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.

OOO «Клим-Эко»

Проектирование, монтаж, сервисное обслуживание систем вентиляции, кондиционирования, отопления, водоснабжения и канализации

Принцип погодозависимого управления

Давайте рассмотрим как происходит регулирование комнатной температуры в зависимости от изменений температурных условий на улице. При программировании контролера управления отоплением, устанавливается температурная кривая. Она отражает зависимость температуры теплоносителя, находящегося в контуре системы отопления от температуры на улице. Так при +20°С на улице температура теплоносителя тоже равна +20°С (это первая точка кривой). Это значит что при таких условиях в отоплении нет необходимости. Соответственно, когда температура теплоносителя +70°С (вторая точка кривой), то даже в самую холодную погоду в помещении будет держатся заданная температура +23°С. Температурная кривая позволяет выставить номинальный режим работы автономной отопительной системы в зависимости от утепления здания. При производстве контроллера в память прибора задается много вариантов температурных кривых. Это позволяет выбрать подходящий вариант, который будет соответствовать для условий вашего здания.

Для максимальной экономии энергоресурсов и обеспечения теплового комфорта устанавливается два датчика температуры. Один с которых устанавливают внутри помещения, а другой на улице. Это позволяет точно и эффективно отслеживать, а также регулировать температуру в доме.

Датчик для контроля температуры в помещении устанавливается в комнате, температура в которой будет соответствует вашему восприятию теплового комфорта. В этой комнате не должно быть сквозняка и на неё не должны воздействовать прямые солнечные лучи. Когда система автоматического управления снимает данные с датчиков, она в соответствии с температурной кривой рассчитывает необходимое количество тепла. Также рядом с датчиком в удобном месте можно установить термостат, с помощью которого можно задавать необходимую температуру в помещении.

Могут возникать проблемы с комнатным датчиком, если в комнате где он установлен открыть на долго окно для проветривания или затопить камин. Это приведет к изменению общей температуры во всем здании. Чтобы такого не произошло в системе управления устанавливается коэффициент влияния комнатного датчика на характер кривой. Но в общем не рекомендуется устанавливать датчик в тех комнатах, где на него будут влиять посторонние факторы.

Если установить только комнатный датчик, не устанавливая наружный то существенно увеличится инерционность системы регулирования температуры. Изменения температуры будут происходить с запозданием по той причине, что система автоматики сработает лишь тогда, когда температура в помещении понизится, а это происходит значительно позже похолодания на улице.

В современных системах автоматического управления предусмотрено большое количество функций, которые позволяют не только регулировать параметры температуры, а также обеспечивают правильную, бесперебойную и безопасную работу системы отопления.

Явно заданная кривая отопления

Управление газовым котлом: оглавление

Логика управления котлом Vaillant

Новая прошивка

Еще раз вернусь к теме про автоматическое управление газовым котлом. Понимая, что моя аппроксимация температурных кривых далека от идеала, добавил в скетч возможность явно задавать кривую.

Как это работает. Мы явным образом задаем значения температурной кривой через массив. Например, мы знаем, что при температуре на улице в -10°C котел в контуре отопления должен выдавать 61°C. Составляем табличку от -30 до +30 с шагом в градус:

30	.	10	9	.	-10	-11	.	-30
1	.	38	40	.	61	62	.	70

А затем, нижнюю строку этой таблицы представляем в виде массива:

В функцию calc_temp() после строки

temp_n = (a * x * x) + (b * x) + c;

вставляем следующий код:

Теперь, если мы в настройках зададим кривую отопления больше 1.5, например 1.6, то котел будет управляется через явно заданную кривую. Как нарисовали, так и будет работать.

Краткие итоги после зимы. Все отработало на отлично, к котлу теперь подхожу только проверить давление в системе. Глюков не было, температуру держит железно.

В Леруа Мерлен приобрел пластиковый инструментальный ящик, в который все оборудование прекрасно влезло (на фото). Дополнил систему модулем nRF24L01, теперь через вторую Ардуину прибор мне шлет СМС о состоянии системы отопления, температуре в доме и на улице. Но это уже другая история, возможно, напишу потом.