Optymalizacja regulacji ogrzewania

Racjonalne wykorzystanie energii grzewczej i utrzymywanie komfortu temperaturowego w pomieszczeniach wymagają wyposażenia instalacji centralnego ogrzewania w układy regulacyjne, dostosowane do źródła ciepła i sposobu jego przekazywania. System sterowania musi odpowiednio szybko reagować na dynamikę zmian temperatury zewnętrznej i wewnętrznej z uwzględnieniem bezwładności cieplnej instalacji jak i bryły budynku, a także umożliwiać regulację temperatury w poszczególnych pomieszczeniach w szerokim zakresie. Rozbudowane systemy regulacji działają więc na trzech poziomach przekazywania energii - u źródła ciepła, w odniesieniu do średniej temperatury dla obiektu oraz niezależnie dla poszczególnych pomieszczeń.

Optymalizacja regulacji ogrzewania

Jaki wpływ na komfort temperaturowy ma charakterystyka cieplna budynku?

Własności ciepłochronne oraz bezwładność cieplna domu decydują o doborze i skuteczności działania urządzeń sterujących układem grzewczym.

Zależnie od tego, szczytowe, jednostkowe zapotrzebowanie na moc cieplną może wahać się w bardzo szerokich granicach - od 15 do 20 W/m2 w budynkach energooszczędnych do sięgających znacznie ponad 100 W/m2 w domach nieocieplanych.

Oczywiście wartości te w sezonie grzewczym zmieniają się zależnie od aktualnych warunków pogodowych, a zatem moc systemu musi odpowiednio szybko reagować na nie.

Istotny wpływ na komfort temperaturowy pomieszczeń ma również bezwładność cieplna konstrukcji budynku jak i samej instalacji grzewczej.

Domy budowane z tradycyjnych, ciężkich materiałów (cegieł ceramicznych, silikatowych czy betonu) charakteryzują się znaczną bezwładnością cieplną - długo utrzymują nagromadzone ciepło, ale i długo się nagrzewają.

Dzięki tym własnością dobrze stabilizują temperaturę w pomieszczeniach przy krótkotrwałych zmianach dopływu energii cieplnej, akumulując jednocześnie tzw. energię obcą pochodzącą np. z nasłonecznienia.

Odmienne własności w tym zakresie mają natomiast budynki bardzo lekkie np. drewniane, szkieletowe. Szybko się nagrzewają, ale równie szybko wychładzają, zatem stabilizacja temperatury wewnętrznej wymaga niemal stałego dopływu energii grzewczej.

Dlatego w takich obiektach wskazane jest umieszczanie elementów akumulujących ciepło np. w postaci masywnych ścianek działowych.

Na stabilizację temperatury pomieszczeń wpływa również bezwładność cieplna systemu ogrzewania. Instalacje o małej pojemności wodnej i niewielkiej powierzchni grzejnej np. z grzejnikami konwektorowymi, dynamicznie mogą dostosowywać moc grzewczą do aktualnych potrzeb, a układy „ciężkie” o znacznej bezwładności np. ogrzewanie podłogowe długo zmienia intensywność przekazywania ciepłą.

Niemniej trzeba też uwzględnić zdolność do samoregulacji systemu ogrzewania, której efektywność zależy głównie od powierzchni grzejnej i jej temperatury.

Duże płaszczyzny o niskiej temperaturze np. podłogówki dość skuteczniej samoczynnie zmniejszają moc grzejną, gdy nadmiernie wzrośnie temperatura w pomieszczeniu, jak i zwiększają emisję ciepła w razie ochłodzenia. Intensywność wymiany ciepła zależy bowiem od różnicy temperatury powierzchni grzejnej i otaczającego ją powietrza.

Sterowanie źródłem ciepła

Ilość energii przekazywanej z urządzeń grzewczych do wodnej instalacji zależy od dwóch parametrów - temperatury wody i intensywności jej przepływu.

W praktyce regulację mocy z reguły uzyskuje się prze sterowanie temperaturą zasilania, a ta z kolei zależy od intensywności spalania paliwa.

W przypadku kotłów na paliwo stałe regulację zapewnia zmiana intensywności dopływu powietrza, a w kotłach gazowych zmiana ilości spalanego gazu.

Efektywność regulacji mocy grzejnej w kotłach na paliwo stałe jest dość ograniczona i zależy od zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych dotyczących głównie sposobu podawania i spalania paliwa oraz dopływu powietrza do paleniska.

Miarkownik ciągu MC 20 to sterowania dopływem powietrza do paleniska w kotłach na paliwo stałe. FERRO
Miarkownik ciągu MC 20 to sterowania dopływem powietrza do paleniska w kotłach na paliwo stałe. FERRO

Najprostsze kotły zasypowe z biernym dopływem powietrza pozwalają jedynie na skokowa zmianę mocy grzewczej z wykorzystaniem tzw. miarkownika ciągu, który zależnie od temperatury wody zasilającej instalację przymyka lub otwiera dopływ powietrza do paleniska.

Większą skuteczność regulacji zapewniają kotły nadmuchowe ze sterowanym elektronicznie wentylatorem, które pracują w systemie dolnego spalania paliwa lub jako kotły zgazyfikujące drewno.

Widoczny w sterownik ST-555P w panelu frontowym kotła na pellet BIO COMPACT z podajnikiem. fot ZMK SAS
Widoczny w sterownik ST-555P w panelu frontowym kotła na pellet BIO COMPACT z podajnikiem. fot ZMK SAS

Największa elastyczność uzyskiwanej mocy mają kotły z palnikiem retortowym lub rynnowym, gdzie niewielka ilość jednocześnie spalanego paliwa pozwala na - przy skoordynowanym układem elektronicznym dostarczaniu paliwa i intensywności nadmuchu - szybkie dostosowanie wydajności grzewczej do aktualnych potrzeb.

Jednak ze względu na wymagania techniczne i funkcjonalne kotłów na paliwo stałe temperatura wody wychodzącej do instalacji grzejnej powinna być dość wysoka najczęściej 60-70°C, co znacznie przekracza potrzeby energetyczne przez znaczna część sezonu grzewczego.

Jedynym więc sposobem na regulację mocy przekazywanej do instalacji jest dostosowanie intensywności przepływu wody grzejnej i jej mieszanie z wodą powrotną.

Może to być realizowane na kilka sposobów - poprzez zbiornik buforowy, sprzęgła hydrauliczne i wymienniki ciepła, zawory cztero- lub trójdrożne sterowane ręcznie lub przez układy termostatyczne.

Problemy z regulacja mocy grzewczej nie występują natomiast w kotłach gazowych czy olejowych.

Ich konstrukcje pozwalają na efektywna prace w szerokim zakresie mocy nominalnej nawet od 20 % do 100% przy możliwości niskotemperaturowego zasilania instalacji w kotłach kondensacyjnych.

Sterowanie dotykowym regulatorem w gazowym kotle kondensacyjnym Vitodens 100-W. Widoczne parametry - temperatura medium w obiegu centralnego ogrzewania, temperatura zewnętrzna z czujnika pogodowego, modulacja palnika. fot. Viessmann
Sterowanie dotykowym regulatorem w gazowym kotle kondensacyjnym Vitodens 100-W. Widoczne parametry - temperatura medium w obiegu centralnego ogrzewania, temperatura zewnętrzna z czujnika pogodowego, modulacja palnika. fot. Viessmann

Sterowanie ich mocą grzewczą może przebiegać płynnie dzięki modulowanym palnikom pracującym w szerokim zakresie wytwarzanego ciepła.

Zależnie od konfiguracji układu regulację mocy zapewniają: regulator kotłowy, termostat pogodowy lub termostat pokojowy.

Również starsze kotły gazowe umożliwiają dość efektywną regulację mocy grzewczej, choć z reguły mogą pracować jedynie w trybie włącz/wyłącz dla nastawionych temperatur zasilania.

Wybór temperatury odniesienia

Układ regulacji mocy grzejnej musi być powiązany z określonymi parametrami otoczenia - najczęściej z temperaturą wybranego pomieszczenia lub/i z temperaturą na zewnętrza domu.

Dobór rozwiązania uzależniony jest od parametrów pracy kotła oraz bezwładności cieplnej budynku jak i instalacji grzejnej.

Termostaty pokojowe SALUS Smart Home pozwalają na sterowanie pracą urządzenia grzewczego w funkcji temperatury w pomieszczeniu. fot. SALUS Controls
Termostaty pokojowe SALUS Smart Home pozwalają na sterowanie pracą urządzenia grzewczego w funkcji temperatury w pomieszczeniu. fot. SALUS Controls

Bazowe rozwiązanie w postaci termostatu pokojowego zapewnia w standardowych systemach grzewczych dostateczną dokładność regulacji pod warunkiem umieszczenia czujnika w reprezentatywnym temperaturowo pomieszczeniu, gdzie nie będzie narażony np. na bezpośrednie nasłonecznienie, oddziaływanie kominka czy przeciągi.

Nastawiona na nim temperatura odniesienia powinna być równa lub wyższa jak w innych pomieszczeniach, co umożliwi indywidualne dostosowanie do miejscowych potrzeb. Termostat pokojowy, który zależnie od konfiguracji sterowania kotła może pracować w trybie włącz/wyłącz lub proporcjonalnie sterować mocą grzewczą.

Regulatory te pracują z dokładnością +/- 0,5°C, co niekiedy może powodować subiektywne, niekomfortowe odczucie wahań ciepła, jeśli grzejniki okresowo ulegają wychłodzeniu lub nadmiernemu nagrzaniu

System ogrzewania może też być sterowany termostatem pogodowym, który samoczynnie zmieni moc grzewczą źródła ciepła zależnie od warunków meteorologicznych.

Taki regulator najczęściej umożliwia również programowanie w powiązaniu z tzw. krzywą grzewczą - algorytmem uzależniającym temperaturę zasilania w instalacji c.o. konieczną do utrzymywania zadanej temperatury w pomieszczeniach, zależnie od pogody.

Jednak jego optymalne funkcjonowanie wymaga dobrania programu do konkretnej instalacji, przy czym jako wzorcowe należy przyjąć pomieszczenie o największym zapotrzebowaniu na ciepło.

Termostat pogodowy będzie szczególnie przydatny w instalacjach grzewczych w domach o małej bezwładności cieplnej lub w przypadku ogrzewania podłogowego o własnościach akumulacyjnych.

Niekiedy stosowane są oba systemy sterowania pracą kotła jeśli pozwala na to istniejący układ regulacji mocy, który określi również priorytet przesyłanych sygnałów z czujników. 

Lokalna regulacja mocy

Poszczególne pomieszczenia charakteryzują się z reguły różnymi potrzebami grzewczymi, co wymaga zapewnienia możliwości indywidualnej regulacji temperatury wewnętrznej.

W systemach grzejnikowych taką rolę pełnią głowice termostatyczne montowane bezpośrednio na ich zasilaniu.

Niezależnie od ich rodzaju, na skuteczność regulacji wpływa prawidłowe zamontowanie w taki sposób, aby reagowały na temperaturę otoczenia, a nie samego grzejnika.

Jeśli nie można zapewnić swobodnego opływania powietrzem otoczenia wokół głowicy, wtedy instalowane są termostaty z czujnikiem wyniesionym - można go znacznie odsunąć od grzejnika.

Ustawienie temperatury na głowicy przeprowadza się doświadczalnie, gdyż umieszczone cyfry tylko orientacyjnie odpowiadają rzeczywistej temperaturze w pomieszczeniu.

Zakres regulacyjny najczęściej wynosi 7-28°C i zależnie od modelu kolejna działka to zmiana temperatury o 3-4°C.

System regulacji temperatury w pomieszczeniach z ogrzewaniem podłogowym może być mniej lub bardziej rozbudowany przez elementy sterująco-pomiarowe zależnie od wielkości powierzchni, wymaganego rozkładu temperatur czy preferencji użytkownika.

Wielostrefowe ogrzewanie podłogowe sterowane obrotowym zaworem mieszającym VRG130 i sterownikiem stałotemperaturowym CRA110. fot. ESBE Hydronic Systems
Wielostrefowe ogrzewanie podłogowe sterowane obrotowym zaworem mieszającym VRG130 i sterownikiem stałotemperaturowym CRA110. fot. ESBE Hydronic Systems

W najprostszym wariancie regulacja odbywa się poprzez zmianę temperatury zasilania pętli grzewczych na termostatycznym zaworze mieszającym, sterowanym ręcznie lub przez czujnik temperatury pomieszczenia uruchamiającym siłownik tego zaworu.

AURATON Libra DS - tygodniowy, przewodowy regulator temperatury do instalacji ogrzewania podłogowego. fot. AURATON
AURATON Libra DS - tygodniowy, przewodowy regulator temperatury do instalacji ogrzewania podłogowego. fot. AURATON

W rozległych instalacjach sterowanie może przebiegać na dwóch poziomach - głównym zasilającym rozdzielacz i indywidualnie dla każdej pętli z wykorzystaniem czujników temperatury i centrali wysyłającej sygnały do elektrozaworów regulujących przepływ czynnika grzewczego.

Autor: Cezary Jankowski

Opracowanie: Aleksander Rembisz

Zdjęcia: Fenix Polska, Viessmann, SALUS Controls, ESBE Hydronic Systems, FERRO, ZMK SAS, AURATON

Komentarze

FILMY OSTATNIO DODANE
Copyright © AVT 2020 Sklep AVT