Wykorzystanie systemu KNX (EIB) 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 (EIB) 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 (EIB) 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:
Instalacja Zalecany sposób regulacji grzewcza 2-położeniowa PWM PI układy niskotemp. z grzejnikami podookiennymi ogrzewanie elektryczne X X X układy wysokotemp. z grzejnikami X X podookiennymi wodne ogrzewanie podłogowe X X układy grzewczoklimatyzacyjne X Warianty miejscowej regulacji temperatury i rodzaje wykorzystanych urządzeń przy realizacji takiej instalacji w systemie KNX (EIB). 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 (EIB), co pozwala też uprościć instalację. Stopień otwarcia/zamknięcia zaworu
przesyłany jest jako wartość jednobajtowa (0-255). Zatem przy tym sposobie regulacji w systemie KNX (EIB) 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 (EIB), dzięki czemu możliwe staje się sterowanie i monitorowanie pracy kotła z poziomu systemu KNX (EIB). 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 (EIB)-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 (EIB) 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 (EIB) nie możemy zapomnieć o wykorzystaniu czujników otwarcia, zamykających dopływ czynnika grzewczego do pomieszczenia w czasie jego wietrzenia. Stosowane w pomieszczeniach regulatory KNX (EIB) 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 (EIB) 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