Погодозависимое регулирование мощности системы отопления

Нет плохой погоды

В недавнем прошлом вопрос тепла в доме решался незатейливо. Замёрз — подкинул дровишек, стало жарко — форточку открыл. По мере роста возможностей отопительного оборудования увеличился и уровень запросов владельцев.

Погодозависимое регулирование позволяет подстраивать параметры системы отопления к реальным погодным условиям. Контроллеры отопления помогают держать комфортный температурный режим в полностью автоматическом режиме.

Автоматическая настройка комфортного режима отопления в доме

Практически все современные котлы уже в базовой комплектации имеют стандартную автоматику, которая управляет горелкой, принимает сигналы от устройств безопасности котла, а также поддерживает заданную температуру теплоносителя.

Для этого используется встроенный непосредственно в котёл термостат с датчиком в подающей или обратной магистрали. Управление температурой теплоносителя производится путём включения/отключения котла в зависимости от величины отклонения текущей температуры от заданной.

Необходимо заметить, что таким образом происходит регулирование именно степени нагрева котла, а не температуры воздуха в доме. Поэтому не избавляет владельца от необходимости постоянно подстраивать работу котла в зависимости от потребности в тепле. При падении уличной температуры воду в системе необходимо будет нагреть сильнее, а когда потеплеет — понизить.

Следующий шаг к усовершенствованию системы — установка программируемого термостата, который позволяет управлять нагревом не только в заданных пределах, но и в зависимости от времени суток и дня недели.

Обеспечиваемый таким регулированием уровень комфорта весьма условен, ведь температура теплоносителя очень грубо зависит от реальных условий за окном. Дом сам по себе обладает огромной тепловой инерцией и изменения в тепловом фоне будут происходить с запозданием, поскольку автоматика начнёт действовать лишь тогда, когда температура в доме, например, понизится, а это произойдет уже немного позже реального похолодания на улице.

Микропроцессорные панели управления позволяют поддерживать разную температуру теплоносителя сразу в нескольких нагревательных контурах.

Под таким контуром понимается часть системы, работающая со своими температурными и гидравлическими характеристиками и имеющая возможность их регулировки. Например, когда котёл обеспечивает теплом не только радиаторную систему, но и низкотемпературную, водяной тёплый пол.

А если в доме несколько комнат и в каждой нужна разная температура воздуха, причём их окна выходят на разные стороны света?

Всё это означает, что регулировать температуру надо в каждой комнате отдельно, причём очень хорошим (и правильно установленным) терморегулятором. Только так можно учесть, светит или нет в окна этой комнаты солнце, обдувает ли её стену ветер и так далее. Если дом большой, могут быть комнаты и похолоднее (редко или вовсе не используемые в данный момент), и потеплее (постоянного нахождения людей).

Автоматизация отопительного газового котла

Применение комнатных терморегуляторов не снимает проблему полностью. Например, комнатный блок подал команду на отключение котла, в то время как за окном резко похолодало и следовало бы, учитывая большую инерционность системы отопления, включить котёл на полную мощность.

Для учёта подобных внешних факторов используется так называемая «погодозависимая автоматика», задача которой заключается в первую очередь в том, чтобы обеспечить максимальный комфорт в доме.

Подобное автоматическое регулирование происходит путём подстройки текущих параметров (мощности, температуры теплоносителя) отопительной системы или её отдельных контуров к реальным погодным условиям, которые сложились в данный момент.

Как правило, в качестве управляющих воздействий используется как внешняя (уличная) температура, так и температура воздуха в помещении. Основные преимущества такого решения — повышение комфортности отопления, более эффективное использование мощности котла и экономия топлива.

В современных контроллерах отопления всё это предусмотрено в качестве штатной функции или за счёт использования дополнительных модулей расширения. Последние способны воспринимать массу ответных сигналов от всевозможных датчиков и выстраивать параметры всех компонентов системы отопления исходя из предварительно заложенного в их память алгоритма, называемого кривой отопления.

Достаточно один раз настроить систему, а дальше только запустил котел и до выключения к нему можно не подходить, всё будет делать автоматика.

Крутизна наклона кривой и её смещение вдоль оси ординат определяются параметрами системы отопления (соотношением мощностей котла и радиаторов отопления, тепловым сопротивлением стен здания, наличием дополнительных внешних источников тепла). Они, как правило, находятся экспериментальным путём, посредством многочисленных наблюдений и анализа накопленного опыта.

Чем точнее будет задана кривая отопления, тем выше окажется эффективность работы системы и экономия энергии. В ряде погодозависимых контроллеров ещё и предусмотрена возможность автоматической подстройки параметров кривой отопления, если режим обогрева длительное время остаётся постоянным.

Датчик на улице позволяет спрогнозировать расход тепла в ближайшем будущем и компенсировать тепловую инерцию постройки.

В том случае, когда здание утеплено недостаточно, для компенсации тепловых потерь потребуется несколько большая температура теплоносителя в отопительном контуре. Соответственно, и наклон кривой будет более крутым. И наоборот, если с теплоизоляцией дома всё в порядке, необходимо выстраивать работу системы по более пологой кривой отопления.

При изготовлении контроллера в память прибора сразу вносят множество подобных кривых, что позволяет выбрать наиболее подходящий для условий конкретного объекта режим работы.

Как правило, для создания максимального уровня теплового комфорта, а также для экономии топлива одного-единственного уличного датчика бывает недостаточно. Поэтому часто монтируют дополнительный датчик внутри обогреваемого помещения. Наличие одновременно и комнатного, и уличного датчиков позволяет более точно отслеживать и оперативно корректировать максимально комфортный температурный фон в доме.

Современные контроллеры отопления не только следят за погодой, но и обладают достаточно большим количеством пользовательских и сервисных функций. Если первые стоят на страже комфорта, то вторые следят за состоянием системы и обеспечивают правильную и безопасную работу оборудования.

Выбор дополнительного регулирующего оборудования для отопительного котла, а тем более его правильная настройка, задача действительно непростая.

Например, в доме размером порядка 100 м 2 с одним высокотемпературным контуром отопления куда проще окажется установить термостат на каждый радиатор.

Однако при увеличении площади дома или же количества контуров отопления, требующих персонального регулирования, установка интеллектуальных систем управления очень даже оправдана. С точки зрения как удобства пользования, так и экономии топлива.

Логика управления котлом Vaillant

Управление газовым котлом: оглавление

Скетч управления котлом

Явно заданная кривая отопления

В прошлый раз мы разобрались с аппаратной частью погодозависимой автоматики. Прежде чем переходить к программной части надо разобраться с логикой управления котлом. Дальше будет немного математики. Простите, но так надо )

Можно придумать разные способы формирования температуры отопительного контура, например, с помощью ПИД (пропорционально-интегрально-дифференцирующего) алгоритма. Но мы пойдем проторенной дорожкой и управлять котлом будем с помощью температурных кривых. В инструкции к регулятору отопления calorMATIC есть такая диаграмма:

С помощью регрессионного анализа аппроксимируем кривые:

T_n = ax 2 + bx + c
a = -0,21k — 0,06
b = 6,04k + 1,98
с = -5,06k + 18,06
x = -0.2*t₁ + 5

Где, T_n – температура контура отопления в зависимости от наружной температуры, t₁ – температура наружного воздуха, k – коэффициент отопительной кривой. Коэффициент подбирается индивидуально, в зависимости от утепления помещения, отапливаемой площади и т.п. В результате аппроксимации получаем такие кривые:

Аппроксимация кривых отопления в значениях 3; 2; 1,5; 1; 0,6.

На температурные кривые также влияет желаемая комнатная температура. Из инструкции к регулятору отопления мы видим, что кривые рассчитаны на температуру в помещении в 20°C:

При увеличении желаемой комнатной температуры на 1°C кривая смещается примерно на 5°C:

Где T_k — Поправка на желаемую комнатную температуру, T_u — пользовательские установки комнатной температуры.

Последним фактором, влияющим на температуру отопления, будет термостат. В инструкции, если температура в помещении ниже, чем 0,125°C от желаемой или 0,19°C выше, то происходит включение или выключение отопительного контура. Мы же будем управлять не термостатом котла (контакты 3 и 4), а температурой отопительного контура: если температура ниже 0,25°C от желаемой мы прибавим 1,25°C к отопительной кривой и наоборот. Т.о. мы будем пытаться управлять температурой в помещении косвенно модулируя пламя горелки.

Где T_t — поправка термостата, T_u — пользовательские установки комнатной температуры, T₂ — фактическая комнатная температура. Т.о. расчетная температура конура отопления T состоит из трех компонентов:

Где T_n – температура контура отопления в зависимости от наружной температуры, T_k – поправка на желаемую комнатную температуру, T_t – поправка термостата.

Для чего нужна погодозависимая автоматика

В настоящей публикации на основе требований к микроклимату отапливаемых помещений жилых зданий, полученных ранее экспериментальных данных, а также известных законов физики, показана необходимость использования погодозависимой автоматики регулирования температуры теплоносителя в контуре системы отопления дома, находящегося на юго-востоке Московской области; приводится упрощённый расчёт и построение погодозависимой кривой отопления в сравнении с практическими значениями температуры теплоносителя.

Что содержит и как работает погодозависимая автоматика контура системы отопления

В простейшем случае погодозависмая автоматика контура системы отопления содержит:

• Специальный терморегулятор цифровой [погодозависимый контроллер];
• Датчики температуры уличного воздуха и температуры теплоносителя (воды);
• Трехходовой смесительный кран (клапан) с электрическим сервоприводом — исполнительное устройство;

Термодатчики для замера температур уличного воздуха и воды в контуре системе отопления подключаются к контроллеру, который управляет электрическим сервоприводом трехходового смесительного крана по определённому алгоритму. В целом алгоритм температурного регулирования заключается в корректировке температуры теплоносителя при изменении температуры воздуха на улице: с понижением последней температура теплоносителя повышается и наборот. Улучшенные цифровые терморегуляторы могут учитывать тепловую инерционность здания и системы отопления, устанавливаемые в настройках этого устройства. Более сложная погодозависимая автоматика может включать другие дополнительные датчики и исполнительные устройства, используя продвинутую программную логику.

Преимущества погодозависимой автоматики

Инженерно-технические специалисты осознают преимущества такой автоматики в экономии:

человеческих временных затрат

практически полностью отпадает необходимость по несколько раз за сутки вручную регулировать температуру воды в контуре системы отопления при изменении погодных условий;

топлива [природный газ, сжиженный газ, уголь или дрова, пеллеты и т.п.] или электрической энергии;

рациональное терморегулирование теплоносителя способствует сокращению потребления топлива и более рациональному использованию тепловой энергии, в особенности, при значительных перепадах суточних дневных и ночных температур уличного воздуха, что характерно весной и осенью;

денежных средств и затрат времени на содержание, ремонт и обслуживание контура системы отопления;

автоматика не допускает излишнего нагрева и, тем более, перегрева деталей и узлов контура системы отопления, позволяя продлить их срок службы, который, как известно, возрастает по экспоненциальной зависимости с падением рабочей температуры.

Недостатки погодозависимой автоматики

Недостатки могут проявляться только в основных показателях качества продукции:

• в функциональном назначении;
• в надежности;
• технологичности;
• безопасности и т.п.

Однако в подавляющем большинстве практических случаев после установки (монтажа) и настройки параметров качественного терморегулятора никакое его периодическое обслуживание не требуется. Для примера погодозависимая автоматика, содержащая трёхходовой смесительный кран и его сервопривод компании MUT, успешно выполняет своё функциональное назначение с 2015 года: вначале с терморегулятором ТРЦ-03 и теперь с МАПК ТРЦ-04 без затрат на периодическое обслуживание.

Необходимость регулирования температуры теплоносителя

В соответствии с п. 4.16.2 ГОСТ Р 51617-2000 в отапливаемых помещениях жилых зданий, коммунальных гостиниц и прочих коммунальных мест проживания должна быть обеспечена температура воздуха в соответствии с требованиями СНиП 2.08.01. Согласно этим документам оптимальнными показателями микроклимата помещений являются: темпертаура воздуха в жилых комнатах +18. +20 градусов Цельсия; в кухнях, гардеробных и коридорах +18 градусов Цельсия, при обеспечении необходимого воздухообмена в этих помещениях.

Когда температура воздуха внутри жилых помещений здания превышает температуру уличного воздуха, вследствие второго закона термодинамики происходит передача тепловой энергии от горячего источника к более холодному до наступления термодинамического равновесия, суммарное количество теплоты, переданное в окружающую среду, описывается основным уравнением теплопередачи:

которое представляет собой сумму тепловых потерь от всех i-х наружных поверхностей жилого здания: стены, окна (стеклопакеты), чердачные и подвальные помещения и т.п. В этой формуле площади наружных поверхностей здания, т.е. поверхности теплообмена S_i — константы. Осреднённый коэффициент теплопередачи K_i вдоль поверхности теплообмена S_i зависит от физических свойств и температур воздуха внутри жилых помещений и на улице, скорости ветра, физических свойств материалов перегородок и их геометрических размеров [ стены / стеклопакеты / утеплитель ] и т.п.

Закон Ньютона при охлаждении позволяет оценить количество тепла, отведённого с суммарной площади S_r радиаторов системы отопления при известном коэффициенте теплоотдачи α_{air_inside} и разности между осреднёнными температурами теплоносителя t_wd и воздуха t_{air_inside} внутри помещений.

Экспериментальные данные в виде точек и функциональная зависимость в качестве штрих пунктирной кривой, полученная при их обработке, показаны на графике суммарных тепловых потерь здания в зависимости от средней суточной температуры уличного воздуха для скорости ветра до

5,0 метров в секунду и при условии поддержания температуры воздуха внутри отапливаемых помещений на уровне +20 градусов Цельсия.

Характер изменения тепловых потерь хорошо аппроксимируется с помощью квадратичной степенной зависимости. Принимается практическое условие: при +20 градусах Цельсия погодозависимая автоматика не работает и тепловые потери здания отсутствуют; при нуле градусов они возрастают до 6,8 киловатт за час, с падением температуры уличного воздуха до -20 градусов дом теряет примерно 11 киловатт тепловой энергии за тот же промежуток времени.

Погодозависимая кривая отопления

Функциональную зависимость необходимого изменения температуры теплоносителя в системе отопления от температуры уличного воздуха будем называть погодозависимой кривой отопления . При вполне определённых суммарных тепловых потерях здания можно оценочно определить значения необходимой температуры теплоносителя и, тем самым, рассчитать по приведенным ниже формулам и впоследствии построить погодозависимую кривую отопления. Для этого запишем следующие выражения и принятые значения параметров:

Первое уравнение представляет баланс между суммарными теплопотерями здания в окружающую среду, и подводимой тепловой энергией от системы отопления при условии обеспечения постоянства температуры воздуха внутри помещений t_{air_inside} на уровне около +20 градусов Цельсия за одинаковый промежуток времени. Следующая зависимость является аппроксимацией экспериментальных данных суммарных тепловых потерь нашего дома в виде квадратичной функции. Общая площадь теплоотводящей поверхности S_r рассчитывается исходя из 136 шт. радиаторных секций, каждая из которых имеет площадь поверхности 0,435 м 2 [расчёт радиаторной системы отопления]. Коэффициент теплоотдачи α_{air_inside} оценивается по известной эмпирической зависимости для радиаторов RIFAR ALUM 500. Последняя формула * получена из первой при подстановке всех слагаемых, коэффициенты a, b и c — входят в квадратичную зависимость суммарных теплопотерь.

Расчёт и построение погодозависимой кривой

Для расчёта и построения погодозависимой кривой отопления воспользуемся последней формулой при варьировании температуры уличного воздуха t_{air_outside} от +20 до -20 градусов Цельсия. На графике ниже в виде точек — прямоугольников показаны экспериментальные данные температур воды при работе погодозависимого контроллера ТРЦ-03 с альтернативной кривой отопления номер 5.

Полученная расчётный путём погодозависимая кривая отопления имеет выраженный наклонный характер. Для обеспечения комфортных условий и микроклимата с температурой воздуха +20 градусов Цельсия в жилых помещениях рассматриваемого жилого дома с радиаторной системой отопления: при нулевой температуре уличного воздуха температура теплоносителя должна быть около +45 градусов Цельсия, с падением температуры воздуха на улице до -20 градусов Цельсия температура воды должна быть повышена до +58 градусов Цельсия, т.е., как минимум, на 13 градусов.