter
tych źródeł pozyskiwanie z nich energii i przetwarzanie jej dalej do celów bytowych człowieka
wymaga zastosowania pomp ciepła. Pompa ciepła jest urządzeniem, które potrafi pobrad
energię cieplną z otaczającej przyrody i przenieśd ją do systemu grzewczego budynku przy
jednoczesnym „przetworzeniu” jej na wyższy poziom energetyczny Oznacza to, że energia
cieplna przyrody pobierana jest przy niskiej temperaturze nośnika (gruntu, wód
powierzchniowych lub podziemnych, powietrza zewnętrznego), a przekazywana jest do
systemu grzewczego budynku, ale już przy dużo wyższej temperaturze, tak jak pokazane jest
na Rysunku 1. Proces ten zachodzi w obiegu chłodniczym pompy ciepła przy dostarczeniu
elektrycznej energii napędowej. Miejsce skąd pobierane jest ciepło przyrody nazywane jest
dolnym źródłem ciepła, natomiast system grzewczy centralnego ogrzewania (c. o.) lub ciepłej
wody użytkowej (c. w. u.) górnym źródłem ciepła.
Rysunek 1. Przeniesienie energii przez pompę ciepła z dolnego do górnego źródła ciepła.
4. KRZYWA POGODOWA (GRZANIA):
Wszystkie omówione w tym referacie systemy sterowania oparte są na regulacji przy pomocy
tzw. krzywej pogodowej (grzania). Opisuje ona zależnośd wymaganej temperatury zasilania
instalacji od temperatury zewnętrznej. Czujnik temperatury zewnętrznej sterownika stale
mierzy aktualną temperaturę na zewnątrz budynku dopasowując do niej temperaturę
zasilania w zależności od temperatury pokojowej jaką chcemy uzyskad. Pochylenie krzywej
pogodowej uzależnione jest między innymi od izolacji budynku, rodzaju zainstalowanych
grzejników czy lokalnych warunków klimatycznych.
Krzywa grzania przy uruchamianiu regulatora jest ustawiana przez instalatora. Korekty
nastaw regulatora dokonujemy tylko w przypadku gdy przy niskich temperaturach
zewnętrznych mimo całkowicie otwartych zaworów termostatycznych, zamkniętych drzwiach
i oknach, zadana temperatura nie jest osiągana przez bardzo długi okres czasu.
Za wysoko dobrana krzywa grzania spowoduje wysokie temperatury zasilania i większe
zużycie energii elektrycznej, dlatego przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych np.
-20 ºC powietrzna pompa ciepła zostaje zatrzymana, aby ograniczyd zużycie energii. Funkcję
grzania może przejąd w takim wypadku kocioł gazowy lub dogrzewacz elektryczny. W
przypadku stosowania tego ostatniego, jeżeli całe ciepło jest w ten sposób wytwarzane,
czujnik temperatury ogranicza maksymalną jest wartośd temperatury na zasilaniu.
Krzywa pogodowa dobrana za nisko oznacza, że temperatury wewnętrzne zostaną osiągnięte
po dłuższym czasie lub nawet nigdy nie zostaną osiągnięte. W takich przypadkach zalecane
jest w pierwszej kolejności ustawienie wyższej temperatury pokojowej, a dopiero później
zmiana krzywej.
Rysunek 2. Przykładowa krzywa pogodowa.
5. HISTEREZA ZAŁĄCZANIA:
Kolejnym elementem wspólnym dla wszystkich sterowników jest histereza załączania.
Sterowniki sterują pompą ciepła tak, aby utrzymywad temperaturę zbiornika buforowego na
zadanym poziomie plus tzw. offset. Histereza regulacji pompy ciepła zmienia się w zależności
od żądanej temperatury i producenta regulatora. Np. przy zadanej temperaturze 35 ºC
histereza wynosi 7 K, zaś przy temperaturze żądanej 65 ºC – 3 K. Zmienna histereza pompy
powoduje zmniejszenie ilości załączeo sprężarki i wydłużenie odcinków czasu pracy. Ma to
bezpośredni wpływ na zmniejszenie zużycia energii i trwałości poszczególnych elementów
pompy ciepła. Osobno ustawiana jest także histereza załączania zbiornika ciepłej wody
użytkowej.
Rysunek 3. Histereza załączania pompy ciepła.
6. SYSTEMY STEROWANIA STOSOWANIE W UKŁADACH OGRZEWANIA Z POWIETRZNĄ POMPĄ
CIEPŁA:
A. STEROWANIE POWIETRZNYMI POMPAMI CIEPŁA LOGATHERM WPL FIRMY BUDERUS:
Firma Buderus w swoich powietrznych pompach ciepła stosuje centrale sterujące
Rego 800. W skład systemu sterowania wchodzą dodatkowo czujniki: temperatury
zewnętrznej, temperatury instalacji grzewczej, temperatury pokojowej, temperatury
ciepłej wody użytkowej, odszranianie parownika oraz temperatury wewnętrzne
instalacji.
T1 – temp. zasilania
T2 – temp. zewnętrzna
T3 – temp. podgrzewacza
T5 – temp. pokojowa
T6 – temp. gazu gorącego
T8 – temp. wody grzewczej
(wyłączanie)
T9 – temp. wody grzewczej
(włączanie)
T10 – temp. skraplacza
T11 – temp. czynnika
chłodniczego w parowniku
T12 – temp. Powietrza w
parowniku
Rysunek 4. Pozycja czujników temperatury.
Cechy sterownika Rego 800:












wizualizacyjne przedstawienie wielu poziomów regulacji temperatury,
automatyczne odszranianie,
komunikacja między płytkami obwodów elektronicznych za pomocą magistrali CAN,
możliwośd dokonywania korekcji wskazao czujników,
automatyczne przełączanie trybu lato/zima,
możliwośd sterowania czasowego pracą instalacji systemu grzewczego oraz systemu
ciepłej wody użytkowej,
nieograniczona pamięd sterownika,
podtrzymywanie pamięci sterownika przy zaniku zasilania elektrycznego,
autodiagnozowanie awarii (w przypadku ustąpienia przyczyny awarii sterowanie
uruchamia pompę ciepła ponownie),
automatyczny tryb zapobiegający zablokowaniu pomp obiegowych w czasie dłuższego
postoju urządzenia,
priorytetowa produkcja ciepłej wody użytkowej,
monitorowanie czasu pracy urządzeo grzewczych,


wyposażenie sterownika w czujnik kolejności faz i czujnik zaniku faz,
sygnalizacja alarmu poprzez sygnał świetlny lub dźwiękowy.
B. STEROWANIE POWIETRZNYMI POMPAMI CIEPŁA VITOCAL FIRMY VIESSMANN:
Firma Viessmann montuje w swoich układach regulatory Luxtronic. Wyposażenie wchodzące
w skład tego układu sterowania oprócz samego regulatora oraz większośd funkcji jest
analogiczna jak w przypadku sterowania pompą Logatherm.
C. STEROWNIK VATRA LOGIC®:
Jest to sterownik dedykowany do powietrznych pomp ciepła VATRA. Umożliwia jednoczesne
sterowanie wieloma układami , m. in. :
 ciepłej wody użytkowej,
 wody lodowej,
 ogrzewania podłogowego,
 dodatkowego c. o.,
 dezynfekcji ciepłej wody użytkowej,
 dolnego źródła ciepła,
 kaskadowego połączenia pompy ciepła,
 solarnym,
 podgrzewania wody basenowej,
 chłodzenia klimakonwektorami,
 centrali klimatyzacyjnej.
Automatyka pompy ciepła VATRA ma budowę modułową. Aby skonfigurowad automatykę do
konkretnej instalacji należy daną pompę ciepła wyposażyd w moduły wykonawcze niezbędne
do obsługi poszczególnych bloków instalacji. Należy je zestawiad ze sobą w określony sposób
tworząc daną aplikację odpowiadającą wymaganej instalacji. Moduły wykonawcze
zabudowane są na zewnątrz pompy ciepła w tzw. szafie sterującej, która wyposażona jest
również w odpowiednią aparaturę łączeniową.
Poprzez zastosowanie odpowiedniej aplikacji pompa ciepła ma możliwośd dostosowania się
do danego obiektu, obniżając koszty eksploatacji do minimum i spełniając przy tym wszystkie
wymogi współczesnych regulatorów.
Rysunek 5. Sposób podłączenia sterownika VATRA.
D. MIKROPROCESOROWY STEROWNIK POMPY CIEPŁA:
Sterowniki programowalne (PLC, ang. Programmable Logic Controllers) są komputerami
przemysłowymi, które mogą byd zaprogramowane przez użytkownika do wykonania
sekwencji zdarzeo.
Sterownik Minitherm (PLC) integruje w sobie wszystkie niezbędne funkcje dla regulacji
pompą ciepła, dwóch obwodów grzewczych, c. w. u., kolektora słonecznego, kominka,
ogrzewania basenowego oraz centrali wentylacyjnej chłodu. Posiada jedno konfigurowalne
wejście dla wykorzystania przez użytkownika.
Sterownik składa się z następujących elementów:
 płyty sterownika wbudowanej w pompę ciepła,
 modułu pomieszczeniowego z wyświetlaczem LCD,
 czujników pomieszczeniowych,
 urządzeo peryferyjnych – czujniki, pompy, siłowniki, itp.,
 modułu komunikacji GSM,
 modułu komunikacji internetowej.
Niektóre funkcje sterownika Minitherm:
 zaawansowana diagnostyka błędów i uszkodzeo,
 bieżące wyliczanie współczynnika sprawności układu,
 praca w systemie dwutaryfowym z funkcją buforowania energii,
 sterowanie grzałkami elektrycznymi,
 niezależne sterowanie dwoma strefami grzewczymi,
 zaawansowane programy czasowe (tygodniowe, wakacyjne, nieobecności),
 sterowanie podstawowymi funkcjami za pomocą telefonu,
 zaawansowane algorytmy predykcji ciągle zmieniających się warunków pracy,
 sterowanie pomp kaskadowo,
 współpraca z układem zasilania awaryjnego.
E. REGULATOR HIBERNATUS:
Hibernatus jest mikroprocesorowym układem regulującym pracę pompy ciepła. Steruje
załączaniem sprężarki, pompami obiegowymi dolnego i górnego źródła ciepła, załączeniem
dodatkowego źródła ciepła (źródło biwalentne), pompą ładowania zasobnika ciepłej wody
użytkowej i alternatywnie pompą cyrkulacyjną centralnego ogrzewania lub w trybie
chłodzenia pompą dodatkowego dolnego źródła. Regulator mierzy temperatury: zewnętrzną
lub wody lodowej, górnego źródła ciepła , dolnego źródła ciepła , c. w. u. oraz temperaturę
wewnętrzną.
We wszystkich trybach dodatkowe źródło ciepła załączy się, jeśli sprężarka pompy ciepła
będzie pracowała bez przerwy przez czas dłuższy niż zadany w odpowiednim parametrze.
Regulator posiada wbudowany interfejs komputerowy. Za jego pomocą można dokonywad
odczytów temperatur zmierzonych i wyliczonych przez regulator, odczytywad i wpisywad
wszystkie nastawy pracy regulatora. Współpraca przez ten interfejs może byd prowadzona
np. pomiędzy regulatorem a komputerem z odpowiednim oprogramowaniem, lub układem
monitoringu temperatur. Drugim interfejsem regulatora jest interfejs do sterowania
modułami rozszerzeo. Wbudowany zegar elektroniczny pozwala na realizowanie dwóch stref
obniżeo temperatury w ciągu doby – oddzielenie dla dni roboczych i dla soboty-niedzieli.
Podłączenie do komputera lub modemu telefonicznego wykonywane jest na życzenie
użytkownika na osobne zamówienie.
Rysunek 6. Program do współpracy z powietrzną pompą ciepła Hibernatus.
F. SYSTEM DANFOSS ON LINE:
Danfoss OnLine to rozwiązanie umożliwiające zdalną kontrolę i monitoring pompy ciepła z
wykorzystaniem bezprzewodowej transmisji danych GSM – GPRS. System ten składa się z
modułu elektronicznego, karty SIM oraz anteny zewnętrznej. Pompa podłączona do systemu
komunikuje się przez GPRS z serwerem, następnie użytkownik logując się na stronie
internetowej producenta za pomocą przeglądarki internetowej może przejrzed parametry
pracy pompy ciepła oraz dokonad ich zmiany. System OnLine posiada funkcje alarmów
tzn. w momencie wykrycia potencjalnej usterki lub błędnych parametrów pracy
komputer automatycznie wysyła powiadomienie na adres e-mail lub pod wskazany
telefon komórkowy w postaci wiadomości SMS.
Rysunek 7. Zmiana temperatury wewnętrznej w systemie Danfoss OnLine.
Parametry, które możemy odczytad i dokonad ich korekty to :
 temperatura pomieszczenia,
 temperatura zewnętrzna ,
 temperatura ciepłej wody użytkowej,
 tryb pracy,
 czas pracy urządzenia (w tym sprężarki i podgrzewaczy pomocniczych),
 krzywa grzewcza.
7. PODSUMOWANIE:
Wszystkie systemy sterowania układami ogrzewania z powietrzną pompą ciepła, które są
wykorzystywane w budynkach mieszkalnych mają ten sam mechanizm regulacji oparty na
krzywych pogodowych. Różnice pojawiają się przy sposobie realizacji dodatkowych funkcji
np. takich jak odszranianie parownika. Większośd producentów bardziej skłania się ku
ulepszaniu wyglądu samych regulatorów czy stosowaniu graficznego menu, niż skupieniu się
na sterowaniu zapewniającemu jak najmniejsze zużycie energii.
8. BIBLIOGRAFIA:



Bonca Z.: Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna; Wydawnictwo Uczelniane WSM
Gdynia 1998;
Materiały instalacyjne firm Viessmann i Buderus;
Materiały reklamowe firm Buderus, Solis, Danfoss, Hibernatus, Vatra S.A.