07 PODLEJSKI_Felcenl.. - Politechnika Wrocławska

07 PODLEJSKI_Felcenl.. - Politechnika Wrocławska

Nr 63
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 63
Studia i Materiały
Nr 29
2009
sterowanie instalacją grzewczą,
odnawialne źródła energii, LabVIEW
Krzysztof PODLEJSKI*, Łukasz FELCENLOBEN*
ZASTOSOWANIE ŚRODOWISKA LabVIEW
DO STEROWANIA PRACĄ INSTALACJI GRZEWCZEJ
Z ODNAWIALNYMI ŹRÓDŁAMI ENERGII
W artykule opisano sposób sterowania instalacją grzewczą obiektów mieszkalnych, zasilaną z wybranych źródeł energii odnawialnej. Sterowanie i kontrola procesu zostały zrealizowane w środowisku
LabVIEW. Podstawą do opracowania programu są pomiary wartości, odpowiednio zdefiniowanych,
temperatur w całym systemie. Zaproponowane rozwiązanie nie uwzględnia właściwości dynamicznych wykorzystywanych urządzeń. Zależą one także od kubatury ogrzewanego obiektu
i będą przedmiotem dalszych prac.
1. WSTĘP
Technologie ogrzewania budynków, przechodzą w ostatnich latach zasadnicze
zmiany. Polegają one na rezygnacji z ogrzewania budynków za pomocą tradycyjnych kotłów opalanych drzewem, węglem, gazem. Coraz większym zainteresowaniem cieszą się systemy wykorzystujące energię zmagazynowaną w otoczeniu –
energię odnawialną (pompy ciepła, absorbujące energię słoneczną systemy solarne, mini elektrownie wodne, wiatrowe, uzyskiwanie biogazu) [2, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
10, 11, 12]. Technologie te wymagają do prawidłowego działania wsparcia pomiarowo – kontrolno – sterującego. Dostępne pojedyncze urządzenia są wyposażone w odpowiednie sterowniki z wejściami pomiarowymi. Realizacja systemu
grzewczego złożonego z kilka różnych urządzeń wymaga opracowania systemu
koordynującego ich współdziałanie w celu uzyskania w zakresie pomiarów i ste__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-370 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected]
rowania jest LabVIEW [1, 3]. Praca w LabVIEW opiera się na jednoczesnym tworzeniu interfejsu graficznego programu oraz diagramu odpowiedzialnego za realizowanie pożądanych operacji przyrząd wirtualny VI (virtual instrument), posiadający interfejs graficzny. Przyrząd ten umożliwia: pomiary wartości wielkości
fizycznej i ich analizę, sterowanie obiektem, wykrywanie błędów, tworzenie systemów wirtualnych (symulacja) i rzeczywistych, poprzez specjalizowane karty
pomiarowe.
2. KONCEPCJA STEROWANIA, ALGORYTM PROGRAMU
Struktura ogrzewania obiektu składa się z dwóch niezależnie działających układów:
a) hydraulicznego systemu grzewczego z pompą ciepła oraz instalacją solarną,
b) wentylacji z odzyskiem ciepła, wspomaganej przez gruntowy wymiennik ciepła.
Schemat systemu hydraulicznego przedstawia rysunek 1. Ogrzewanie budynku i przygotowanie ciepłej wody użytkowej realizowane jest przez system hydrauliczny wyposażony w pompę ciepła oraz instalację solarną. Zaletą takiego rozwiązania jest
możliwość wygodnego sterowania urządzeniami, opierającego się na pomiarze temperatur poszczególnych elementów układu grzewczego.
W strukturze instalacji hydraulicznej, wyróżnia się następujące obiegi:
a) obwód z pompą ciepła:
-obieg zbiornika buforowego
-obieg zbiornika c.w.u (ciepłej wody użytkowej)
b) obwód z instalacją solarną:
-obieg zbiornika c.w.u.
-obieg zbiornika buforowego
c) obwód ze zbiornikiem buforowym:
-obieg grzewczy budynku
-obieg zbiornika c.w.u.
Możliwość przełączania pomiędzy poszczególnymi obiegami zapewnia odpowiednie rozmieszczenie zaworów trójdrożnych oraz zaworów zwrotnych. Przepływ
w instalacji, poza samą pompą ciepła, wymuszają dodatkowo dwie pompy obiegowe:
PC01 wchodząca w skład obiegów bufora ciepła oraz PC02 współpracująca z obiegami należącymi do instalacji solarnej. Pełne wykorzystanie urządzeń wymaga zastosowania w układzie hydraulicznym zbiornika buforowego. Zbiornik akumuluje także
ciepło wytworzone przez pompę ciepła w tańszej taryfie nocnej. Jeśli pokryte będzie
zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową przekazana będzie do niego również energia wyprodukowana przez kolektory słoneczne. Zmianę kierunku przepływu zapewnia
odpowiednie ustawienie zaworu trójdrożnego Z4.
Rys. 1. Schemat układu hydraulicznego
Fig. 1. Schematic diagram of the hydraulic system
Zasilanie zbiornika buforowego odbywa się za pośrednictwem dwóch króćców
przyłączeniowych znajdujących się za zaworem trójdrożnym Z2, to umożliwia warstwowe ładowanie zbiornika buforowego. Ogrzana woda zgromadzona w górnej części zbiornika buforowego kierowana jest do zadanego obiegu grzewczego za pośred-
nictwem zaworu trójdrożnego Z3. W celu ograniczenia spadku sprawności pracy
pompy ciepła występującego w sytuacji, gdy temperatura medium powracającego
do urządzenia jest zbyt niska, układ został wyposażony w regulację temperatury cieczy zasilającej pompę ciepła. Zrealizowano to za pomocą przyłączenia do zaworu
trójdrożnego Z5, dwóch króćców przyłączeniowych zbiornika buforowego, znajdujących się na różnych poziomach cieplnych zbiornika. Energię wytwarzaną za pośrednictwem pompy ciepła można skierować do zbiornika buforowego lub zasobnika
c.w.u, drogę przepływu określa zawór trójdrożny Z1. Przedstawiony na rysunku 1
zbiornik c.w.u., wyposażony jest w dwie wężownice: górna zasilana jest z obiegu
pompy ciepła, dolna z obiegu instalacji solarnej. Odbiór przygotowanej cieplej wody
użytkowej odbywa się za pomocą instalacji rozprowadzającej przyłączonej do górnego króćca zbiornika. Do dolnego przyłącza doprowadzana jest woda z instalacji zasilającej np. wodociągu. System wentylacji z gruntowym wymiennikiem ciepła spełnia
funkcję układu minimalizującego koszty eksploatacyjne instalacji hydraulicznej zapewniając dodatkowo równomierny rozkład temperatury w poszczególnych pomieszczeniach budynku. W miesiącach letnich system wentylacyjny wykorzystywany jest
do chłodzenia budynku.
START
DANE WEJŚCIOWE
STEROWANIE
INSTALACJĄ
HYDRAULICZNĄ
STEROWANIE
INSTALACJĄ
SOLARNĄ
STEROWANIE
INSTALACJĄ
WENTYLACYJNĄ
Rys. 2. Podstawowa struktura algorytmu
Fig. 2. The basic structure of the control algorithm
Poprawna praca układu grzewczego wymaga ciągłego pomiaru wartości temperatury zewnętrznej, wewnętrznej oraz wartości temperatur poszczególnych elementów
układu: kolektora słonecznego, zbiornika buforowego, zasobnika ciepłej wody użyt-
kowej itd. Zebrane w ten sposób informacje odnoszone są do wartości temperatur
zadanych przez użytkownika, temperatury wewnętrznej oraz temperatury ciepłej wody użytkowej. Efektywność pracy układu poprawiają zamontowane w pomieszczeniach czujniki ruchu, dostarczające informacje o obecności domowników (funkcja
redukcji wartości zadanych temperatur). Zasadnicza struktura algorytmu przedstawiona jest na Rys. 2. Na postawie funkcji realizowanych w trzech gałęziach tego algorytmu opracowano szczegółowe instrukcje dla programu pomiarowo – sterującego
w LabVIEW.
Rys. 3. Uproszczony algorytm sterowania instalacją hydrauliczną
Fig. 3. Simple control alhorithm of the hydraulic system
Na Rys.3 pokazano zarys sterowania instalacją hydrauliczną. Pełny algorytm sterowania uwzględnia analizę wyników pomiarów wartości temperatur w układzie
i warunki ogrzewania zbiornika buforowego uwzględniające minimalizację kosztów
eksploatacji układu. Opracowano także algorytmy sterowania instalacją solarną
(na podstawie pomiaru różnicy temperatur: kolektor – zasobnik c.w.u i kolektor
– zbiornik buforowy) i wentylacyjną (z rekuperatorem) z uwzględnieniem pory roku.
3. OPIS PROGRAMU
Całość programu zawarta jest w pętli WHILE LOOP, której zadaniem jest zapewnienie cyklicznego realizowania procedur zawartych w jej wnętrzu. Zasadnicze części
programu realizujące sterowanie poszczególnymi urządzeniami zawarte są pętlach
warunkowych CASE powiązanych odpowiednio z instalacją hydrauliczną, solarną
oraz wentylacyjną. Na Rys. 4 pokazano interfejs obrazujący proces ogrzewania
w obiekcie.
Rys. 4. Interfejs graficzny programu
Fig. 4. Front panel in LabVIEW
W zakładce PANEL STEROWANIA, użytkownik definiowane są dwa przedziały
czasu, w których priorytetem pracy systemu jest ogrzewanie zasobnika ciepłej wody
użytkowej (c.w.u.). Z poziomu tej zakładki można przełączyć system pracy wentylacji i hydrauliki z trybu automatycznego na tryb manualny lub zatrzymać pracę któregoś z nich, bądź całości systemu. Pełny wgląd w procesy zachodzące w układzie
grzewczym obiekty zapewniają dwie wizualizacje oraz wskaźniki przedstawione
w zakładkach WSKAZANIA – HYDRAULIKA i WSKAZANIA – WENTYLACJA.
Rola użytkownika ogranicza się do wprowadzenia parametrów początkowych, poprzez zakładkę PARAMETRY POCZĄTKOWE, zadawanie wartości temperatury wewnętrznej oraz temperatury ciepłej wody użytkowej (zakładka WARTOŚCI ZADANE).
Rys. 5. Przykładowa struktura CASE dla instalacji hydraulicznej
Fig. 5. The hydraulic system – exemplary structure CASE
Na Rys. 5 przedstawiono przykładowy diagram procedur realizowanych w „taryfie
nocnej”, których celem jest maksymalne (zgodnie z założoną wartością temperatury)
dogrzanie zbiornika buforowego. Analogiczne struktury zbudowano dla pozostałych
części algorytmu podstawowego (Rys.1).
4. BADANIA EKSPERYMENTALNE
Poprawność pracy programu zweryfikowano dwukrotnie: statycznie i dynamicznie.
Sprawdzenie statyczne polegało na kontrolowaniu zgodności instrukcji realizowanych
przez program z algorytmem. Zadawano poszczególne wartości temperatur, które
w warunkach rzeczywistej pracy program otrzymywałby z czujników pomiarowych
a następnie kontrolowano poprawność odpowiedzi programu.
Druga metoda zakładała weryfikację programu przy dynamicznie zmieniających
się wartościach temperatur. Zapewnienie takich warunków wymagało zbudowania
symulatora zmian wartości zdefiniowanych temperatur. Symulacja umożliwia wymuszenie wykonywania procedur realizowanych w różnych trybach pracy programu (np.
taryfa nocna, priorytetowe ogrzewanie ciepłej wody użytkowej lub nieobecność
mieszkańców). Taki sposób badania programu umożliwił ocenę poprawności wykonywanych dynamicznie instrukcji. Na Rys. 6 przedstawiono przypadek konieczności
dogrzania obiektu
Rys. 6. Test instalacji w warunkach dynamicznych
Fig. 6. Dynamic experimental conditions
oraz zbiornika ciepłej wody użytkowej. Zakładka WARTOŚCI ZADANE umożliwia
podgląd wartości temperatur zmierzonych oraz zadanych, wynoszących:
- temperatura wewnętrzna, Tw=15°C
- temperatura zadana wewnętrzna, Tzw=26°C
- temperatura górnej wężownicy w zbiorniku c.w.u., T3=30°C
- temperatura zadana ciepłej wody użytkowej Tz c.w.u.=50°C
Zidentyfikowano priorytetowy stan ogrzewania ciepłej wody użytkowej. Ponieważ
temperatura medium zgromadzonego w górnym poziomie zbiornika buforowego
(T5=36,4°C) jest niższa od temperatury pozwalającej na załączenie pompy rozładowującej PC01 (TB1=45°C), uruchomiona została pompa ciepła, ogrzewająca zbiornik
buforowy. Kolejne kroki wykonywane przez program potwierdzają poprawność jego
działania zgodnie z przyjętymi algorytmami.
5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonej analizy właściwości odnawialnych źródeł energii
opracowano model ogrzewania obiektów mieszkalnych, koncepcję sterowania
i przetwarzania danych realizując pomiary wartości zdefiniowanych temperatur. Model ogrzewania składa się z trzech niezależnych od siebie urządzeń: pompy ciepła,
kolektorów słonecznych oraz wentylacji. Istotą pracy każdego z nich jest zdolność do
pobierania energii zgromadzonej w otoczeniu. Ze względu na okresowość jej występowania konieczne jest wyposażenie instalacji w akumulator ciepła (zbiornik buforowy). Umożliwia on magazynowanie nadmiaru pozyskanej energii, zapewniając jej
późniejsze wykorzystanie. Ponadto, bufor ciepła umożliwia pracę pompy ciepła w
tańszych warunkach eksploatacji. W środowisku LabVIEW opracowano program
sterujący urządzeniami grzewczymi. Przeprowadzono prace eksperymentalne z zadanymi sygnałami modelującymi zmiany wartości temperatur. Wyniki symulacji potwierdzają poprawność pracy programu, zgodnie z przyjętymi algorytmami. W artykule nie rozważano zagadnień właściwości dynamicznych wybranych urządzeń.
Skupiono się na możliwościach wykorzystania środowiska LabVIEW do sterowania
instalacją grzewczą na podstawie pomiarów wartości temperatur.
LITERATURA
[1] CHRUŚCIEL M., LabVIEW w praktyce, Wydawnictwo btc, Legionowo, 2008.
[2] GRABOWSKI G., ABC Nowoczesnej Techniki Grzewczej, Viessmann.
[3] KICZMA B., SMUDA M., WACŁAWEK M., ZIEMBIK Z., LabVIEW dla studentów,
Wydawnictwo Uniwersytetu Opolskiego, Opole, 2007.
[4] LEWANDOWSKI W. M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2007.
[5] OSZCZAK W., Jak taniej ogrzać dom, WŁK, Warszawa, 2005.
[6] Budynki pasywne – mistrzowie oszczędzania energii, KRES, 2006.
[7] Zeszyty fachowe – Energia słoneczna, Viessmann.
[8] Zeszyty fachowe – Pompy ciepła, Viessmann.
[9] Miesięcznik Murator, nr 296, grudzień 2008.
[10] Miesięcznik Murator, nr 298, luty 2009
[11] Miesięcznik Murator, nr 299, marzec 2009.
[12] Miesięcznik Murator, nr 300, kwiecień 2009.
CONTROLLING THE HEATING INSTALLATION SUPPLIED BY RENEWABLE
ENERGY SOURCES IN THE LabVIEW
The article describe the way of controlling the heating installation supplied by selected renewable energy sources in apartment buildings. The control over the process was maintained in LabVIEW environment. The measurement of the temperature values appropriately defined within the whole system
constitutes the basis for working out the programme. The article provides the information on the concept of the hydraulic installation. Moreover, the algorithm of the control over the installation heating
devices was also discussed in the article. Chapter three includes description of the programme used to
control the heating system of the building. The structure of the programme based on the already mentioned algorithm as well as the graphic interface which enables to manage the installation running
state is also covered by authors. The next chapter is dedicated to the static and dynamic verification
of the procedures maintained by the programme. The static check consists in the control of the compatibility of the instructions carried out by the programme with the algorithm. The provision of dynamic conditions of the programme functioning and the change within the values of steering temperatures required creation of the simulator for the change of defined temperature values.