Контролери для систем опалення та ГВП схеми застосування та тенденції розвитку
С. Дейнеко
Прогрес у галузі автоматизації управління системами опалення та гарячого водопостачання вже досяг суттєвого рівня. Пропоновані нині регулятори дозволяють координувати роботу складних схем управління, у яких застосовуються різні типи теплогенераторів. Це дає можливості для економії ресурсів, оптимізації параметрів роботи та підвищення надійності систем, створення комфортних умов, досягнення енергонезалежності об'єкту.
Слово "controller" у перекладі з англійської означає "регулятор" або "керівний пристрій". Відповідно до теорії управління, це пристрій, який контролює та керує інженерними системами та виробляє для них сигнали управління. Регулятори відстежують зміни параметрів в інженерних системах об'єкта та реагують на цю зміну за допомогою набору алгоритмів керування та відповідних налаштувань.
В Україні 10–15 років тому такі пристрої застосовувалися здебільшого в теплових пунктах і зрідка в котельнях. Їх функції були обмежені, тобто зводилися, наприклад, управління одним змішувальним клапаном або окремим елементом системи. При цьому увімкнення/вимкнення котлів або насосів здійснювалося вручну. Та й самі схеми вибиралися під ті алгоритми роботи контролера, які могли повністю охопити всі системи теплового пункту чи котельні. Тому різними частинами системи керували окремі контролери – управління опаленням, ГВП, насосами, сигналізацією про несправності чи тривоги тощо. Всі пристрої для керування поміщалися у досить великі шафи керування.
Наразі ситуація кардинально змінилася. Наразі фахівець має можливість створитипрактично будь-яку схему управління, в якій може бути застосований контролер. Обсяг програмного забезпечення може бути досить великим, оскільки сучасні пристрої дозволяють зберігати у пам'яті фактично необмежені обсяги інформації. Значно збільшено швидкість обробки даних.
Нові можливості
Велике поширення набули звані «stand alone» контролери, тобто. передпрограмовані контролери. Ці пристрої призначені керувати індивідуальними тепловими пунктами централізованого теплопостачання чи децентралізованими системами. У сучасних моделях контролерів закладено вже не одна-дві схеми управління, як раніше, а 20 і більше. І керувати вони можуть одночасно котлами на різних видах палива, тепловими насосами, геліосистемами, бойлерами ГВП, накопичувальними ємностями та ін.
Подібні пристрої постачають на український ринок різні компанії, наприклад Danfoss (Данія), Kromschröder (Німеччина), Honeywell (США).
Необхідна температура котла визначається контролером на підставі запиту на тепло від керованих контурів систем опалення та ГВП. Кожен пристрій може працювати самостійно або в локальній мережі, де може бути кілька контролерів одночасно. Усі параметри, а також тимчасові програми, мають попередні налаштування для кожного контуру керування та допускають індивідуальну адаптацію до системи опалення та вимог її користувача.
Наприклад, у контролери Smile (Honeywell) (рис. 1) закладено близько 20 програм, які дозволяють використовувати їх для 30-40 схем. Пристрої можуть застосовуватися локально (при цьому кожен одиночний контролер управляє одним-трьома контурами опалення), а також об'єднуватись в одну систему (до п'яти пристроїв). Контролери маютьпо три вільні входи та по два вільні виходи для додаткових функцій управління. Варіації систем опалення встановлюються на етапі введення системи в експлуатацію.
Мал. 1. Контролер Smile
Зміни параметрів роботи дозволяють досягти певного рівня гнучкості в керуванні системами опалення. Хоча ці контролери мають жорсткі алгоритми роботи, їх можна адаптувати під певну схему. Припустимо, контролер управляє змішувальним контуром, що складається з клапана, насоса і двох датчиків на трубопроводах, що подає і зворотному. При зміні певних параметрів, що відповідають за змішувальний клапан, можна підключити до контролера циркуляційний насос системи гарячого водопостачання, датчики температури помістити в теплообмінник – і контролер не керує контуром системи опалення, а повністю контролює роботу системи ГВП. Тобто один і той самий вихід можна використовувати для різних компонентів схеми. Така гнучкість актуальна при реконструкції приміщень з обладнанням додаткових контурів опалення, наприклад, частковою заміною радіаторного опалення на теплу підлогу або розширення системи ГВП. При цьому один контролер управлятиме і системою «тепла підлога», радіаторним опаленням, котлом та системою гарячого водопостачання.
Існує можливість підключення віддалених модулів із датчиками температури внутрішнього повітря у приміщеннях. Модульи, що приєднуються, мають ручку зміни налаштування та перемикач режимів «Економний/За розкладом/Комфортний», цифровий дисплей, і дублюють кнопки налаштування контролера, забезпечуючи режим повного доступу та дистанційного керування. Можливе індивідуальне керування окремим контуром системи опалення з одного приміщення. Для цього необхідно вбудувати в систему опаленнянастінний модуль моделі.
Технічні характеристики контролерів Smile: споживання електроенергії – 5,8 ВА, працюють від побутової мережі змінного струму. Ступінь захисту IP 30. Розміри (Ш×В×Г) – 144×96×75 мм. Корпус виготовлений із ABS-пластику з антистатичним покриттям. Максимальна довжина шини – 100 м. Пристрій монтується на стіну за допомогою клемних коробок.
Сучасні контролери підходять як для створення погодозалежних систем регулювання температури потоку теплоносія (наприклад, радіаторних, конвекторних), так і для систем, де необхідно підтримувати постійну температуру теплоносія (наприклад, системи типу «тепла підлога», або для басейнів) за допомогою контурів змішувачів, включаючи геліосистеми.
Застосовуючи кілька stand alone контролерів, можна створити досить велику і складну систему управління, придатну навіть для великого громадського будинку.
В індивідуальному будівництві контролери дозволяють організовувати системи, в яких можна використовувати різні теплогенератори, в тому числі використовують альтернативні джерела енергії.
Без контролерів створювати такі системи неможливо. Адже у всіх їх компонентів різні алгоритми та режими роботи. Електричний котел доцільно включати в нічний час, коли дешевше тариф на електроенергію (при багатотарифному обліку). Або одночасно використовувати тепловий насос. У світлий час доби включаються колектори геліосистеми, а при пікових навантаженнях на ГВП вранці та ввечері не обійтися без газового котла. Відповідно можна вимкнути електричний котел у денний час. При цьому всі джерела тепла працюють на бакакумулятор, температуру в якому також необхідно контролювати і відповідно до неї балансувати роботу всієї системи.При цьому закладається графік роботи за часом доби та днями тижня.
Комбіновані схеми
Одним із актуальних є використання в одній системі спільно газового та електричного котлів або газового котла та котла на твердому паливі (першого – як основного, другого – додаткового) (рис. 2).
Мал. 2. Схема із спільним використанням електричного та газового котлів: AF, WF1, WF2, VF1, RLF1, SF – датчики температури (зовнішнього повітря, котлів, теплоносія на трубопроводі, що подає і зворотному, бака-акумулятора ГВП); MK1 – триходовий змішувальний клапан із електричним приводом; Tmax – накладний термостат; P1, SLP, ZKP – насоси
При цьому в першому випадку, оскільки електричний котел доцільно включати вночі, коли тариф на електроенергію менший, використовується таймер із денним, тижневим розкладом та програмою вихідних днів. У другому випадку за відсутності газу котел на твердому паливі забезпечить підтримку роботи систем опалення та ГВП на необхідному рівні. Також джерела тепла на різних видах палива дозволяють забезпечити надійність роботи системи за інших певних форс-мажорних обставин.
У цьому випадку контролер забезпечує керування котлами, обмеження максимальної температури на виході з котлів, безступінчасте (плавне) керування газовим котлом з оптимальним навантаженням на нього. Можлива організація управління роботи з урахуванням температури повітря у приміщенні та погодна корекція. Доступні функції захисту від заморожування, автоматичного захисту від легіонели, а також пріоритету гарячої води.
Підключення теплового насоса дозволяє створювати системи, в яких альтернативна енергія є базовою для нагрівання води в буферній ємності (рис. 3).
Мал. 3. Використання газового котла, теплового насоса та буферної ємності: AF, WF, VF1, KSPF, VE1, SF – датчики температури зовнішнього повітря, котла, теплоносія на трубопроводі, що подає, на вході та виході води з буферної ємності , Бака-акумулятора ГВП; KVLF – датчик температури води; MK1, VA1 – триходові клапани з електричним приводом; P1 – насос змішувального контуру системи опалення; VA2 – насос завантаження буферної ємності від теплового насоса
При цьому автоматика забезпечить керування температурою води на виході з теплового насоса та оптимізацію процесів роботи обладнання. У цій схемі базовим джерелом тепла є тепловий насос, а газовий казан покриває пікові навантаження системи. Велику свободу вибору палива може надати схема із застосуванням твердопаливного котла та геліоколектора (рис. 4).
Мал. 4. Схема із застосуванням твердопаливного котла, сонячного колектора та буферної ємності: AF, WF1, VF1, VE1, SF, VE2, KSPF, KRLF, KVLF – датчики температури зовнішнього повітря, котла, теплоносія на трубопроводі, що подає, на виході води з буферної ємності, бака-акумулятора ГВП, води на вході в бак-акумулятор ГВП від сонячного колектора, на вході води в буферну ємність, на вході води в сонячний колектор, води в сонячному колекторі; MK1, MK2, U1 – триходові змішувальні клапани з електричним приводом (контур системи опалення, для підтримки заданої температури на вході у твердопаливний котел, клапан між буферною ємністю та сонячним колектором); P1 – насос змішувального контуру системи опалення
При цьому забезпечується підтримка заданої температури на вході та виході з котла, контроль температури води в сонячному колекторі, перемикання потоків води,що надходить у сонячний колектор від бака ГВП та буферної ємності. Можлива паралельна погодозалежна робота із контуром змішувача опалення.
Для створення великих опалювальних систем часто потрібне підключення котлів у каскад, з чим також справляються контролери (рис. 5). При цьому забезпечуються оптимальні параметри та облік годин роботи кожного генератора тепла.
Мал. 5. Підключення газових котлів до каскаду: AF, WF1, WF2, VF1, VF2, VF3, SF, RLF1, RLF2 – датчики температури зовнішнього повітря, котла, теплоносія на трубопроводі, що подає, бака-акумулятора ГВП, води на зворотному трубопроводі; MK1, MK2, MK3, R1, R2 – триходові змішувальні клапани з електричним приводом
У будь-якому випадку для конкретних умов можна вибрати найбільш відповідну схему, яких виробники пристроїв управління пропонують десятки.
Перспектива - універсальний контролер
В даний час помітна тенденція до ускладнення систем кліматизації будівель. Відповідним чином під цей тренд підлаштовуються розробники контролерів.
Оскільки різні виробники захищали свої продукти різними протоколами передачі даних, нині з'явилися контролери, які дозволяють використовувати існуючі протоколи (наприклад, CentraLine (Honeywell)). Це особливо актуально у разі встановлення регуляторів на об'єктах, що модернізуються.
Проте, з усе більшим ускладненням систем, виникає питання створення свого роду універсального контролера. Це в даний час основна перспектива та завдання для розробників. Єдиний контролер, залежно від закладеного в нього програмного забезпечення, може застосовуватися для управління різними інженерними системами будівлі. Це свого роду невеликийкомп'ютер, котрій необхідно лише встановити «софт» під конкретні завдання і безпосередньо під певний об'єкт його запрограмувати.
Складність впровадження вільно програмованих контролерів полягає, насамперед, у дорожнечі програмного забезпечення. Крім того, актуальним є питання відповідності рівня підготовки користувача, наявність кваліфікованого обслуговуючого персоналу та виключення несанкціонованого втручання у роботу керуючих пристроїв.
Більш важливих статей та новин у Telegram-каналі AW-Therm. Підписуйтесь!