Inteligentní regulace prostorové teploty v rámci plošného vytápění/chlazení

Regulace prostorové teploty pro použití v plošném vytápění/chlazení, u něhož se aplikují známé postupy regulace, je v každém ohledu přínosem. Zlepšení vlastní regulace teploty a tudíž komfortnějšího bydlení s nižší energetickou spotřebou lze ovšem dosáhnout pouze s využitím adaptivních algoritmů.

V tomto článku popisujeme běžné způsoby regulace a přinášíme informace o tom, jakého vylepšení lze v praxi používáním adaptivních algoritmů docílit.

Regulátory prostorové teploty určené pro systémy plošného vytápění/chlazení se musí přizpůsobit dobré akumulační schopnosti, velké aktivní ploše a vysokému stupni sálavého podílu stran používaných systémů. Používaný způsob regulace a aktuálně nastavené parametry mají rozhodující vliv na kvalitu vlastní regulace a tím i na dodržení požadované hodnoty prostorové teploty. Odchylky v dimenzování nebo hydraulickém vyrovnání mají navíc značný dopad na výkon a uživatelský komfort.

Klasické způsoby regulace
Pro regulaci prostorové teploty jsou v podstatě k dispozici následující regulační systémy: dvoubodová regulace, proporcionální regulace, ­proporcionálně integrační regulace a proporcionálně integračně derivační regulace, přičemž všechny tyto systémy popisujeme níže na příkladu konkrétního režimu vytápění.

Dvoubodový regulátor
Dvoubodový regulátor je nejjednodušším případem regulace. Jeho výstupní signál – akční člen – zná pouze stav „zapnuto“ a „vypnuto“. V případě konkrétního vytápění to znamená, že tento regulátor tak dlouho řídí pohon, který otevírá ventil na rozdělovači topného okruhu, než prostorová teplota dosáhne požadované hodnoty. Jakmile prostorová teplota překročí nastavenou požadovanou hodnotu, pohon se vypne a ventil se zavře.
Aby se zabránilo neustálému zapínání a vypínání pohonu v blízkosti požadované hodnoty, každý regulátor tohoto typu pracuje s takzvanou hysterzí: Prostorová teplota musí překročit nastavenou požadovanou hodnotu o určitou hodnotu, aby se ukončilo vytápění. Když prostorová teplota následně po určité době poklesne, vytápění se znovu aktivuje až poté, co prostorová teplota poklesne o určitou hodnotu pod požadovanou teplotu.
Ve spojení se systémem plošného vytápění by v tomto případě docházelo ke kolísání prostorové teploty, protože teplota v prostoru kopíruje po určitou dobu po zapnutí a vypnutí topení předchozí trend. Toto kolísání je o to intenzivnější, čím „mohutnější“ je přivádění energie do prostoru.
Dvoubodové regulátory jsou proto pro systémy plošného vytápění/chlazení vhodné pouze tehdy, když se zlepší jejich regulační vlastnosti – např. použitím „rekuperace“. Rekuperace zajistí, že regulátor, jakmile se přiblíží požadované hodnotě, přejde do taktovacího režimu, a tím sníží kolísání teploty.

Proporcionální regulátor (P)
Pokud výstupní signál regulátoru (akční člen), který řídí energetický tok, probíhá neustále a proporcionálně k rozdílu mezi požadovanou a skutečnou hodnotou (regulační odchylka), pak se jedná o proporcionální regulátor. Obrázek 3 znázorňuje danou souvislost: Mimo šířku pásma (proporcionální pásmo) definovanou kolem požadované hodnoty je výstupní signál 100% (v místnosti je přílišná zima) nebo 0% (v místnosti je přílišné teplo). Mezi těmito oběma extrémními hodnotami probíhá rovnoměrný (neustálý) a lineární přechod.

Pokud se prostorová teplota odchýlí o +1 K od požadované teploty, pak se objeví, zobrazení na obr. 3, v případě šířky a polohy proporcionálního pásma (symetricky k požadované hodnotě) výstupní signál činící 25%.

Šířka proporcionálního pásma přitom stanoví, jak „ostrý“ přechod zde probíhá. Pokud zvolíte příliš úzké proporcionální pásmo, proporcionální regulátor bude vykazovat tytéž špatné regulační vlastnosti jako dvoubodový regulátor: prostorová teplota kolísá kolem požadované hodnoty.
Nevýhoda proporcionálního regulátoru spočívá v tom, že se pro každý rozdíl mezi požadovanou a skutečnou hodnotou vydává vždy stejný regulační signál. Je-li tento signál příliš nízký pro dostatečné vytápění, nebo pokud je předimenzovaný, pak prostorová teplota vykazuje neustále stabilní stav mimo oblast požadované hodnoty. Důsledkem toho je pak trvalá regulační odchylka (viz obr. 4).

Proporcionálně integrační regulátor (PI)
Proporcionálně integrační regulátor vyrovnává trvalou regulační odchylku proporcionálního regulátoru, přičemž se na proporcionální signál přenese taková integrační část, která vyplyne z časového navýšení (integrace) odchylky.
Obrázek 5 znázorňuje, jak se v důsledku zvyšování integrační části přibližuje prostorová teplota k teplotě požadované. Ve spojení se systémy se srovnatelně vysokou akumulační hmotou se ovšem musí tato část dávkovat přesně. Proběhne-li integrace příliš rychle, pak dojde k přetížení systému v jednom či druhém směru a opět se zaznamenají nežádoucí odchylky prostorové teploty. Tento typ regulátoru ovšem obecně představuje vylepšení oproti čistě proporcionálnímu regulátoru.

Proporcionálně integračně derivační regulátor (PID)
Proporcionálně integračně derivační regulátory reagují velmi citlivě, díky své dodatečné derivační části, na rychlé změny regulované veličiny nebo požadované hodnoty. Tato rychlá reakce ovšem – v závislosti na parametrizaci – opět rychle odezní. Derivační část tudíž přináší výhody především u systémů s nízkou tepelnou akumulační schopností.

Přeměna regulačního signálu na dvoubodový výstup – pulzně šířková modulace (PWM)
Proporcionální nebo proporcionálně integrační regulátory musí neustále měnit objem energie vcházející do systému. Ventily na rozdělovačích topných okruhů ovšem nelze ovládat tak, aby bylo možné nastavit průtok mezi 0 % a 100 %. Zde se využívá akumulační schopnost systému: ventily se po určitou dobu (pulzy) periodicky otevírají. Poměr mezi dobou otevření a dobou, po kterou je ventil uzavřený, se mění (moduluje). Toto ovládání ventilu s proměnnou dobou otevření/uzavření se nazývá „modulace šířky pulzu“ (Puls-Weiten-Modulation = PWM). Díky tlumícímu efektu akumulačních hmot přitom dochází k rovnoměrné změně topného (chladicího) výkonu.

Regulátory Nea
Na základě těchto technických poznatků byl vyvinut regulátor Nea určený pro regulaci prostorové teploty
v systémech plošného vytápění a chlazení. Vykazuje kompaktní a ploché provedení a je vybavený podsvíceným, dobře čitelným LC displejem. Montáž je velmi praktická, přičemž lze regulátor namontovat na podomítkovou krabici nebo přímo na stěnu. Existují následující varianty: Nea H pro režim vytápění (ovládání normálního/omezeného provozu přes externí hodiny), Nea HT pro režim vytápění s integrovanými spínacími hodinami, Nea HCT pro režim vytápění i chlazení (integrované spínací hodiny, přepínání mezi vytápěním/chlazením přes externí signál nebo manuálně, senzor dálkového ovládání pro monitorování podlahové teploty nebo coby dodatečné prostorové čidlo). Všechny tři varianty nabízíme pro systémy 230V a 24V.
Regulátor se ovládá pomocí tří tlačítek. Díky symbolům vyobrazeným na displeji je ovládání velmi snadné a intuitivní. Pro zabránění nežádoucím nebo bezděčným změnám parametrů existuje vedle uživatelské úrovně i chráněná servisní úroveň a úroveň „expert“. Ovládání lze při používání ve veřejných prostorech i kompletně zablokovat. Přepínání provozních režimů mezi normálním a omezeným provozem i mezi vytápěním/chlazením v případě regulátoru Nea HCT lze provádět manuálně na displeji pomocí řídicího signálu. Senzor dálkového ovládání, který lze připojit k regulátoru Nea HCT, můžete používat pro různé účely: jako podlahové čidlo pro dodržení minimální nebo maximální teploty podlahy v režimu vytápění, pro zamezení podchlazení podlahy v režimu chlazení i pro zřízení druhého měřicího místa v místnosti.

Zkušenosti z praxe
Měření prováděná v klimatické komoře mají tu výhodu, že lze přesně stanovit podmínky a tudíž provádět testy
s neustále se měnícím nastavením. Praktický provoz ovšem ovlivňují měnící se podmínky a rušivé vlivy, na nichž se podílí sám uživatel. V rámci různých stavebních projektů se proto nainstalovala záznamová zařízení, která zaznamenávala topné období 2013/2014. Následující průběh teplot se měřil v domácnosti, kde žije čtyřčlenná rodina. Všechny pokoje byly vybavené podlahovým vytápěním. V koupelně byla navíc nainstalovaná nástěnná topná tělesa. Ve všech pokojích se používaly regulátory HCT Nea s 24V.

Na obrázku 8 popisujeme typický průběh denní teploty v koupelně. Zřetelně lze identifikovat časy s vyšší frekvencí v průběhu dne se všemi rušivými vlivy, které z toho vyplývají. Ráno a večer se obyvatelé domu sprchují, přičemž se následně větrá. Přes všechny tyto působící vlivy se v místnosti udržuje komfortní teplota 22 °C. Teplota zde kolísá v rozsahu zanedbatelných ± 0,25 °C. Dobře zde lze sledovat omezený provoz v průběhu noci a ranní zahřívání místnosti.

Jednou z nejužitečnějších funkcí regulátoru je funkce „dovolená“. Přitom se nastaví počáteční a závěrečný den dovolené. Normální časový program se během tohoto období deaktivuje, regulátor spustí vytápění až tehdy, když prostorová teplota poklesne pod 15 °C. Ve 24 hod. závěrečného dne dovolené se opět automaticky přejde do normálního přednastaveného režimu vytápění. Na obrázku 9 je znázorněno, jak funkce „dovolená“ spolehlivě udržuje během dovolené teplotu v domě na 15°C a jak včas před návratem majitelů opět vytvoří optimální pokojové klima.

Shrnutí
Systémy plošného vytápění/chlazení vytvářejí díky své velké aktivní ploše příjemné prostorové klima, přičemž lze současně docílit vysoké energetické úspory. Díky své dobré tepelné akumulační schopnosti mohou kromě toho dobře vyrovnávat krátkodobé výkyvy při zatížení. Stejně jako u každého systému vytápění/chlazení má přitom rozhodující význam použití vhodného regulátoru, jehož parametry jsou perfektně sladěné s používaným systémem. Regulátor prostorové teploty je přitom posledním článkem v řetězci komponent, který determinuje chování celého systému a tím i komfort, který vnímá jeho uživatel.

Regulátor prostorové teploty pracující na klasickém principu proporcionálně integračního nebo proporcionálně integračně derivačního regulátoru přitom může pouze částečně vyrovnávat chyby, které se učinily při dimenzování přívodní teploty nebo při hydraulickém vyrovnání. Podstatného vylepšení lze dosáhnout pouze zvolením automatických a neustále se opakujících optimalizačních kroků. Prostřednictvím regulátorů Nea se podařilo vyvinout velmi kvalitní regulátor disponující nejmodernějšími technickými funkcemi i automatickou optimalizací. Přesto, že je vybavený celou řadou funkcí, je pro uživatele jeho ovládání velmi snadné. Vedle technických vlastností je třeba u regulátorů Nea vyzvednout jejich specifický design, který získal ocenění Red Dot Award.

Dipl. Ingenieur Willi Pommer, divize plošného vytápění/chlazení, REHAU AG + Co
Dipl. Ingenieurin Jessica Seeser, divize plošného vytápění/chlazení, REHAU AG + Co

Zdroje:
http://www2.in.tu-clausthal.de/~reuter/ausarbeitung/Kai_Bollue_-_Regelungstechnik.pdf
„Einführung in die Regelungs­technik“ (Heinz Mann; Horst Schif­felgen; Rainer Froriep); ISBN 3-446-21516-6
„Einführung in die Steuerungs- und Regelungstechnik“ (Peter Kopacek; Werner Washietl); ISBN S 245.00
„Grundlagen der Regelungstechnik“ (Frank Doerrscheidt und Wolfgang Latzel); ISBN 3-519-06421-9

REHAU, s.r.o.
Obchodní 117, 251 70 Čestlice
tel.: 272 190 111, fax: 272 190 169
e-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , www.rehau.cz