Управление отоплением. Часть 2. Покомнатное регулирование. Теплый пол.

Статья посвящена покомнатному (зональному) управлению на примере внутрипольного отопления , как наиболее востребованного на сегодняшний день.

Все описанные принципы управления верны для любой системы отопления, где в качестве исполнительных механизмов используется любое электрооборудование (насосы, приводы) с двухпозиционным режимом работы вкл/выкл.

Т.к. система автоматического регулирования не может существовать без объекта регулирования, первая часть статьи будет посвящена основным принципам проектирования внутрипольного отопления (укладке труб), поддающейся корректной автоматизации. Вторая часть – собственно автоматизации.

1. правильно смонтировать трубу теплого пола с ориентацией на будущую систему автоматизации.
2. Определиться с местом установки термостатов, на этапе монтажа трубы теплого пола заложить необходимые кабели и подрозетники.
3. Запустить систему (котел, насос, прочее) без термостатов и автоматики, убедиться в работоспособности, при необходимости монтировать систему автоматизации.

Часть 1.1. Деление на зоны.

Предположим у нас есть одноэтажный дом, в нём восемь помещений – котельная, прихожая, холл, кухня-гостиная, спальня №1, спальня №2, два санузла.

Система отопления – только теплый пол.

Используя знания о комнатных термостатах, у нас есть два пути решения вопроса автоматизации:

1. Установить всего один термостат в одном выбранном помещении (например, гостиная) и управлять котлом или циркуляционным насосом – автоматически будет включаться/выключаться отопление во всём доме. Но гарантировать комфортную температуру можно только в помещении, где установлен термостат.

Этот вариант прост и недорог. Если мощность отопительных приборов во всех помещениях будет в одинаковом соотношении с теплопотерями этих помещений, значит, комфорт обеспечен и миссия выполнена.

2. Разделить этаж на зоны, в каждую зону установить отдельный комнатный термостат и управлять отдельными контурами теплого пола в помещениях независимо друг от друга. В каждом помещении (зоне) автоматически будет поддерживаться свой температурный режим. Рекомендуется делать не больше 6-8 зон на один коллектор теплого пола.

Пример деления этажа на зоны

• Две спальни – две отдельные зоны. Сразу решаем проблему различия между людьми в вопросах о желаемой температуре воздуха, количестве проветриваний помещений и т.д.
• Кухня-гостиная, холл и прихожая объединяем в одну зону по принципу отсутствия перегородок между этими помещениями – это единый объем воздушного пространства, единая зона, один термостат.
• Санузел в центре дома объединяем с зоной кухни-гостиной и холлом. Собственных теплопотерь санузел не имеет, отдельный термостат смысла ставить нет. Жильцы, входя в это помещение, не будут регистрировать изменение температуры под ногами, это и комфортно и удобно.
• Котельная – помещение со сравнительно высокими теплопотерями (три наружные стены, окно, наружная дверь). Выносим в отдельную зону и ставим отдельный термостат. Защищаем дорогостоящее оборудование, поддерживая невысокую температуру воздуха в районе 10-15С.
• Санузел при входе в дом и тех.помещение по соседству можно разделить на две зоны, а можно объединить в одну и установить термостат в санузле – там где поддержание комфортной температуры приоритетно. В нашем примере в целях экономии объединим два помещения в один контур и одну зону.

План этажа с делением на зоны

Часть 1.2. Укладка трубы теплого пола

Если покомнатная автоматизация в принципе не планируется, то труба теплого пола монтируется в один слой с поддержанием проектного шага укладки трубы, как показано на схеме ниже.

Пример укладки трубы в один слой без разделения этажа на зоны. Не подходит для покомнатного регулирования.

Это самый простой и быстрый способ укладки трубы. Минус в том, что трубопроводы, идущие в дальние помещения (в спальни) отапливают транзитом помещения, через которые проходят. Если термостат один на этаж, проблем нет, т.к. пол прогревается равномерно, но если применить покомнатное управление, в некоторых местах появится эффект «зебры» (в нашем случае в холле и в спальне №1). Одно помещение работает, второе не работает, третье работает. Шаг влево – ногам тепло, шаг вправо – ногам холодно.

Этой ситуации необходимо избегать и монтировать подводящие трубопроводы либо по периметру транзитных помещений в теплоизоляции, либо в нижнем слое пирога теплого пола – в слое пеноплекса, как показано на примере ниже.

Укладка трубы теплого пола для системы покомнатного регулирования.

Часть 2.1 Прокладка кабеля

На этапе черновых работ в каждом помещении (зоне) закладывается подрозетник под будущий термостат и прокладывается провод от подрозетника до коллектора теплого пола. Оптимальный провод — ПВС 3х0,75мм. Вблизи коллектора теплого пола предусматривается кабель питания 220В под мощность нагрузки 100-200Вт.

Пример расстановки комнатных термостатов

Основное правило для выбора места установки термостата в помещении – отсутствие внешних факторов, влияющих на измерение температуры. Монтаж только на внутренних перегородках здания на высоте 1,2-1,5м от чистового пола, без попадания прямых солнечных лучей, вдали от печей/каминов, радиаторов отопления, ламп накаливания, тепловыделяющих бытовых приборов, сквозняков. Удобно располагать термостат выше группы выключателей при входе в помещение: выключатели на высоте 90см от пола, термостаты выше — 120-150 см.

Дополнительно в некоторых помещениях можно заложить гильзу под датчик стяжки и вывести гильзу в подрозетник термостата. Термостат с подключенным к нему датчиком стяжки позволит ограничить верхнюю и нижнюю температуру поверхности пола. В нашем примере рекомендуется заложить гильзы в гостиной и сан.узле для возможности создания наиболее комфортных условий.

Всё, на этом можно остановиться. После заливки стяжки для запуска системы отопления используется любой из имеющихся подрозетников — устанавливается всего один термостат для управления котлом или насосом в составе насосно-смесительной группы теплого пола. До окончания строительства/ремонта этого достаточно.

Коллектор теплого пола(слева внизу)- пучок проводов от термостатов и один кабель с питанием 220В под будущую систему автоматизации.

В дальнейшем можно вообще не устанавливать термостаты в каждой зоне, если в доме и так комфортно. Главное — наличие возможности.

Часть 2.2 Монтаж системы покомнатного регулирования

Требуется следующее оборудование:

• Термостаты – по количеству зон.

Подключаются к заранее проложенному кабелю из помещения к коллектору теплого пола.

Термостаты различаются по способу подключения. Их можно разделить на 2 группы – термостаты, к которым подключается нагрузка с напряжением питания 230В и термостаты с сухим контактом, которые могут использоваться как для размыкания слаботочных сетей с постоянным или переменным током, так и для маломощных нагрузок 230В. К проложенному ранее кабелю ПВС 3х0,75 для питания термоприводов или бытовых насосов можно подключить любой термостат, соблюдая ограничение по максимальному току.

Различные варианты клемм термостата. GA — перекидной контакт с 230В, GB — подключение нагрузки 230В (эл. теплые полы), GC — «сухой» NO контакт

• Термоэлектрические сервоприводы (в простонародье сервоприводы, термоприводы) – по количеству контуров коллектора теплого пола. Термоприводы устанавливаются на коллектор теплого пола без использования специального инструмента. Стандартная резьба М30х1,5.

В большинстве случаев используются термоприводы 230В нормально закрытые: при отсутствии напряжения привод закрыт, расход теплоносителя в контуре теплого пола равен нулю, при наличии напряжения привод открывается, контур начинает работать..

Схема подключения сервопривода

Термостат подключается как обычный выключатель в разрыв фазного провода термопривода. Если есть необходимость нагрева — цепь замкнута, если помещение нагрелось до заданной температуры – цепь разомкнута

Коммутацию приводов и термостатов можно выполнить в монтажной коробке вблизи коллектора любым удобным способом, соблюдая правила ПУЭ и технику безопасности.

• специализированные клеммные колодки

Применяются для удобства коммутации термостатов и сервоприводов, последующего обслуживания и ремонта, наглядности собранной системы.

Очень полезная функция, которая есть не у всех моделей клеммных колодок – наличие реле для управления оборудованием котельной – можно переводить котел в режим ожидания (снимать запрос тепла на отопление) или выключать циркуляционный насос, отвечающий за коллектор теплого пола, предотвращая работу в тупик.

Схема подключения термостатов и термоприводов через клемную колодку

Как результат пучок проводов от термостатов и пучок проводов от сервоприводов сводится в одну точку. В шкафу нужно оставить копию монтажной схемы для потомков.

Клеммная колодка с модулем управления насосом

Автоматическое регулирование напольного отопления. Часть 1

Задачи автоматического регулирования

Необходимость и важность автоматического регулирования системой напольного отопления лучше всего доказывать на конкретном примере по принципу «от противного».

Предположим, имеется помещение, оборудованное системой тёплого пола с расчётным удельным тепловым потоком q₀ = 60 Вт/м 2 . Этот тепловой поток рассчитан при расчётной температуре наружного воздуха t_н0 = –28 °С (Санкт-Петербург). Конструкция «пирога» пола показана на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция тёплого пола

Для определения требуемой температуры теплоносителя можно воспользоваться расчётным модулем программы VALTEC.PRG версии 3.1.3 (рис. 2). Средняя температура теплоносителя составляет tт = 31,5 °C. При перепаде температур в петлях Δt = 5 °C термоголовка насосно-смесительного узла будет установлена на температуру 31,5 + (5/2) = 34 °С.

Допустим, никакой регулировки кроме поддержания температуры теплоносителя в насосно-смесительном узле система не имеет. При наружной температуре t_н0 = –28 °С пол действительно будет отдавать q₀ = 60 Вт/м 2 , поддерживая температуру воздуха в обслуживаемом помещении t_в0 = 20 °С. Однако с повышением температуры наружного воздуха картина будет меняться.

Рис. 2. Результат расчёта температуры теплоносителя

Температуру воздуха в помещении при изменившейся температуре наружного воздуха tвi нетрудно определить из уравнения теплового баланса:

где t_нi – текущая температура наружного воздуха, °С

Удельный тепловой поток можно определить по формуле:

Текущая температура пола составит:

Результаты расчёта сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Температура воздуха, удельный тепловой поток и температура воздуха при различной температуре наружного воздуха

Температура наружного воздуха, °С

Температура внутреннего воздуха, °С

Удельный тепловой поток от тёплого пола, Вт/м2

Температура пола, °С

Как видно из приведённой таблицы, отсутствие регулирования напольным отоплением приводит в межсезонье к чрезмерному перегреву воздуха в помещении, а также к повышению температуры пола.

Можно, конечно, при резких изменениях температуры открывать форточки, но отапливать за свой счёт вселенную навряд ли кто захочет. Можно также бегать к насосно-смесительному узлу, чтобы перенастроить уставку термоголовки, однако, такая беготня совершенно не вяжется с понятием «комфорта». Таким образом, можно сформулировать следующие основные задачи автоматического регулирования напольным отоплением:
• поддержание внутреннего климата в помещении в комфортных рамках;
• экономия энергоресурсов;
• исключение излишнего вмешательства пользователя в работу системы.

Самым простым и доступным решением по регулированию системы напольного отопления является использование комнатных термостатов совместно с электротермическими приводами, управляющими термостатическими клапанами коллекторного блока.

Принцип работы термостата элементарен: пользователем задаётся желаемая температура внутреннего воздуха (уставка). При отклонении температуры воздуха в помещении от уставки на величину гистерезиса (разница между температурами включения и выключения), происходит переключение контактов реле, через которые на сервопривод подаётся электропитание. В зависимости от схемы подключения и типа сервопривода (нормально открытый или нормально закрытый), происходит либо открытие, либо закрытие термостатического клапана, регулирующего подачу теплоносителя в петлю тёплого пола.

Термостат на схеме 1 рисунка 3 при повышении температуры разомкнёт питание нормально закрытого сервопривода и там самым перекроет подачу теплоносителя в петлю. На схеме 2 рисунка 3 термостат подключён к нормально открытому приводу. При повышении температуры воздуха в помещении термостат подаст питание на сервопривод, также перекрыв петлю.

Рис. 3. Принцип работы комнатного термостата и сервопривода

В номенклатуре VALTEC имеется несколько видов комнатных термостатов.

Термостат комнатный проводной с датчиком температуры пола VT.AC602

Рис. 4. Комнатный термостат VT.AC602

Термостат VT.AC602 (рис. 4) кроме встроенного датчика температуры воздуха имеет выносной датчик, который встраивается в конструкцию стяжки тёплого пола в гофрокожухе.

При одновременном подключении двух датчиков встроенный датчик температуры является рабочим, а выносной – предохранительным (заводская настройка). То есть, при превышении предельной температуры на выносном датчике происходит отключение нагрузки, независимо от показаний встроенного датчика. Эта функция особенно полезна при покрытиях пола, чувствительных к повышению температуры (например, паркет).

При выборе в качестве рабочего выносного датчика температуры пола, встроенный датчик температуры воздуха становится предохранительным.

Переключение рабочих датчиков производится на шестиполюсном джампере, расположенном под лицевой панелью (рис. 5).

Рис. 5. Схема переключения датчиков

К термостату подводится питание 220 В, которое он при понижении температуры воздуха ниже уставки передаёт на сервопривод (рис. 6).

Такая схема предусматривает работу только с нормально закрытыми сервоприводами, а также исключает возможность использования зонального коммуникатора VT.ZC8.

Рис. 6. Схема подключения термостата VT.AC602

Термостат комнатный проводной VT.AC701
Термостат VT.AC701 (рис. 7) работает от двух батареек ААА 1,5 В и имеет жидкокристаллический дисплей, который в рабочем режиме отражает текущую температуру воздуха в помещении. Он выполнен в настенном исполнении, то есть крепится непосредственно на стену и не требует устройства гнезда с монтажной коробкой.

Рис. 7. Термостат комнатный VT.AC701

Требуемая температура (уставка) задаётся с помощью двух клавиш на передней панели. Термостат может работать как с нормально открытыми (НО), так и с нормально закрытыми (НЗ) сервоприводами с напряжением 220 В и 24 В. Сервопривод подключается в разрыв цепи питания (рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения термостата VT.AC701

Хронотермостат комнатный проводной с датчиком температуры пола VT.AC709
Давайте представим реальный рабочий день обычной семьи. Утром, когда домочадцы поднимаются с постелей, завтракают и собираются на работу, учебу и т. п., температура воздуха в помещениях должна поддерживаться на уровне 20–22 °С. Затем квартира остаётся на попечение кошек и собак, и вполне достаточно, чтобы температура не опускалась ниже 14–15 °С. Вечером семья возвращается домой, и до тех пор, пока все не улягутся спать, нужно снова поддерживать 20 °С. Наконец семья уснула.

Для нормального здорового сна температура воздуха в помещении не должна превышать 17 °С (рис. 9). Получается, что жильцу несколько раз в день придётся подходить к комнатному термостату и менять его настройку. Но даже в этом случае комфортная температура наступит не сразу. В зависимости от тепловой инерционности конструкций и использованного отопительного оборудования тепловой эффект проявится лишь через 20–30 минут, а то и позже.

Рис. 9. Пример графика температуры воздуха в помещении

Можно, конечно, ничего не регулировать, а по старинке открывать и закрывать форточку, установив на термостате стабильные 20 °С. Владельцы частных домов, коттеджей и квартир, оборудованных теплосчётчиками такому решению уже сейчас не обрадуются. Ведь платить за «открытую форточку» и нагрев «мирового пространства» им приходится из своего кармана. Тем, у кого теплосчётчики ещё не установлены, можно этот метод использовать, если им нравится бегать к форточкам и хлюпать носом от постоянных сквозняков.

Гораздо разумнее поступит тот, кто вместо обычного термостата установит электронный хронотермостат VT.AC709 (рис. 10).

Рис. 10. Хронотермостат проводной VT.AC709

Хронотермостат позволяет программно задавать режимы отопления в разное время рабочих суток и выходных дней. Для этого каждые сутки условно делятся на шесть периодов, время начала каждого из которых задаётся пользователем. То есть, при пятидневной рабочей неделе надо запрограммировать шесть периодов для пяти суток (рабочих) и 2 х 6 = 12 периодов для выходных дней. Для каждого из назначенных периодов задаётся требуемая температура воздуха или пола (при назначении в качестве рабочего выносного датчика).

В любой момент времени хронотермостат позволяет вмешаться в программу и перейти на режим ручного управления. Например, кто-то пришёл с работы раньше обычного. Перейдя на режим временного ручного управления, он назначает нужную температуру, и прибор будет её поддерживать до конца текущего программного периода, игнорируя программную настройку, а затем автоматически вернётся к работе по программе.

В обычных комнатных термостатах гистерезис (разница между температурами размыкания и замыкания контактов) является фиксированной величиной и составляет, как правило, 1 °С.

Кого-то это устраивает, а кому-то желательно поддерживать температуру более точно. Кому-то, наоборот, хочется, чтобы включение/выключение отопительного контура происходило реже. В хронотермостате VT.AC709 гистерезис можно настраивать в диапазоне от 0,5 до 10 °С.

Многие владельцы обычных комнатных термостатов замечают, что температура воздуха, фиксируемая термостатом, часто отличается от температуры, показываемой обычным комнатным термометром. Причин тому может быть несколько: разная температура в разных точках помещения, нагрев прибора при работе, неверная калибровка и т.п. Приходится держать в уме некую поправку, чтобы постоянно корректировать настройку на эту величину. Хронотермостат VT.AC709 имеет режим ручной калибровки встроенного датчика, поэтому поправка будет всегда учитываться автоматически.

Кроме всего прочего, хронотермостат VT.AC709 позволяет включить функцию защиты от замерзания (рис. 11). Даже при выключенном термостате (режим OFF) снижение температуры воздуха ниже 5 °С подаст напряжение на сервопривод, обеспечив циркуляцию теплоносителя.

Рис. 11. Информация, отображаемая на экране и назначение кнопок управления VT.AC709 (синим цветом показано значение заводских настроек)

Выносной датчик температуры пола встраивается в стяжку тёплого пола и служит в качестве предохранительного. При превышении предельно допустимой температуры пола, независимо от текущей температуры внутреннего воздуха, термостат подаст команду на отключение отопления (рис. 12 а и 12 б).

Рис. 12 a. Схемы подключения хронотермостата VT.AC709 к сервоприводам 220 В

Рис. 12 б. Схемы подключения хронотермостата VT.AC709 к сервоприводам 24 В

Хронотермостат комнатный проводной с датчиком температуры пола VT.AC710
В отличие от мдели VT.AC709, хронотермостат VT.AC710 (рис. 13) имеет автономное питание от двух батареек АА по 1,5 В. Выносного датчика температуры пола у этого прибора нет.

Рис. 13. Хронотермостат VT.AC710

В соответствии с введённой недельной программой хронотермостат управляет напольным отоплением, поддерживая в помещении один из двух предварительно заданных режимов («Комфорт» и «Эконом»).

Каждый из семи дней недели разбит на 48 временных зон (по 30 минут каждая), что позволяет пользователю при программировании хронотермостата обеспечить оптимальный климатический режим в помещениях.

Для удобства оперативного управления климатической системой хронотермостат имеет кнопку ждущего режима, которая позволяет при необходимости временно отключить работу программы и действовать по задаваемому пользователю командам.

Состояние реле (замкнуто / разомкнуто) отображается светодиодным индикатором и надписью на жидкокристаллическом дисплее (System ON / System OFF; рис. 14).

Рис. 14. Схема подключения хронотермостата VT.AC710

Хронтермостат комнатный беспроводной VT.AC707
Все ранее рассмотренные комнатные термостаты соединяются с сервоприводом с помощью провода, что не всегда удобно, а в ряде случаев просто невозможно. В этом случае на помощь придёт беспроводной хронотермостат VT.AC707 (рис. 15).

Рис. 15. Хронотермостат беспроводной VT.AC707

В его комплект входит приёмник, который принимает управляющий сигнал от хронотермостата, установленного в обслуживаемом помещении и по проводной схеме передаёт его непосредственно на сервопривод коллекторного блока. Сигнал к приёмнику передаётся по радиоканалу на разрешенной частоте 433 МГц. Приёмник, как правило, располагается рядом с сервоприводом в коллекторном шкафу.

Прибор снабжён сенсорными кнопками управления и позволяет выполнять следующие функции:
• поддержание температуры воздуха в обслуживаемом помещении на уровне, заданном пользователем (программно или вручную);
• дистанционная передача управляющего сигнала на расстояние до 30 м;
• суточное и недельное программирования температурных режимов в помещении (шесть режимов в сутки);
• поддержание режима защиты от замерзания;
• настройка разницы между температурами размыкания и замыкания контактов;
• калибровка показаний встроенного датчика температуры воздуха по данным поверочного термометра;
• экранная индикация режимов работы, времени, температуры воздуха в помещении и заданной для текущего режима температуры воздуха;
• подсветка дисплея;
• блокировка настроек для защиты от несанкционированного вмешательства.

Хронотермостат двухконтурный проводной VT.AC711
Система напольного отопления достаточно часто применяется в качестве дополнения к радиаторному отоплению. В случае использования такой комбинированной схемы, управление отоплением тоже должно быть ком- бинированным. Это значит, что совместная одновременная работа двух систем в межсезонье (при температуре наружного воздуха от –10 до +8 °С) не требуется.

Тёплый пол вполне и сам справится с этой задачей. Для управления комбинированной системой отопления идеально подходит двухконтурный хронотермостат VT.AC711 (рис. 16).

Рис. 16. Хронотермостат двухконтурный VT.AC711

Этот хронотермостат выполняет такие же функции, как и VT.AC709, но управляет уже не одним, а двумя контурами отопления при помощи дополнительного реле. В меню настроек такого термостата введена величина dT, которая определяет зону температур выше уставки, при которой включено только одно реле (рис. 17).

Рис. 17. Схема работы хронотермостата VT.AC711

На термостате задаётся две величины: первая – уставка самого термостата (например 20 °С) и вторая величина – dT (например 3 °С), которая настраивается один раз и применима при любых значениях уставки. Если фактическая температура воздуха в помещении ниже уставки на 0,5 °С (половинное значение гистерезиса), то это означает, что в помещении холодно и необходимо включить и радиаторное и напольное отопление. Такая ситуация возникает, как правило, в пиковые периоды холода, когда на улице устанавливается температура, близкая к зимней расчётной (для Санкт-Петербурга это –28 °С).

При возрастании температуры выше уставки (20 + 0,5 = 20,5 °С) реле, управляющее радиатором, отключается. Таким образом при оптимальном диапазоне температур будет выключен радиатор, но тёплый пол для обеспечения комфорта в помещении останется включённым. Дальнейшее увеличение температуры воздуха до значения 20 + dT + 0,5 = 23,5 °С приведёт к выключению и тёплого пола (рис. 18).

Рис. 18. Схемы подключения хронотермостата VT.AC711

Остывание помещения сначала запустит тёплый пол при температуре 20 + dT – 0,5 = 22,5 °С, а при понижении температуры до значения 20 – 0,5 = 19,5 °С подключится и радиаторное отопление.

По умолчанию, значение dT задана равной 3 °С, однако задавать его рекомендуется, исходя из особенностей конкретной системы и тепловой инерционности помещения.

Таблица 2. Основные технические характеристики комнатных термостатов