STUDIA PODYPLOMOWE

Efektywne użytkowanie energii

audyt energetyczny na potrzeby termomodernizacji

oraz oceny energetycznej budynków

Tytuł wykładu

Energooszczędne elektryczne urządzenia i systemy grzewcze - cz.II

Prowadzący

Dr inż. Zbigniew Waradzyn

4. Sterowanie i regulacje w systemach elektrycznego ogrzewania budynków

4.1. Przykładowe wymogi przepisów prawnych

Przepisy prawne wymagają lub zalecają zastosowania układów regulacji w systemach ogrzewania budynków, także elektrycznego, aby zminimalizować zużycie energii. Poniżej podano fragmenty takich aktów prawnych.

a) Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [17].

• §134 ust 4.

„Grzejniki oraz inne urządzenia odbierające ciepło z instalacji ogrzewczej powinny być zaopatrzone w regulatory dopływu ciepła. (…)”

• §134 ust 5.

„W budynku zasilanym z sieci ciepłowniczej oraz w budynku z własnym (indywidualnym) źródłem ciepła na olej opałowy, paliwo gazowe lub energii elektrycznej, regulatory dopływu ciepła do grzejników powinny działać automatycznie, w zależności od zmian temperatury wewnętrznej
w pomieszczeniach, w których są zainstalowane. Wymaganie to nie dotyczy budynków jednorodzinnych, mieszkalnych w zabudowie zagrodowej i rekreacji indywidualnej, a także poszczególnych mieszkań oraz lokali użytkowych wyposażonych we własne instalacje ogrzewcze.”

• §134 ust 6.

„Urządzenia, o których mowa w ust. 5, powinny umożliwiać użytkownikom uzyskanie w pomieszczeniach temperatury niższej od obliczeniowej, przy czym nie niższej niż 16°C w pomieszczeniach o temperaturze obliczeniowej 20°C i wyższej.”

• §134 ust 9.

„W budynku, w którym w sezonie grzewczym występują okresowe przerwy w użytkowaniu, instalacja ogrzewcza powinna być zaopatrzona w urządzenia pozwalające na ograniczenie dopływu ciepła w czasie tych przerw.”

b) norma PN-EN 14337:2006 (oryg.) Instalacje ogrzewcze w budynkach - Projektowanie i montaż elektrycznych instalacji do bezpośredniego ogrzewania pomieszczeń [18].

• Na temperaturę wewnętrzną należy wpływać z uwzględnieniem oszczędności energii oraz zachowania ciągłego komfortu cieplnego.

• Układ regulacji systemu ogrzewczego powinien umożliwić utrzymywanie zadanej temperatury wewnętrznej przy zmieniających się warunkach. System ogrzewczy powinien być wyposażony w elementy regulacyjne.

• Układ regulacji powinien być tak zaprojektowany, aby umożliwić użytkownikowi wybór temperatury wewnętrznej z określonego zakresu.

• Elementy regulacyjne powinny znajdować się w łatwo dostępnym miejscu.

• Czujniki temperatury powinny być umieszczone w miejscu reprezentatywnym dla ogrzewanej przestrzeni i w taki sposób, aby zapobiec niepożądanym efektom, jak np. bezpośredni wpływ promieniowania słonecznego.

4.2. Pomiary temperatury

4.2.1. Temperatura - informacje podstawowe

Temperatura jest wielkością fizyczną o podstawowym znaczeniu dla przebiegu wszelkich procesów fizjologicznych, fizycznych i chemicznych. Jej odpowiednia wartość decyduje o funkcjonowaniu i rozwoju wszystkich organizmów żyjących na Ziemi, jak również o prawidłowym działaniu urządzeń technicznych.

Istnieją dwie definicje temperatury [15]:

• parametr stanu cieplnego ciała, będący miarą średniej energii kinetycznej poszczególnych jego cząsteczek,

• (def. Maxwella) - stan cieplny rozpatrywany w odniesieniu do jego zdolności przekazywania ciepła innym ciałom. Trzeba go przedstawić liczbą. Większe wartości liczbowe przypisuje się stanom cieplnym ciał mających większą zdolność do przekazywania ciepła innym ciałom.

Obecnie obowiązuje Międzynarodowa Skala Temperatur - MST-90. Oparta jest ona na temperaturach w określonych punktach stałych. Należą do nich m. in. punkt wrzenia wodoru w równowadze (-252,85 °C), punkt potrójny wody (0,01 °C) oraz punkt krzepnięcia miedzi (1084,62 °C) [15]. Temperatury te dotyczą określonych ciśnień.

W MST-90 wyróżnia się Temperaturę Międzynarodową Kelvina - T₉₀ oraz Temperaturę Międzynarodową Celsjusza - t₉₀. Jednostkami temperatury są: kelwin oznaczany symbolem K, zdefiniowany jako 1/273,16 temperatury punktu potrójnego wody, oraz stopień Celsjusza o symbolu °C, równy jednemu kelwinowi. Zachodzi znana zależność t₉₀(°C) = T₉₀(K) - 273,15.

W niektórych krajach anglosaskich, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych stosuje się skalę Fahrenheita. W tablicy 3 podano sposób przeliczanie temperatur pomiędzy poszczególnymi skalami termometrycznymi, a w tabl. 4 - podano kilka charakterystycznych temperatur w poszczególnych skalach.

Tablica. 3. Przeliczanie temperatur pomiędzy skalami termometrycznymi

Dane		Poszukiwane w:
	°C	K	°F
x °C =	x	x + 273.15	1,8x + 32
x °F =	(x-32)5/9	(x-32) 5/9 + 273.15	x
x K =	x - 273.15	x	1,8(x - 273.15)+ 32

Tablica 4. Kilka przykładów temperatur w różnych skalach termometrycznych

	°C	K	°F
	100	373,15	212
	37.78	310,93	100
	36.6	309,75	97.88
	0	273,15	32
	-17.78	255,37	0
	-30	243,15	-22
	-40	233,15	-40
	-273.15	0	-459.67

4.2.2. Wybrane czujniki do pomiaru temperatury

Temperatury nie można zmierzyć bezpośrednio - stąd jej pomiary dokonywane są tylko w sposób pośredni, poprzez pomiar jakiejś wielkości, której zmienność w funkcji temperatury jest znana. Ta mierzona wielkość, pojawiająca się na wyjściu tzw. przetwornika wstępnego, stanowi sygnał pomiarowy. Przetwornik wstępny bywa też nazywany czujnikiem termometrycznym lub termometrem. Sygnał pomiarowy może oddziaływać na dalsze elementy układu pomiarowego (przetworniki), które przekształcają go do wymaganej postaci wyjściowej (np. napięcia z przedziału 0 ÷ 10 V lub prądu 4 ÷ 20 mA). Wielkości fizycznych wykorzysty-wanych do pomiaru temperatury jest wiele, m. in. objętość cieczy, długość taśmy metalowej, rezystancja przewodnika lub półprzewodnika, siła termoelektryczna.

Tradycyjnie przyrządy do pomiary temperatury dzieli się na stykowe (większość z nich) i bezstykowe (pirometry). Stosując inne kryterium podziału rozróżnia się przyrządy nieelektryczne i elektryczne.

Poniżej zostaną krótko opisane wybrane czujniki stosowane do pomiaru temperatury.

Bimetale

Bimetal to taśma wykonana z dwu różnych metali lub stopów o różnych wartościach cieplnych współczynnikach rozszerzalności liniowej. Metale te łączy się przez zgrzewanie lub zwalcowanie na gorąco. W temperaturze spoczynkowej (najczęściej 20 °C) taśma jest płaska. Wraz ze zmianą temperatury taśma się wygina, przy czym stopień wygięcia jest miarą temperatury.

Bimetale stosowane są m. in. w termostatach żelazek, grzejników itp., a także w niektórych regulatorach temperatury.

Czujniki rezystancyjne

Do budowy czujników rezystancyjnych stosuje się tzw. rezystory termometryczne w postaci cienkich drucików wykonanych z odpowiedniego metalu. Wykorzystuje się w nich zmianę (wzrost) rezystancji metalu ze wzrostem temperatury. W uproszczeniu można przyjąć, że ta zależność jest liniowa:

(1)

gdzie

R_t - rezystancja przewodu z danego metalu w temperaturze t °C,

R₀ - rezystancja tego przewodu w temperaturze 0 °C,

α - współczynnik określający zmianę rezystancji danego metalu z temperaturą,

Δt­ - przyrost temperatury ponad 0 °C.

Współczynnik α podawany jest najczęściej dla zakresu od 0 do 100 °C i wynosi wtedy:

(2)

gdzie

R₁₀₀ - rezystancja przewodu z danego metalu w temperaturze 100 °C.

Rezystory termometryczne wykonuje się najczęściej z platyny, niklu i miedzi, gdyż te pierwiastki najlepiej spełniają wymogi stawiane metalom, z których można wykonać dobre czujniki temperatury. W tablicy 5 podano zakres temperaturowy stosowania poszczególnych metali oraz ich współczynnik α.

Tablica 5. Właściwości metali stosowanych na czujniki termometryczne [15]

Materiał	Zakres temperatur °C	α 1/K	R100/Ro
Platyna	-250 ÷ +1000	0,00385	1,385
Nikiel	-60 ÷ +180	0,00617	1,617
Miedź	-50 ÷ +150	0,00426	1,426

Rezystory termometryczne z uwagi na delikatną konstrukcję nie mogą być na ogół stosowane bezpośrednio do pomiaru temperatury. Poza ochroną mechaniczną muszą być zabezpieczone także przed wilgocią, wpływami chemicznymi, itd. Dlatego są montowane w odpowiednich osłonach tworząc czujnik rezystancyjny. Klasycznym przykładem jest czujnik Pt100, zawierający w swojej nazwie informacje o tym, że jest wykonany z platyny oraz o tym, że jego rezystancja w temperaturze 0 °C wynosi 100 Ω.

Czujniki termistorowe

Termistory są to rezystory wykonane z półprzewodników. Ich rezystancja, podobnie jak rezystancja metali, zmienia się z temperaturą. Jednak w tym przypadku ze wzrostem temperatury rezystancja najczęściej maleje (termistory NTC). Zmiana rezystancji jest nieliniowa i znacznie większa niż w omówionych wcześniej rezystorach termometrycznych. Nieliniowość jest oczywiście wadą, gdyż trudniej jest „przeliczyć” rezystancję termistora na temperaturę. Natomiast znaczna zależność rezystancji termistora od temperatury jest zaletą, gdyż ułatwia uzyskanie większej dokładności pomiaru.

Z termistorów buduje się najczęściej tzw. czujniki NTC (ang. negative temperature coefficient). Są one często stosowane do pomiaru temperatury w systemach ogrzewania budynków i można je spotkać w ofercie wielu firm.

Rys. 21. Zależność rezystancji czujnika NTC typu A (-10°C ÷ +50°C) od temperatury [20]

Czujniki w systemach ogrzewania budynków

W zależności od miejsca umieszczenia rozróżnia się czujniki powietrzne (stosowane w pomieszczeniach) oraz podłogowe (zatapiane w podłodze przy ogrzewaniu podłogowym). Czujniki powietrzne mogą być w wykonaniu zwykłym lub hermetycznym.

Czujniki posiadają też różne zakresy pomiarowe. Przykładowo czujnik stosowany na zewnątrz budynku powinien charakteryzować się szerszym zakresem temperatur ujemnych niż czujnik wewnętrzny.

Rys. 22. Przewodowy (podłogowy) czujnik temperatury typu NTC (25^oC / 15 kΩ). Przewód o długości 3,0 m

Rodzaj stosowanego czujnika temperatury zależy od rodzaju instalacji grzewczej, rodzaju użytego regulatora oraz wymaganego zakresu temperatur. Producenci podają też maksymalną długość przewodów podłączeniowych czujników (np. przewód LgY2 x 1,5 mm²)., która nie wpływa na dokładność pomiaru temperatury. Przykładowa długość przewodów - do 50 m.

Czujniki podłogowe wraz z przewodem są pokryte odpowiednim materiałem odpornym na temperaturę, np. gumą silikonową wytrzymującą temperaturę do 160 °C.

4.3. Przykładowe sposoby regulacji temperatury

4.3.1. Regulacja dwustawna (dwupołożeniowa, załącz/wyłącz)

Regulacja dwustawna (dwupołożeniowa) jest często stosowaną metodą regulacji temperatury w urządzeniach grzejnictwa elektrycznego. Polega ona na cyklicznym załączaniu i wyłączaniu pełnej mocy w taki sposób, aby utrzymać zadaną średnią temperaturę. Na rysunku 23 przedstawiono układ dwustawnej regulacji temperatury, w którym S oznacza ogólnie tzw. obiekt regulacji, np. piec lub pomieszczenie, Reg - regulator dwustawny, W - element wykonawczy (stycznik), a T - czujnik temperatury.

Rys. 23. Układ dwustawnej regulacji temperatury

Zasadę regulacji dwustawnej w stanie ustalonym przedstawiono na rys. 24. Po załączeniu pełnej mocy P_n temperatura rośnie i po przekroczeniu zadanej wartości
(histereza regulatora) następuje wyłączenie mocy. Temperatura maleje i gdy spadnie poniżej wartości zadanej, moc czynna zostaje ponownie załączona. Podobny cykl łączeń powtarza się wielokrotnie prowadząc do stanu oscylacji ustalonych. Z przebiegów łatwo zauważyć, że po wyłączeniu mocy czynnej temperatura jeszcze rośnie przez pewien czas, zaś po załączeniu - maleje. Wynika to z bezwładności cieplnej obiektu. Rysunek 24 uwzględnia również bezwładność cieplną samego czujnika - stąd wynika różnica temperatur czujnika (linia przerywana) i samego obiektu (linia ciągła).

W tej metodzie regulacji temperatura nie jest więc stała, lecz podlega ciągłym oscylacjom. Zaletami regulacji dwustawnej są prostota układu, duża niezawodność, łatwość konserwacji i niska cena. Wadą jest stosunkowo duża pulsacja temperatury, jednak w wielu zastosowaniach nie stanowi ona problemu.

4.3.2. Regulacja ciągła

Regulację ciągła charakteryzuje ciągłość w czasie i poziomie sygnałów sterujących. Jest ona stosowana, gdy wymagana jest duża dokładność utrzymywanej temperatury. Dawniej udział układów regulacji ciągłej był stosunkowo niewielki. Jednakże w ostatnich latach następuje szybki rozwój elektroniki, w tym techniki cyfrowej, powodując łatwy dostęp do mikroprocesorów i mikrokontrolerów, których koszt jest obecnie niewielki. Sprawia to, że obecnie układy regulacji ciągłej są szeroko stosowane.

Z uwagi na sposób wyznaczania sygnału sterującego na podstawie sygnału błędu regulacji regulatory ciągłe dzieli na proporcjonalne (P), proporcjonalno-całkowe (PI), proporcjonalno-różniczkowe (PD) i proporcjonalno-różniczkowo-całkowe (PID).

Rys. 24. Zasada dwustawnej regulacji temperatury

Schemat elektryczny układu ciągłej regulacji temperatury przedstawiono rys. 25. Temperatura 
wnętrza obiektu, będąca wielkością regulowaną, jest mierzona czujnikiem termometrycznym T. Sygnał z czujnika podawany jest do regulatora Reg o wyjściu ciągłym. Regulator steruje członem wykonawczym W (tyrystor, triak lub stycznik) doprowadzającym moc grzejną do obiektu. W uproszczeniu można powiedzieć, że regulator taki jest w stanie przewidzieć z wyprzedzeniem osiągnięcie temperatury zadanej i odpowiednio wcześniej zmniejszyć lub wyłączyć moc. Umożliwia to uzyskanie niewielkich oscylacji temperatury.

Na rysunku 26 przedstawiono przykładowy przebieg temperatury po skokowej zmianie sygnału wejściowego w przypadku zastosowania regulatora PID. Podobna sytuacja może mieć miejsce po włączeniu grzejnika w wychłodzonym pomieszczeniu. Temperatura rośnie z malejącymi oscylacjami (oscylacje na rysunku są wyolbrzymione), które w przypadku właściwego doboru regulatora po pewnym czasie stają się bardzo niewielkie.

Rys. 25. Układ ciągłej regulacji temperatury

Rys. 26. Odpowiedź zamkniętego układu PID na skokową zmianę sygnału wejściowego

Jakość regulacji ocenia się zwykle na podstawie przebiegu procesów przejściowych po skokowej zmianie wielkości zadanej, jak na rys. 26. Wielkościami charakteryzującymi jakość regulacji mogą być wartość pierwszego przeregulowania
i czas regulacji
(czas po którym, licząc od chwili wystąpienia zmiany sygnału zadającego
, wielkość regulowana różni się od wartości zadanej mniej niż wynosi dopuszczalna założona odchyłka
).

4.4. Regulacja temperatury w budynkach

Podstawowymi celami regulacji temperatury w budynkach są:

• osiągnięcie i utrzymywanie nastawionej temperatury wewnętrznej,

• zabezpieczenie budynku przed zamarznięciem i uszkodzeniami spowodowanymi zawilgoceniem.

Dzięki właściwemu układowi regulacji uzyskuje się komfort cieplny oraz oszczędność energii.

4.4.1. Sposoby regulacji oraz poziomy jakości układu regulacyjnego

Norma PN-EN 14337:2006 (oryg.) Instalacje ogrzewcze w budynkach - Projektowanie i montaż elektrycznych instalacji do bezpośredniego ogrzewania pomieszczeń [18] określa trzy sposoby regulacji:

• centralna (ang. central control),

• miejscowa (ang. local control),

• strefowa (ang. zone control).

Dla każdego z podanych sposobów regulacji norma [18] określa trzy poziomy jakości układu regulacyjnego:

• automatyczny (ang. automatic),

• programowany (ang. timing function) - dostawa ciepła jest załączana i wyłączana lub ograniczana podczas przewidzianych okresów,

• optymalizujący (ang. advanced timing function) - podobnie jak wyżej, dodatkowo chwile załączania i wyłączania są optymalizowane na podstawie różnych kryteriów, łącznie ze zmniejszeniem zużycie energii.

W podobny sposób określone są sposoby regulacji oraz poziomy jakości układu regulacyjnego dla systemów centralnego ogrzewania wodnego w normie PN-EN-12828:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach - Projektowanie wodnych instalacji centralnego ogrzewania [19]. Różnica polega na tym, że w tym drugim przypadku podaje się jeszcze jeden poziom - ręczny (M). Z uwagi na różnice w działaniu ogrzewania wodnego i elektrycznego różne są także rozwiązania regulatorów.

Regulacja miejscowa 

Regulacja miejscowa polega na sterowaniu pracą grzejników (ich załączaniu i wyłączaniu) na podstawie temperatury ogrzewanego pomieszczenia. Norma [18] zaleca, aby każde ogrzewane pomieszczenie lub grzejnik posiadały własny układ automatycznej regulacji temperatury.

Regulacja ta powinna umożliwiać:

• wybór temperatury dogodnej dla użytkownika,

• utrzymywanie temperatury wybranej dla każdego pomieszczenia, na przykład innej w pokoju dziennym, innej w sypialni, pokojach dzieci czy łazience;

• wykorzystanie darmowych źródeł energii, jakimi są zyski ciepła od nasłonecznienia, oświetlenia, działających urządzeń elektrycznych oraz osób przebywających w pomieszczeniu.

Regulacja strefowa

Regulacja strefowa jest to regulacja obejmująca strefę. Strefa oznacza tu pomieszczenie lub grupę pomieszczeń o podobnych charakterystykach temperaturowych. Oznacza to m. in., że zarówno straty cieplne oraz zyski ciepła powinny być we wszystkich pomieszczeniach podobne. Także wszystkie źródła ciepła powinny mieć takie same charakterystyki.

Temperatura strefy jest mierzona jednym czujnikiem zlokalizowanym w miejscu reprezentatywnym dla całej strefy, czyli takim, które gwarantuje możliwie najdokładniejsze określenie temperatury strefy.

Regulacja centralna

Regulacją centralną nazywane są mechanizmy pozwalające z jednego punktu domu wpłynąć na zmianę temperatury we wszystkich lub dowolnie wybranych punktach grzewczych. W instalacjach ogrzewania elektrycznego można to zrealizować poprzez:

• cykliczne włączania i wyłączania dopływu energii - rys. 27,

• oddziaływanie (zdalne sterowanie) na urządzenia do regulacji lokalnej - rys. 28.

Regulację centralną należy stosować wtedy, gdy regulacja miejscowa lub strefowa nie jest wystarczająca dla osiągnięcia parametrów projektowych.

Przy zastosowaniu regulacji centralnej można korzystać z czujnika temperatury zewnętrznej, tzw. czujnika pogodowego, współpracującego z odpowiednim regulatorem. Podstawowym warunkiem właściwego działania regulatora jest poprawny odczyt parametrów niezbędnych do jego pracy. Dlatego czujnik temperatury zewnętrznej nie może być nasłoneczniony, nie powinny też na niego oddziaływać żadne inne źródła ciepła lub zimna. Z tego powodu należy go instalować na północnej lub północno-wschodniej ścianie budynku, z dala od otworów okiennych i drzwiowych.

	Rys. 27. Przykład wydzie-lonego obwodu zasilania grzejników elektrycznych z regulatorem centralnym i regulatorami miejscowymi (termostatami), na podsta-wie [18] 1 - grzejniki, 2 - regu-lator centralny, 3 - styki regulatorów miejscowych, 4 - stycznik sterowany regulatorem centralnym, 5 - zegar, 6 - wydzielony obwód elektryczny
	Rys. 28. Przykład zasila-nia grzejników elektrycz-nych z regulatorem centralnym i regulatorami miejscowymi (termostata-mi), na podstawie [18] 1 - grzejniki, 2 - regu-lator centralny, 3 - regu-latory miejscowe, 4 - ma-gistrala sterująca, 5 - obwód elektryczny ogólnego przeznaczenia

Regulator pogodowy, do którego podłącza się czujnik temperatury zewnętrznej, umieszcza się zwykle na ścianie w pokoju. Na rynku oferowane są również regulatory pogodowe z modemem. Zmiany nastaw można wówczas dokonać zdalnie, łącząc się z regulatorem telefonicznie i wybierając na klawiaturze telefonu opcje regulacji i wartości nastaw.

4.4.2. Regulatory

Celem uzyskania zadanej temperatury przy możliwie najniższym zużyciu energii konieczne jest sterowanie pracą urządzeń grzewczych. Dostępnych jest bardzo wiele różnych regulatorów i sterowników przeznaczonych do systemów ogrzewania elektrycznego. Najprostsze to zwykłe termostaty bimetalowe, a najbardziej złożone - rozbudowane zespoły programująco - kontrolujące. Regulatory służące do regulacji temperatury nazywane są także termoregulatorami lub termostatami.

Można wyróżnić regulatory elektromechaniczne i elektroniczne. Regulatory elektroniczne umożliwiają większą dokładność regulacji temperatury (rys. 29).

Regulatory elektromechaniczne

Regulatory elektromechaniczne stosowane głównie w pomieszczeniach, które nie wymagają precyzyjnego regulowania temperatury. Bezwładność tego typu regulatorów nie przekracza 5 °C. Jednakże regulatory wyposażone w tzw. akcelerator termiczny osiągają dokładność pomiaru do 0,5 °C. Regulatory elektromechaniczne wyposażone są w czujniki powietrzne bimetalowe oraz styki sterujące pracą grzejników. Mogą posiadać wskaźnik stanu ogrzewania (dioda LED) oraz możliwość ograniczenia zakresu nastaw. Montowane są natynkowo. Ich podstawowe zalety to prosta budowa i obsługa oraz niska cena.

Rys. 29. Przykładowy przebieg temperatury przy zastosowaniu regulatora elektromechanicznego i elektronicznego [10]

Rys. 30. Przykład regulatora elektromechanicznego [10]

Regulatory elektroniczne

Obecnie najczęściej stosowane są regulatory elektroniczne. Podstawową ich zaletą jest duża dokładność pomiaru temperatury (0,1 °C ÷ 0,3 °C). Pracują bezgłośnie. Wyposażone są w półprzewodnikowy czujnik powietrzny, podłogowy lub powietrzny i podłogowy z zabezpieczeniem podłogi przed przegrzaniem (w przypadku zastosowania w instalacji ogrzewania podłogowego). Wyposażone są w wyświetlacz oraz przyciski. Niektóre regulatory posiadają możliwość współpracy z zewnętrznym zegarem. Montuje się je natynkowo lub podtynkowo. Wiele z nich wyposażonych jest w dodatkowe możliwości, z których niektóre zostały omówione poniżej.

Rys. 31. Przykład prostego regulatora elektronicznego [5]

Regulatory z programatorem

Regulatory programowalne są to bardziej rozbudowane regulatory elektroniczne. Urządzenia takie automatycznie realizują zadany przez użytkownika program.

Można wyróżnić:

• programatory dobowe,

• programatory tygodniowe,

• programatory „inteligentne”.

• Programatory dobowe

Najprostszy programowalny termostat pokojowy ma jeden program dobowy, realizowany w ten sam sposób przez wszystkie dni tygodnia. Bardziej zaawansowane mają dwa programy: na dzień powszedni i weekendowy. Program na dzień powszedni realizowany jest przez wszystkie dni od poniedziałku do piątku, weekendowy - w soboty i niedziele. Program weekendowy można przywołać każdego dnia
w środku tygodnia, gdy wypadnie święto lub mamy dzień wolny od pracy.

• Programatory tygodniowe

Bardziej zaawansowane termostaty z programem tygodniowym umożliwiają realizację innego programu każdego dnia tygodnia. Są idealnym rozwiązaniem dla ludzi aktywnych zawodowo.

Precyzyjne zaplanowanie biegu wydarzeń całego tygodnia (wieczorni goście, oglądanie telewizji do późnych godzin) jest trudne. Dlatego w każdej chwili, gdy jest taka potrzeba, można jednym przyciśnięciem klawisza wprowadzić regulator w tryb pracy dziennej. Gdy wychodzimy z domu, na przykład na zakupy możemy również jednym przyciśnięciem klawisza wprowadzić regulator w tryb pracy z obniżoną temperaturą. Powtórne wciśnięcie klawisza w obu wypadkach przywraca zadany program tygodniowy.

Większość programowalnych termostatów pokojowych ma możliwość ustawienia programu wakacyjnego. Opuszczając dom na dłużej, można zaprogramować liczbę dni oraz temperaturę, jaka ma być przez te dni utrzymywana w budynku. Po zrealizowaniu programu wakacyjnego regulator automatycznie powróci do standardowego programu czasowego.

Na termostatach pokojowych można zwykle ustawić sześć okresów w ciągu doby. Prostsze regulatory mogą realizować w tych okresach tylko temperaturę: dzienną i nocną. Bardziej zaawansowane umożliwiają zaprogramowanie innej temperatury dla każdego okresu.

Rys. 32. Regulator temperatury (termostat zegarowy) z programatorem tygodniowym - panel przedni wraz z opisem funkcji poszczególnych elementów [5]

• Regulator „inteligentny”

Jeśli zwykły, “nieinteligentny” regulator ustawimy tak, by po obniżeniu nocnym, temperatura o godzinie 7 rano wynosiła 20°C, załączy on grzejnik dopiero o tej godzinie i upłynie trochę czasu, zanim temperatura w pomieszczeniu się podniesie.

Aby o godzinie 7 temperatura naprawdę wynosiła 20°C, na termostacie trzeba ustawić nieco wcześniejszą godzinę, aby temperatura w pomieszczeniu zdążyła się podnieść na czas. Natomiast termostat inteligentny działa nieco inaczej - “uczy się” bezwładności domu i systemu centralnego ogrzewania. Znając tę bezwładność, porównuje zadaną i rzeczywistą temperaturę i uruchamia źródło ciepła odpowiednio wcześniej. Jest zatem bardziej efektywny i zapewnia większy komfort.

W tzw. „inteligentnych budynkach” stosuje się regulatory temperatury zintegrowane z całym systemem zarządzania budynkiem.

Należy pamiętać, że regulatory są dostosowane do współpracy z określonymi czujnikami, np. tej samej firmy.

Powyżej podano tylko podstawowe informacje o regulatorach. Mogą one być wyposażone jeszcze w wiele innych pożytecznych funkcji. Szczegóły zawierają opisy fabryczne urządzeń.

Szacuje się, że obniżenie temperatury pomieszczenia o 1 °C daje ok. 5÷6% oszczędności energii. Współpraca regulatora elektronicznego z zegarem pozwala zaoszczędzić nawet do 30% energii.

5. Elektryczne instalacje zasilające urządzenia grzewcze

Elektryczne urządzenia grzewcze w zależności od potrzeby są wyposażone w grzałki o mocy od kilkuset watów do kilkunastu kilowatów.

Przy zasilaniu jednofazowym grzałka pobiera prąd, który można wyliczyć z zależności

(1)

gdzie

I - natężenie prądu pobieranego przez grzałkę w amperach, jednostka A,

P - moc grzałki w watach, jednostka W,

U - napięcie w instalacji zasilającej w woltach, jednostka V. W Polsce napięcie w instalacji jednofazowej wynosi 230 V.

Grzejnik o mocy 2 kW będzie pobierał prąd o wartości 2000/230 A = 8,7 A. Grzejnik taki oraz wszystkie inne o mniejszej mocy mogą więc być zasilane ze zwykłych gniazd wtyczkowych ogólnego przeznaczenia o obciążalności 10 A. Jednakże jeśli grzejnik ma moc 2 kW, to podczas jego pracy z tego samego obwodu nie powinny być zasilane inne odbiorniki (poza odbiornikami o małym poborze mocy).

Odbiorniki o większych mocach budowane są zwykle jako trójfazowe. Wtedy posiadają one trzy grzałki. Prąd pobierany z każdej fazy wynosi:

(2)

przy czym w tym przypadku U oznacza napięcie międzyfazowe wynoszące 400 V.

Grzejnik o mocy 10 kW będzie pobierał prąd I = 10000/(1,732·400) A = 14,43 A. Natomiast prąd odbiornika jednofazowego o takiej samej mocy wynosiłby 42,5 A, czyli byłby trzykrotnie większy.

Dobierając obwód zasilający urządzenie o mocy większej niż 2 kW należy brać pod uwagę zarówno moc grzałki jak i podane przez producenta napięcie zasilania.

Przewidując zastosowanie ogrzewania elektrycznego można zaprojektować obwody ogólnego przeznaczenia o odpowiednio dużej obciążalności, aby można do nich przyłączać grzejniki. Można też wykonać oddzielne obwody zasilania, np. w przypadku stosowania grzejników akumulacyjnych. Przykład wykorzystania obwodu ogólnego przeznaczenia przedstawia rys. 28. Każdy grzejnik jest załączany i wyłączany poprzez własny termostat, a temperatura pracy może być zadawana przez sterownik centralny. Natomiast rysunek 27 przedstawia przypadek, gdy grzejniki są przyłączone do wydzielonego obwodu. Napięcie w tym obwodzie jest załączane i wyłączane przez sterownik centralny sprzężony z zegarem.

Rysunki 27 i 28 przedstawiają tylko uproszczony schemat obwodów i pomijają przewód ochronny. Według obecnych standardów obwody jednofazowe muszą być wykonane jako trójprzewodowe: przewód fazowy L, przewód neutralny N i przewód ochronny PE. Instalacja trójfazowa wymaga zastosowania pięciu przewodów: przewody fazowe L1 L2 i L3, przewód neutralny N i przewód ochronny PE.

Ogrzewacze akumulacyjne z dynamicznym rozładowaniem wymagają doprowadzenia dwu obwodów. Pierwszy, zwykle trójfazowy, jest obwodem wydzielonym podającym napięcie tylko podczas taryfy nocnej. Służy on do zasilania grzałek. Drugi, jednofazowy, dostarczający napięcie przez cała dobę jest potrzebny do zasilania wentylatora oraz dodatkowego rezystora grzejnego (jeśli jest zainstalowany).

Jako aparaty zabezpieczające przed przeciążeniem i skutkami zwarć stosuje się obecnie wyłączniki nadmiarowo-prądowe. Zastąpiły one stosowane wcześniej powszechnie bezpieczniki topikowe, tzw. „korki”. Ich zadaniem jest wyłączenie chronionego obwodu, gdy nastąpi jego przeciążenie spowodowane przepływem zbyt dużego prądu w stosunku do przekroju przewodów lub gdy wystąpi zwarcie. Istnieją wyłączniki o różnych charakterystykach. W obwodach zasilających oświetlenie i urządzenia grzejne, w których nie występują znaczące przeciążenia termiczne i prądy rozruchowe stosuje się wyłączniki nadmiarowo-prądowe typu B.

a)

b)

Rys.33. Wyłączniki nadmia-rowo-prądowe: jednobiegunowy do obwodów jednofazowych trójbiegunowy do obwodów trójfazowych

Elektryczne instalacje grzewcze powinny uniemożliwiać porażenie elektryczne. Wszystkie elementy będące pod napięciem w warunkach normalnej pracy powinny być odpowiednio izolowane. Obudowy i wszystkie elementy zewnętrzne, które są przewodnikami prądu elektrycznego a mogą znaleźć się w zasięgu człowieka, powinny być przyłączone do przewodu ochronnego instalacji. Innym zabezpieczeniem są wyłączniki różnicowo-prądowe, które wykrywają upływ prądu do ziemi i powodują wyłączenie obwodu. Wyłączniki na prąd różnicowy 10 mA lub 30 mA zapewniają ochronę przed dotykiem bezpośrednim.

Szczególnie starannie powinny być wykonane, podłączone i chronione systemy ogrzewania podłogowego. „Zimne” końcówki przewodów grzejnych oraz przewody czujnika temperatury doprowadzane są do regulatora. Sam czujnik oraz łączące go przewody muszą być umieszczone w rurce ochronnej. Na rysunku 34 przedstawiono schemat przyłączenia przewodów grzejnych do instalacji elektrycznej. Podobne wymagania dotyczą mat grzewczych, które przyłącza się w analogiczny sposób.

Rys. 34. Schemat przyłączenia do jednofazowej instalacji elektrycznej przewodów grzejnych: dwużyłowego - jednostronnie zasilanego (z lewej), jednożyłowego - dwustronnie zasilanego (z prawej) [1]

Literatura

[1] Strzyżewski J.: Ogrzewanie elektryczne. Biblioteka Fundacji Poszanowania Energii. Warszawa 2003.

[2] Januszkiewicz K.T.: Elektryczne akumulacyjne ogrzewanie pomieszczeń. Drukarnia Piotra Włodarskiego, Warszawa 1998.

[3] Kowalczyk M: Gazowe i elektryczne promienniki podczerwieni: komfort, oszczędność, ekologia. Wydawnictwo ZNTC „Solaren”, 2004.

[4] Januszkiewicz K.T.: Modelowanie numeryczne pomieszczeń ogrzewanych elektrycznie. Przegląd Elektrotechniczny R.80 Nr 7-8/2004, pp. 748-751.

[5] www.elektrotermia.com.pl

[6] www.selfa.pl

[7] http://www.complex.com.pl

[8] Koczyk H. i inni: Ogrzewnictwo praktyczne. Systherm Serwis, Poznań 2009.

[9] Hering M.: Elektrotermia u progu XXI wieku. Przegląd Elektrotechniczny
R. LXXIV Z. 6/1998, pp. 159-162.

[10] www.elektra.pl

[11] http://www.grzejniki.vsp.pl

[12] PN-E-02301:1990 Urządzenia elektrotermiczne i ich człony grzejne - Klasyfikacja i określenia.

[13] Hering M.: Podstawy elektrotermii cz.I. WNT, Warszawa 1992, cz.II. WNT, Warszawa 1998.

[14] http://enix.pl

[15] Michalski L., Eckersdorf K., Sadowski J.: Termometria. Przyrządy i metody. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 1998.

[16] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej. Dz. U. (2008), Nr 201, poz. 1240.

[17]Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz. U. nr 75, poz. 690; zmiany: Dz. U. (2003) Nr 33, poz. 270, (2004)
Nr 109, poz.1156.

[18]PN-EN 14337:2006 (oryg.) Instalacje ogrzewcze w budynkach - Projektowanie i montaż elektrycznych instalacji do bezpośredniego ogrzewania pomieszczeń.

[19]PN-EN-12828:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach - Projektowanie wodnych instalacji centralnego ogrzewania.

[20] http://www.mikroenergetyka.com.pl

[21] http://www.ekonergia.com.pl/

Uwagi:

Pozycje [1] ÷[8] podano także w pierwszej części materiałów -
plik SP_PWSZ_Tarnow_ogrzew_elektr_IIA.doc

Pozycje [1] ÷[14] podano także w pliku SP_PWSZ_Tarnow_ogrzew_elektr_IIA.ppt

Spis treści

Punkty 1 do 3 znajdują się w pierwszej części materiałów.

4. Sterowanie i regulacje w systemach elektrycznego ogrzewania budynków

5. Elektryczne instalacje zasilające urządzenia grzewcze

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

15

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Tarnowie

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Tarnowie

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Tarnowie

---