VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ Regulátor vodního chlazení KOH Číslo projektu: TA02020998 Číslo výsledku: 27204 Odpovědný pracovník: Ing. Tomáš Palai-Dany Ph.D Spolupracovníci: Ing. Milan Spohner, Ing. Marián Klampár, Ing. Inas Faisel Abuetwirat, Doc. Ing. Karel Liedermann CSc, Ing. Lukáš Palko Originál smlouvy o využití na kooperujícím pracovišti je uložen na UFYZ FEKT Funkční vzorek vznikl v rámci jednotlivých výzkumných aktivit výzkumného centra. Experimentální část byla realizována na výzkumné infrastruktuře vybudované v rámci projektu CZ.1.05/2.1.00/03.0072
Centrum senzorických, informačních a komunikačních systému (SIX) operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace. Regulátor vodního chlazení KOH Realizovaný funkční vzorek vychází z koncepce regulátoru vodního chlazení KOH palivového článku. Přístrojový blok modulu vylepšené zónové regulace malého topného systému tvoří jediný realizovaný kus modulárního bloku zónové regulace navrženého pro účely aplikace v oblasti komerčních regulačních systémů vytápění. Modul zónové regulace topného systému vznikl jako další výsledek řešení problematiky regulace malých topných systémů v obytných budovách při zachování požadavku jednoduché, levné a spolehlivé koncepce s použitím běžně komerčně dostupných komponent. Sestavený funkční vzorek modulu zónové regulace je svým provedením doplňkem základní regulace topného systému původně založené na jediném prostorovém termostatu v referenční místnosti, který zapíná centrální zdroj tepla plynový kotel. Vylepšený modul zónové regulace oproti předchozí verzi řeší problematiku snížení počtu zapínacích cyklů plynového kotle použitím opožděného sepnutí tohoto zdroje tepla aktivovaného pro zóny se sníženou prioritou maximální možné tepelné pohody. Funkční vzorek tvoří levnou alternativu komerčních produktů, které nabízí plně komplexní funkce regulace vytápění, ale jejich složitost a pořizovací náklady jsou mnohdy neúměrné potřebám drobného investora. Realizovaný modul vylepšené zónové regulace topného systému uvažovaného funkčního celku byl navržen pro předpokládané využití zejména v menších teplovodních topných systémech s plynovým kotlem a nucenou cirkulací vody oběhovým čerpadlem. Nezbytným požadavkem je přítomnost univerzálních radiátorových ventilů v celém systému, které lze ovládat mimo běžné použití termoregulačních ventilů též termoelektrickým pohonem (tj. elektricky ovládaným pohonem). Principiální schéma topného systému s moduly vylepšené zónové regulace je na obr. 1. Každá z regulovaných místností obsahuje termoelektrický pohon k ovládání ventilu radiátoru, vlastní (nejlépe programovatelný) prostorový termostat, a modul zónové regulace. Obr. 1 : Integrace modulu vylepšené zónové regulace do stávajícího systému Blokové schéma zapojení a odpovídající časový diagram funkce zónového modulu je na obr. 2. Z hlediska zpracování třech vstupních logických signálů celý obvod plní kombinační funkci doplněnou o funkci sekvenční v podobě bloku zpoždění, který v podstatě zastává úlohu relé se zpožděným přítahem. Modul zóny z pohledu vnějších svorek obsahuje tři vstupy pro připojení kontaktních spínačů (dvou termostatů a kontaktů relé předchozího bloku), tři výstupy (pro ovládání tepelného zdroje, otevírání ventilu radiátoru a pomocný výstup pro ovládání případného pomocného
ventilátoru k otopnému radiátoru). Modul dále obsahuje vstup pro napájení a pomocný výstup pro oddělovací výkonové relé, které spíná řídící vstup centrálního zdroje tepla. Obr. 2 : Časový diagram funkce a blokové schéma vylepšeného modulu zónové regulace Modul vylepšené zónové regulace ve spojení s vhodným komerčně dostupným prostorovým termostatem a termoelektrickým pohonem vykonává následující funkce. Při požadavku zapnutí topení v dané místnosti (dle stavu kontaktního výstupu prostorového termostatu) modul připojí napájecí napětí pro plné otevření termoelektrického pohonu ventilu příslušného radiátoru a zároveň sepne kontaktní výstup se signálem pro zapnutí plynového kotle. Toto platí vždy v případě, že není aktivováno použití opožděného sepnutí tepelného zdroje. Neaktivní funkce opožděného sepnutí se zajistí tím, že vstupní signál VIN bude nastaven trvale na log. 1 a to ponecháním tohoto vstupu pro připojení příložného trubkového termostatu rozpojeného. Pokud je vyžadováno použití opožděného zapnutí centrálního tepelného zdroje, tak se do výše uvedeného vstupu připojí příložný trubkový termostat nastavený na 40 O C, umístěný na přívodní trubku radiátoru dané místnosti. Termostat musí být s rozpínacími kontakty, tj. po průchodu ohřáté otopové vody přívodní trubkou radiátoru tedy termostatový kontakt rozepne. V tomto případě dojde k okamžitému a následně trvalému aktivování výstupu pro sepnutí tepelného zdroje jedině tehdy, když je centrální zdroj tepla zapnutý z jiné zóny, což zónový modul pozná dle stavu zmíněného příložného termostatu malou chvíli po otevření ventilu radiátoru. Pokud Centrální zdroj tepla zapnut není, zónový modul sepne výstup pro jeho zapnutí se zpožděním, které je nastaveno na hodnotu asi půl hodiny a lze je dle potřeby upravit. Tato situace je vyznačena v časovém průběhu na obr. 2a nadpisem využití zpoždění. V průběhu tohoto časového intervalu samozřejmě může a nemusí dojít k aktivování centrálního zdroje tepla požadavkem z jiné zóny a tím zrušení časového prodlení čekajícího zónového modulu. Doplňkovou funkcí je řízení výstupu pro možné připojení přídavného radiátorového ventilátoru. Tento výstup se sepne za podmínky, když je sepnutý prostorový termostat zóny a zároveň je aktivován příložný trubkový termostat radiátoru tj. radiátor již tedy topí, aby nenastala situace zbytečného ventilování studeného vzduchu chladným radiátorem. Fotografie zkušebního provedení funkčního vzorku formou dvou separátních celků je na obr. 3. Realizovaný vzorek modulu vylepšené zónové regulace byl navržen pro použití komerčně dostupných termoelektrických ventilů v provedení s malým napájecím napětím 24 V střídavých a příkonem přibližně 3 W (ve výchozí konfiguraci uzavřeného ventilu bez napájecího napětí). Napájení je proto řešeno transformátorovým napájecím adaptérem se střídavým výstupem. Každý modul má vstup pro připojení kontaktního výstupu prostorového termostatu a vstup pro případné připojení signálu topit z modulu předchozího. Dále je obsažen výstup pro připojení termoelektrického pohonu ventilu radiátoru a dva paralelní výstupy se signály topit pro plynový kotel. Jednoduchý kontaktní výstup slouží pro přenos požadavku k zapnutí kotle do dalšího modulu zónové regulace, a pomocný výstup označený hvězdičkou je určen k připojení externího bezpečnostního oddělovacího relé, které má kontakty dimenzované na spínání síťového napětí 230
V pro přímé připojení k řídícímu vstupu plynového kotle. Vylepšený modul zóny obsahuje ještě pomocný reléový výstup (max. 2A/24V), který v případě potřeby může sloužit k ovládání přídavného ventilátoru otopného radiátoru. To je vhodné jako nouzové řešení v případě, kdy je nedostatečný výkon radiátoru vzhledem k reálným tepelným ztrátám dané místnosti. Některé komerční firmy již za tímto účelem dodávají sortiment přídavných ventilátorů pro zvýšení tepelného výkonu stávajícího radiátoru zvýšením proudění vzduchu nuceným větráním tímto otopným tělesem. Obr. 3 : Realizovaný funkční vzorek a) reléová část b) řídící logika Schéma zapojení vylepšeného modulu zóny je na obr. 4 a 5. Modul zóny na základě požadavků plní kombinační a sekvenční logickou funkci. Všechny tyto logické funkce vykonává mikroprocesor s obchodním označením Picaxe08M2. Jedná se o jednoduše použitelný obvod programovatelný příkazy v jazyku Basic. Obr. 4 : Schéma zapojení modulu reléová část
Spínání výstupních svorek modulu zajišťují tři miniaturní relé s cívkou na napětí 24 V a párem přepínacích kontaktů dimenzovaných na proud 2 A. Spínání cívek relé zajišťují tři jednotranzistorové spínače s ochrannými prvky pro snížení rušení při rozpínání cívek relé a omezení případného rušení přítomného na vstupních svorkách. Vstupní i výstupní signály přivedené do modulu zóny jsou v podstatě vhodně přivedeny na příslušné vstupní a výstupní vývody řídícího mikroprocesoru. Ten se nachází v separátní části funkčního vzorku nazvané jako řídící logika. Z důvodu dostatečné odolnosti proti rušení indukujícího se do propojovacích vedení mezi zónovými moduly jsou všechny vstupy a výstupy mikroprocesoru odděleny optoelektronickými vazebními členy. Mikroprocesor je napájen stabilizovaným napětím, které je získáno usměrněním dostupného napětí 24 V transformátoru, snížením srážecími rezistory a je filtrováno řadou odrušovacích prvků proti rušení či případnému přepětí. Ke snížení pronikání rušení napomáhají i zmíněné srážecí rezistory v kombinaci s kondenzátory; krátkodobé poklesy napětí způsobené mj. i odběrem samotného mikroprocesoru vyrovnávají elektrolytické kondenzátory dostatečné celkové kapacity. Stabilizaci napájecího napětí pro mikroprocesor zajišťuje použití Zenerovy diody a dále nízkovýkonový lineární stabilizátor. Obr. 5 : Schéma zapojení modulu řídící logika Samotný ovládací program mikroprocesoru zajišťuje realizaci požadovaných logických funkcí dle stavu vstupních signálů zónového modulu. Zónový modul je v případě potřeby možné napájet jak střídavým napětím 24 V z transformátoru, tak i stejnosměrným stabilizovaným napětím dle použitého typu elektrických pohonů radiátorového ventilu. Program mikroprocesoru Picaxe obsahuje z pohledu uživatele dva paralelně běžící procesy. Pro potřeby řízení vytápění není zapotřebí rychlá časová odezva ve zlomku sekund. První proces tedy tvoří cyklické testování stavu vstupů mikroprocesoru a tím tedy třech konkrétních vstupů zónového modulu. Testování stavu vstupů probíhá i s ohledem na případné přítomné rušivé signály. Každý vstup je nejprve testován na přítomnost signálu logické jedničky. Po případné detekci logické jedničky v časovém limitu do 0,65 sekund se podle její délky trvání rozhodne, zda-li je na vstupu stejnosměrný stálý signál anebo pulzující (podle toho, jestli modul zóny napájíme střídavým napětím z transformátoru anebo stabilizovaným napětím). Následně proběhne 20x opakovaný test stavu daného logického vstupu a na základě celkové doby trvání se pro každý ze dvou typů zjištěného napájení rozhodne, jaká je zřejmě hodnota logického signálu vstupu. Stavy vstupních signálů s ošetřením rušení se postupně testují každých přibližně pět sekund. Druhá část paralelně běžícího programu mikroprocesoru zajišťuje potřebnou kombinační funkci s ovládáním výstupů a rovněž jednoduchou funkci sekvenční, pro získání funkce opožděného sepnutí výstupu. Časové zpoždění přednastavené programem v délce půl hodiny vzhledem k požadavku nepřesného opožděného sepnutí výstupu je realizováno bez použití přesného odměřování času časovačem procesoru.
Výhodou použití realizovaného vylepšeného modulu zónové regulace je zejména levná, jednoduchá a spolehlivá koncepce, založená na komerčně dostupných komponentách. Systém je snadno rozšířitelný dle potřeb investora moduly mohou být propojeny dvouvodičovým vedením kaskádním a případně hvězdicovým způsobem. Systém založený na modulech realizovaného funkčního vzorku je vzhledem k jednoduchosti vhodný zejména pro menší otopné soustavy s plynovým kotlem, provozované v objektech bez náležitých a dnes požadovaných tepelně izolačních vlastností. V takových objektech bývá mnohdy téměř nemožné nalézt tzv. referenční místnost, která by měla být za všech okolních podmínek trvale,,nejchladnější. Modulem vylepšené zónové regulace je tedy vhodné vybavit alespoň dvě místnosti, které jsou ovšem svými tepelnými parametry v závislosti na okolních podmínkách výrazně odlišné. Ostatní místnosti, je možné dle kompromisu ponechat vybavené pouze stávajícími termoregulačními ventily. Vylepšený modul zónové regulace v případě kontroly dvou či více místností umožňuje rovněž snížit počet zapínacích cyklů řízeného zdroje tepla. Alespoň jedna z místností musí být dle nastavení vylepšeného zónového modulu nastavena jako primární pro maximální požadavek tepelné pohody, kdy se funkce opožděného sepnutí výstupu centrálního topení nevyužije. Další z ostatních místností řízená vylepšenou zónovou jednotkou může být označena jako sekundární s menšími nároky na maximální tepelnou pohodu. Takovými místnostmi mohou být např. ložnice, méně často obývané pokoje, kuchyně apod. Pro úplnost je nezbytné doplnit, že alespoň jeden z radiátorů v systému (např. některý nižšího výkonu v koupelně apod.) musí pro ochranu čerpadla zůstat bez zónové regulace s trvale otevřeným ventilem, neboť otevření ventilů ovládaných termoelektrickým pohonem trvá přibližně 4 minuty. Jako vhodné komerčně dostupné prvky pro realizaci zónové regulace s realizovaným funkčním vzorkem je možno uvést např. systém radiátorových ventilů a termoelektrický pohon zastoupení výrobce Comap Praha, s.r.o. (termoelektrický pohon Comap 5875) a programovatelný prostorový termostat Honeywell CM507. Funkční vzorek vznikl na základě spolupráce se společnostmi ESL a.s. (Dukelská třída 247/69, Brno 614 00, IČ 63473780) a Baumann Technologie CZ a.s. (Národních hrdinů 12/1, 690 02 Břeclav, IČ 26223538). Modul vznikl jako výsledek činnosti na projektu TAČR TA02020998 Nízkoteplotní alkalický palivový článek o výkonu 5kW pro stacionární aplikace a smluvní vztahy s uvedenými společnostmi jsou řešeny dle smlouvy projektu ze dne 25.1.2012. Literatura [1] Šmejkal, L.: Přehled trhu regulátory pro tepelnou techniku budov. In Automatizace, 49 (2006), p. 727-727. [2] Palai-Dany, T., Klampár, M.: The Simple Heating Regulation of Small Heating Systems. In IMAPS CS International Conference 2011, Brno, NOVPRESS s.r. o, 2011, s. 276-279, ISBN: 978-80-214-4303- 7. [3] COMAP Praha, s.r.o.: Katalog sortimentu - termoelektrický pohon,,comap 5875. [2010-05- 19] Available online: << http://www.comappraha.cz >>. [4] UNIMaR CZ s.r.o.: Regulační technika: Programovatelný pokojový termostat Honeywell CM507. [2012-08-20] Available online: << http://www.unimarcz.cz/cm507cz.pdf >>. [5] Destila s.r.o.: Plynové teplovodní kotle pro ústřední a etážové topení. [2012-08-20] Available online: << http://www.destila.cz >>. [6] Protherm s.r.o.: Projekční podklady k plynovým kotlům Medvěd. [2010-07-10] Available online: << http://www.protherm.org >>.