Udziały tych czynników w bilansie cieplnym budynku zależą od wielu czynników:

Transkrypt

1 Sterowanie ogrzewaniem w inteligentnym budynku Marek Horyński Politechnika Lubelska, Katedra Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej Lublin, ul. Nadbystrzycka 38A, m.horynski@pollub.pl Streszczenie W artykule omówiono podstawowe zagadnienia dotyczące projektowania instalacji elektrycznych w budynkach inteligentnych, ze zwróceniem szczególnej uwagi na elementy tych instalacji umożliwiające inteligentne sterowanie ogrzewaniem w budynku. Słowa kluczowe: Instalacje inteligentne, budynki inteligentne, instalacje elektryczne, instalacje HVAC I. WSTĘP Zastosowanie w systemach HVAC nowoczesnych rozwiązań automatyki budynkowej podnosi warunki przebywania na wyższy poziom oraz zapewnia znacznie bardziej optymalną eksploatację instalacji grzewczej oraz minimalizuje koszty późniejszej eksploatacji obiektu. Coraz częściej w systemach grzewczych wykorzystywane są podgrzewacze elektryczne. Chłodzenie oraz ciągłe kontrolowanie temperatury jest czynnością męczącą i uciążliwą. Ograniczenie zużycia energii jest istotnym elementem prawidłowej polityki ogrzewania domu. Zużycie energii powinno się ograniczać ze względu na negatywne oddziaływanie na środowisko naturalne oraz zbędne nakłady finansowe. Można to osiągnąć stosując metody aktywne, bezpośrednio redagujące na zmieniające się warunki (np. regulacja) oraz pasywne lub stałe (np. izolacja termiczna). Naprzeciw temu wychodzą nowoczesne systemy inteligentne, np. EIB TP, Tebis TX oraz Xcomfort. Pozwalają one na szeroką automatyzację sterowania temperaturą w budynkach oraz zaoszczędzenie energii np. poprzez wyłączanie ogrzewania przy otwartym oknie. Systemy te umożliwiają również sterowanie bezprzewodowe. Zaletą ich jest możliwość kontroli sterowanych obiektów z dowolnego miejsca, prosta i przyjazna obsługa, łatwa instalacja, pewność w działaniu i bezpieczeństwo. Ogrzewanie takie zapewnia indywidualne temperatury w różnych pomieszczeniach, obniżanie temperatury w nocy i podczas nieobecności domowników. W celu generowania oszczędności instalowane w budynkach systemy powinny współdziałać ze sobą, jest to tzw. integracja systemów. Osiąga się to przez połączenie wszystkich oddzielnych systemów przy pomocy systemu nadrzędnego, zarządzającego budynkiem - BMS. Wyżej wymienione systemy są typu otwartego. Główną ich zasadą jest umożliwienie produkowania urządzeń zgodnych ze standardem systemu przez wielu producentów. II. BILANS CIEPLNY POMIESZCZENIA Bilans cieplny pomieszczenia uwzględnia następujące czynniki: ciepło dostarczane do obiektu z otoczenia: docierające do pomieszczenia promieniowanie słoneczne, ciepło wydzielane z niego na zewnątrz: związane z przenikaniem przez ściany, okna, dach i wentylacją pomieszczeń, efekt cieplny procesów zachodzących wewnątrz obiektu pochodzących od ludzi i wyposażenia. Udziały tych czynników w bilansie cieplnym budynku zależą od wielu czynników:

2 architektury budynku: wielkości i kszatłtu jego bryły, lokalizacji budynku, ilości i spsobu rozmieszczenia okien, zastosowanych materiałów izolacyjnych, intensywności wentylacji, sposobu eksplatacji obiektu. Uwzględniając wyżej wwymienione czynniki można podać zależność na ciepło grzania: Q grzania = Q ścian + Q okien Q słońca Q człowieka Q elektr., [ 1 ] gdzie: Q ścian = S ścian k ścian ( wewn. - zewn.) [ 2 ] Q okien = S okien k okien ( wewn. - zewn.), [ 3 ] w której: S ścian, S okien powierzchnia, odpowiednio ścian i okien w pomieszczeniu, [ m 2 ], k ścian, k okien współczynniki przewodności cieplnej ścian i okien, [ W/m 2 K ], wewn., zewn temperatura wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia, [ K ]. W przypadku zastosowania w budynku instalacji inteligentnych dogodnym sposobem ogrzewania jest ogrzewanie podłogowe. Utrzymanie konfortu cieplnego jest zapewnione przy temperaturze grzejnika podłogowego 26 0 C. Zgodnie z praktyką inżynierską oraz stosownymi normami wymagane jest aby temperatura podłogi nie była wyższa niż 32 0 C. Temperaturę powierzchni podłogi wyznacza się zgodnie z następującym tokiem postępowania: Określanie jednostkowej mocy cieplnej grzejnika: Qp q j,[w] [ 4 ] F g gdzie: Q p zapotrzebowanie na moc cieplną dla pomieszczenia, [ W ], F g powierzchnia grzejnika, [ m 2 ]. Wyznaczenie temperatury podłogi z nomogramu q j = f( t p ), przy t pom. = const. W przypadku przekroczenia temperatury granicznej 32 0 C należy zdecydować się na inny rodzaj ogrzewania. Dobór przewodów grzejnych przeprowadza się według metodyki: Określenie mocy cieplnej przewodu: Q 1.1 Q,[W] [ 5 ] przew. p Przyjęcie współczynnika 1.1 w powyższym wzorze oznacza założenie 10 % strat mocy cieplnej z uwagi na ubytek ciepła od dołu ogrzewanego pomiwszczenia. Dobór przewodu grzejnego dla wyznaczonego wcześniej Q przew. oraz powierzchni grzejnika F g z nomogramu Q przew. = f( L ). Wyznacza się z niego również długość przewodu L i rozmieszczenie b. Ponadto należy dobierać przewody jak najkrótsze, o mocy jednostkowej odpowiadającej przewodów dostarczanych przez producentów. Określenie współczynnika korekcyjnego K r, uwzględniającego opór cieplny dodatkowego pokrycia płyty grzejnej. Wyznacza się go na podstawie znajomości rodzaju mate-

3 riału układanego na płycie grzejnej oraz jego grubości d, po określeniu oporu cieplnego pokrycia R oraz przy uwzględnieniu rozstawu przewodów b. Obliczenie zastępczej jednostkowej mocy cieplnej grzejnika: q q K, [ 6 ] z j r gdzie: q j jednostkowa moc cieplna grzejnika, [W/m 2 ], K r - współczynnik korekcyjny. Wyznaczenie z nomogramu rzeczywistej temperatury pracy przewodu t k dla zastępczej jednostkowej mocy cieplnej grzejnika q z, rozstawu przewodów b oraz założonej temperatury w pomieszczeniu t pom.. W przypadku stwierdzenia przekroczenia wartości dopuszczalnej temperatury przewodu 70 0 C należy dobrać przewód o mniejszej mocy jednostkowej. Powyższe rozważania dotyczą doboru przewodu. Dla prawidłowego działania instalacji grzewczej w budynku niezwykle ważne jest również właściwe zaprojektowanie i wykonanie systemu automatyki. Należy do przyjętej instalacji grzewczej zastosować właściwy regulacji, np. przy ogrzewaniu podłogowym preferowana jest regulacja 2-położeniowa. Zapewni on użytkownikowi wymaganą jakość regulacji. Stosowanie indywidualnych regulatorów pokojowych pozwala na zróżnicowanie temperatury w pomieszczeniach i zwiększa komfort pobytu oraz zmniejsza koszty eksploatacji. Termostat powinnien być umieszczony w miejscu zapewniającym prawidłowy pomiar temperatury w pokoju, np. umieszczenie go przy źródle energii cieplnej może skutkować błędnym działaniem i zaniżaniem średniej temperatury pokoju. III. SPOSOBY REGULACJI TEMPERATURY Instalacja HVAC obejmuje ogrzewanie, wentylację i klimatyzację. Umożliwia ona zastosowanie: Indywidualnej regulacji parametrów w poszczególnych pomieszczeniach, tzw. regulacji miejscowej lub lokalnej, Programów czasowych obecności użytkowników kontrolowanych pomieszczeń, tzw. regulacja czasowa. Podstawowy podział metod regulacji temperatury polega na umiejscowieniu elementów sterujących w obiekcie i źródła wysyłanych do systemu grzewczego komunikatów regulacyjnych. Zasadniczym elementem automatyki HVAC jest regulator, który na podstawie, odbieranej ze znajdującego się w pomieszczeniu czujnika, mierzonej wartości temperatury i ustawionego zadania wypracowuje sposób sterowania zaworem grzejnikowym. Regulacja dwupołożeniowa temperatury W tym sposobie regulacji zawory grzejnikowe ustawiane są w dwóch skrajnych stanach otwarty(100%)/zamknięty(0%). Regulacja PWM (modulacja szerokości impulsu) Zawory grzejnikowe ustawiane są, w dwóch stanach (zamknięty(0%)/otwarty(100%). Algorytm ich sterowania jest bardziej złożony. Polega na współdziałaniu następujących elementów: regulatora, wyjścia binarnego oraz zaworu. Zadaniem regulatora jest porównywanie zadanej wartości temperatury z temperaturą mierzoną. Na podstawie tych danych wyznaczana jest krzywa regulacji (0%-100%). Następnie

4 zgodnie z krzywą formowane są impulsy, których szerokość jest wprost proporcjonalna do wartości sygnału na początku okresu impulsowania. Regulacja lokalna - zawór z głowicą termostatyczną Regulacja lokalna polega na instalacji zaworu mechanicznego lub elektronicznego lub zaworu z głowicą termostatyczną na grzejniku lub na dopływie energii do grzejnika. Posiada on skalę w stopniach Celsjusza, lub odpowiednie nastawy pozwalające zapamiętać wymagane przez użytkownika położenia wybrane temperatury. Często spotyka się dwa zawory i przełącznik "noc/dzień". Zawór z głowicą posiada następujące opcje działania: - Tryb załącz/wyłącz, który odcina dopływ ciepłej wody lub prądu w momencie wykrycia "górnej temperatury granicznej, a włącza dopływ energii po wykryciu temperatury "dolnej". Wahania temperatury w pomieszczeniu wynoszą 0,5 st. C. - Tryb płynnej regulacji, polegający na zmniejszaniu przepływu energii do poziomu pozwalającego utrzymać żądaną temperaturę. - Tryb przełączanej pracy grzejnika, który opiera się na zmianie liczby elementów grzejnych. - Tryb bezpieczeństwa, ochrony przeciw zamarzaniu. Zapobiega on przemarzaniu pomieszczenia. Przykładem regulacji lokalnej jest również układ sterujący systemem grzewczym wyposażonym w rozproszone źródła energii. Do takich źródeł zaliczamy promienniki i nagrzewnice gazowe współdziałające z kilkoma punktami pomiaru temperatury. Dzięki temu każde źródło energii może bezpośrednio reagować na lokalne wahania temperatury. Regulacja PI (proporcjonalno-całkowa) Algorytm tej regulacji wymaga zastosowania elektrozaworów ze sterowanym stopniem otwarcia. Mają one możliwość bezpośredniego podłączenia do magistrali EIB. Umożliwia to również uproszczenie instalacji. Stopień otwarcia/zamknięcia zaworu przesyłany jest jako wartość jednobajtowa (0-255). Regulacja tego typu jest regulacją ciągłą i zapewnia najdokładniejsze utrzymanie założonych parametrów. Regulacja centralna Regulacja centralna pozwala z jednego punktu domu wpłynąć na zmianę temperatury we wszystkich lub dowolnie wybranych punktach grzewczych za pomocą: - Oddziaływania zdalnego, stosowanego między innymi w grzejnikach elektrycznych, - Zmiany ilości dostarczanego ciepła do punktów grzewczych, stosowanego w systemach centralnego ogrzewania, - Cyklicznego włączania i wyłączania dopływu energii zasilającej grzejniki elektryczne. IV. URZĄDZENIA STOSOWANE W INSTALACJACH HVAC W budynkach o wysokim standardzie obecnie coraz częściej stosuje się magistralne instalacje elektryczne. Na rynku europejskim przeważa system Europejskiej Magistrali Instalacyjnej EIB. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość łatwej integracji wszystkich instalacji występujących w budynku, wśród nich również HVAC. Ogrzewanie za pomocą instalacji EIB obejmuje lokalną regulację temperatury w pomieszczeniach budynku. Wykorzystane do tego celu są pokojowe regulatory temperatury. Ponadto zastosowana automatyka pozwala na ograniczenie grzania w przypadku otwarcia okna w pomieszczeniu. Zdalne sterowanie i sygnalizacja stanów urządzeń grzewczych jest

5 możliwa dzięki zastosowaniu bramki internetowa, która umożliwia zdalny dostęp do instalacji elektrycznej. Poprzez połączenie z modułem video umożliwia przekazywania obrazów w czasie rzeczywistym. Bramka internetowa automatycznie informuje o zdarzeniach i alarmach poprzez wysłanie a. Z bramką Internetową możliwe jest połączenie w następujący sposób: - Poprzez LAN za pomocą przeglądarki i znanego jej adresu IP lub - Połączenie przez (przeglądarka). Przy stosowaniu zdalnego sterowania inteligentną instalacją elektryczną stosowane są procedury bezpieczeństwa podobne jak przy bankowości internetowej. Wszystkie strony kodowane (protokół SSL) oraz występuje 3-poziomowa autoryzacja. Bramka Internetowa może mieć zastosowanie zarówno w aplikacjach komercyjnych, np. instalacjach elektrotechnicznych, ogrzewaniu, wentylacji, klimatyzacji, jak i dla domów mieszkalnych, np.: zapewnia rozszerzenie możliwości już istniejących instalacji, zdalny dostęp do już istniejących systemów bezpieczeństwa, zdalny nadzór domów letniskowych oraz zdalny nadzór domów całorocznych. V. WNIOSKI Projektowanie instalacji grzewczych w inteligentnych budynkach jest dziedziną, w której projektant spotyka z zagadnieniami techniczno prawnymi odnoszącymi się do kilku dziedzin nauki i techniki. Podstawą dobrego projektu jest prawidłowa klasyfikacja tych przestrzeni, opierająca się na szczegółowej ich analizie i dokonany na jej podstawie dobór urządzeń. Ze względu na specyfikę i odmienność każdego obiektu, wysoce ryzykownym byłoby powielanie przez projektanta gotowych rozwiązań, bez ich krytycznej oceny i sprawdzenia pod kątem funkcjonalności w danym przypadku. Ze względu na różnorodność czynników klasyfikacyjnych (począwszy od warunków klimatycznych, na specyficznych wymagań dotyczących projektowanego obiektu kończąc), duże znaczenie ma również posiadanie przez projektanta oprócz znajomości doboru i programowania elementów inteligentnej instalacji fachowej wiedzy z zakresu techniki grzewczej. LITERATURA [1]Antoniewicz B., Koczyk H., Sroczan E.: Nowoczesne wyposażenie techniczne domu jednorodzinnego. PWRiL, Poznań [2]Drop D., Jastrzębski D.: Współczesne instalacje elektryczne w budownictwie jednorodzinnym z wykorzystaniem osprzętu firmy Moeller. COSiW SEP, W-wa [3]Petykiewicz P. Nowoczesna instalacja elektryczna w inteligentnym budynku. COSiW SEP, Warszawa [4]Ustawa z 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (tekst jednolity Dz.U. z 2000 r., nr 106, poz z późniejszymi zmianami). HVAC control systems in intelligent building It discuss basic questions in article in intelligent buildings concerning project design of HVAC installation, with return of particular note on characteristic elements for this type of installation.