Katedra elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Simulace vytápění v budově pomocí moderního spalovacího kotle na tuhá paliva s využitím systému Synco Living Návod do měření Ing. Jan Vaňuš Ph.D. prosinec 2011 1
Cíl laboratorní úlohy: Seznámit studenty se způsoby realizace simulace vytápění v budově pomocí moderního spalovacího kotle na tuhá paliva pomocí komponent sběrnicového systému Synco Living. Zadání: 1. Naprogramujte všechny potřebné komponenty sběrnicového systému Synco Living dle předloženého schématu. 2. Zaznamenejte si všechny technické parametry pro realizaci projektové dokumentace. 3. Realizujte ovládání provozně technických funkcí dle zadání vyučujícího naprogramováním ovládacího panelu pomocí přiloženého software. 4. Vypracujte projektovou dokumentaci k dané úloze. 5. Do vypracovaného protokolu vložte rovněž realizovaný program. I. Teoretický rozbor Způsob regulace kotle na tuhá paliva Kotle na tuhá paliva lze rozdělit na kotle velkých výkonů a na kotle malých výkonů pro bytovou zástavbu. U kotlů na uhlí s automatickým podavačem je dobré regulovat přívod spalovacího vzduchu pro kotel. Pro lepší regulaci lze pro řízení ventilátoru použít frekvenční měnič. Kotle na tuhá paliva jsou osazeny mechanickými regulačními orgány pro regulaci konstantní výstupní teploty. Pro tyto kotle se doporučuje zajistit teplotu kotle 70-85 C, při které se dosahuje největší účinnosti. Přebytečné teplo lze ukládat do akumulační nádrže. Obr.1.1 Automatický kotel s podavačem paliva na uhlí, 17 kw (http://www.ekologicke-kotle.cz/, http://krby.bohemia-solar.cz/). Na straně otopného systému je dobré regulovat teplotu topné vody podle ekvitermní křivky a odběr tepla vypínat při dosažení žádané prostorové teploty. 2
V úvahu je potřeba brát rovněž riziko přehřátí kotle v případě, když je kotel nastaven na provozní teplotu a nedochází k odběru topné vody, nebo dojde k výpadku elektrické energie při použití čerpadlového topného okruhu. Přetopení vlivem nízkého odběru tepla se dá předejít osazením termostatu na výstupu z kotle. Ten v případě přetopení kotle automaticky otevře regulační ventil na maximum a umožní tak, odvodem tepla do systému topení, ochlazení kotle na přijatelnou teplotu. Možnosti eliminace přehřátí kotle: Osazením mechanicky ovládané chladící smyčky, která při vysoké teplotě otevře na výstupu z kotle přívod studené pitné vody a nuceně vychladí kotel. Osazením samotížného okruhu např. radiátory nebo nádrží, který se otevře při výpadku energie použitím např. elektricky ovládaným kulovým kohoutem s pružinovou havarijní funkcí. Osazením záložního zdroje el. energie, který zajistí dodávku el. energie po dobu nutnou k zajištění vychlazení kotle. Obr.1.2 Elektronický tlakově nezávislý regulační kulový kohout (http://www.belimo.cz/). Regulace teploty vratné vody kotle Jednou z důležitých podmínek pro dlouhou životnost všech kotlů je dodržet jejich provozní parametry. V první řadě k nim patří dostatečná teplota vratné vody. Každý výrobce kotlů udává minimální teplotu vratné vody, která se pohybuje mezi 45 70 C. Pokud není hlídaná teplota vratné vody, zkracuje se životnost kotle vinou nízkoteplotní koroze přibližně na polovinu. Regulace teploty vratné vody se týká všech druhů kotlů (na tuhá paliva, plynových kotlů atd.). Regulaci lze realizovat následujícími způsoby: 1. Regulace vratné vody čerpadlem Popis: Čerpadlem, které je osazeno mezi výstupem topné vody a vstupem vratné vody. Čerpadlo je v provozu, když teplota vratné vody nedosahuje minimální požadované hodnoty dané výrobcem kotle. Spínání je vhodné provádět s hysterezí asi 5 C. Použití: Toto zapojení je většinou realizováno u kotlů středních výkonů. Nevýhody: Z hlediska plynulosti regulace vratné vody není úplně ideální. Podmínky realizace: Do okruhu zkratovacího čerpadla se nesmí zapomenout vřadit zpětnou klapku, z důvodu nechtěného průtoku topné vody tímto okruhem při vypnutém čerpadle. 3
Obr.1.3 Hlídání teploty vratné vody čerpadlem. 2. Regulace vratné vody čtyřcestnou klapkou Popis: Čtyřcestná klapka plynule udržuje teplotu vratné vody v zadaných mezích. Regulace čtyřcestnou klapkou v podstatě slučuje funkce dvou trojcestných regulačních ventilů a to pro regulaci vratné vody do kotle a regulaci topné vody. Snímač teploty se osazuje na vratné potrubí. Regulace je realizována na minimální teplotu vratné vody udanou výrobcem 50-60 C. Výhody: Tato varianta je pro plynulost regulace teploty podstatně výhodnější než udržování teploty vratné vody čerpadlem. Je vhodná i z důvodu možnosti nezařazení čerpadla do kotlového okruhu, kde by mohlo dojít při přetopení kotle ke zničení čerpadla. Dále je vhodná pro systémy, kde je důležité dodržet průtok v kotlovém i topném okruhu. Podmínky realizace: Tato náhradní metoda není vodná tam, kde se vlivem nízkých průtoků může vracet velmi chladná vratná voda. Obr.1.4 Regulace teploty vratné vody čtyřcestnou klapkou. 3. Regulace vratné vody trojcestnou regulační klapkou v okruhu vratné vody Popis: Trojcestná regulační klapka je osazená v okruhu vratné vody. Čerpadlo je spínáno od provozu kotle. U kotlů na tuhá paliva je tato podmínka hůře realizovatelná, ale lze ji vyřešit dvěma základními principy: Základní a doporučovaný způsob je umístění spalinového termostatu osazeného do kouřovodu a při teplotě spalin cca 100 C zapínat kotlové čerpadlo (při této teplotě už (anebo ještě) hoří). Náhradní metodou je osazení termostatu na výstup topné vody z kotle a podle této teploty (asi 40-60 C) spínat kotlové čerpadlo. Výhody: 4
Toto zapojení je vhodné pro kotle na tuhá paliva, protože nehrozí poškození instalovaných zařízení. Je rovněž výhodné pro kvalitní stabilitu teploty vratné vody do kotle. Nevýhody: Není možné s ním řídit teplotu topné vody do systému topení. Tato nevýhoda může být odstraněna osazením dalšího regulačního ventilu pro řízení teploty vody do systému topení. Obr.1.5 Regulace teploty vratné vody trojcestným ventilem v okruhu vratné vody. 4. Regulace vratné vody trojcestnou regulační klapkou v okruhu topné vody Popis: Tímto zapojením lze udržovat teplotu vratné vody do kotle a zároveň řídit teplotu topné vody do systému topení. Hodí se pro regulovatelné kotle. Pokud je toto zapojení použito pro kotle na tuhá paliva, je vhodné čerpadlo posunout do okruhu vratné vody. Nevýhody: Toto zapojení není úplně vhodné pro neřízené kotle, tj. kotle na tuhá paliva, z důvodu možného přetopení kotlového okruhu. Obr.1.6 Regulace teploty vratné vody trojcestným ventilem v okruhu topné vody. 5. Regulace vratné vody vlivem na spotřebiče Popis: Je určena pro větší systémy topení, zvláště tam, kde je více regulovaných větví. Plynule jsou přivírány topné větve tak, aby byla držena teplota vratné vody v zadaných mezích. Výhody: To je výhodné hlavně pro rychlé vyhřátí kotlového okruhu a následné plynulé najíždění topných větví, které mají být v provozu. 6. Použití termomechanického vlnovce pro přepínání okruhů vody Popis: Toto zařízení funguje na principu přepínání vratné vody ze systému topení a topné vody z kotle do vratné vody kotle pomocí termomechanického vlnovce. Ve zkratovací odbočce je v zařízení použito čerpadlo, které do dosažení žádané teploty z kotle drží kotlový okruh v nahřátém stavu. Toto zařízení se osvědčilo, ale je nutná kvalitní montáž podle pokynů výrobce, např. fy ATMOS. 5
7. Osazení termostatického ventilu do kotlového okruhu Popis: Dalším způsobem regulace teploty vratné vody je osazení samostatného kompaktního termostatického ventilu do kotlového okruhu. Výhody: Jednoduchá montáž, cena, nezávislost na dodávce elektrické energie, protože regulačním orgánem je termomechanický vlnovec. Nevýhody: nemožnost změny regulované teploty a různá životnost akčního členu. Termostatický ventil se osazuje do vratného potrubí s připouštěním výstupní topné vody z kotle. 8. Technický návrh řízení kotle pomocí mikroprocesoru. Popis: Pro vlastní regulaci pomocí mikroprocesoru (viz. obr.1.9) se uvažuje s použitím 2 analogových vstupů, 2 digitálních vstupů a 4 digitálních výstupů následovně: Počet vstupů: AI1 teplota malý okruh, potrubí (dotykový snímač teploty), AI2 rezerva, DI1 termostat místnost (aktivuje přepnutí do velkého okruhu). DI2 rezerva. Počet výstupů: DO1 ventilátor, M3, DO2 podavač, M4, DO3 čerpadlo M1 malý okruh, DO4 čerpadlo M2 velký okruh. Na obr.1.7 a obr.1.8 je ukázán text, jenž zobrazují dva LCD displeje. Oba tyto LCD displeje jsou řízeny mikrokontrolérem. Zobrazovač LCD 2 rovněž zobrazuje obslužné menu, které slouží k podrobnému nastavování parametrů: teplota vody žádaná teplota vody hystereze teplota náběhu čerpadla malého okruhu teplota náběhu čerpadla velkého okruhu doba zapnutí podavače doba vypnutí podavače doba doběhu ventilátoru doba útlumu kotle režimy kotle ruční ovládání podavače ruční ovládání ventilátoru nastavení datum a čas výpis poruch 6
Obr. 1.7 Zobrazovač LCD 1 Obr. 1.8 Zobrazovač LCD 2 Obr. 1.9 Blokové schéma pro simulaci řízení kotle pomocí mikroprocesoru [1]. 9. Technický návrh řízení kotle pomocí sběrnicového systému KNX Popis: Sběrnicový systém Synco living je bezdrátový systém automatizace pro rodinné domy a byty. Umožňuje nezávislé řízení teploty v místnostech, k ovládání servopohonů na jednotlivých topných tělesech, regulátorů topných okruhů, ve kterých se řídí například smyčky podlahového vytápění a radiátory. Dále umožňuje řídit osvětlení, stínění (rolety a žaluzie) a zpracovávat signály z dveřních kontaktů a hlásičů kouře. Systém je založen na bezdrátové komunikaci mezi jednotlivými prvky prostřednictvím protokolu KNX RF (RF - Radio Frekvenční). Výhodou systému Synco living je, že odpadá zavádění nových komunikačních vodičů pro jednotlivé prvky. Tento fakt je nesmírně důležitý obzvláště při 7
rekonstrukcích elektroinstalace, kde není třeba narušit povrch zdiva, ani instalovat různé lišty a žlaby. Dále díky dodržení standardního protokolu komunikace KNX RF je možné kombinovat výrobky různých firem a vytvořit tak finančně dostupné a funkční řešení. Firma Siemens sama v katalogu uvádí, že je možné použít výrobky firmy Gamma wave a Hager, které jsou také KNX RF kompatibilní a při nahlédnutí do ceníku často také levnější. Díky bezdrátové technologii je možné systém postupně bez problémů rozšiřovat, dle finančních možností zadavatele. Nevýhodou systému je napájení připojených zařízení pomocí akumulátorů (baterií) a z toho plynoucí nespolehlivost a nutnost výměny [2]. Pro vlastní simulaci ovládání kotle byly použity následující komponenty [3]: centrální jednotka, regulátor vytápění, prostorová jednotka pro měření teploty, příložné teplotní čidlo LG-Ni1000, -30 +130 C. Pro předvedení dalších možností sběrnicového systému Synco Living jsou použity následující komponenty: web server pro vizualizaci a dálkové ovládání provozně technických funkcí, meteorologické čidlo pro měření venkovní teploty a tlaku, detektor kouře, dveřní okenní kontakt, čidlo oslunění, detektor zaplavení, zásuvkový adaptér pro ovládání připojeného spotřebiče (osvětlení lampa), regulátor prostorové teploty se servopohonem pro termostatické ventily. II. Popis použitých komponent bezdrátového decentralizovaného systému Synco Living 1. Centrální jednotka V tomto případě je použita centrální jednotka s typovým označením QAX910. Napájení Jednotka je napájena ze sítě AC 230 V. Programování Umožňuje pouze parametrizační programování. Zvládá nezávislé časové a provozní režimy pro 12 místností. Umožňuje přepínat mezi režimy prázdniny, všední den, zvláštní den a dále také jednotlivé uživatelem definované scény (například si můžete nastavit scénu práce, kde se vytáhnou rolety, nebo režim odpočinek se zastíněním a vyšší teplotou). Lze přepínat mezi režimem chlazení a vytápění, a to i automaticky podle zadaného času a teploty. Komunikace, vstupy, výstupy Centrální jednotka komunikuje bezdrátově, ale i prostřednictvím protokolu TP1. Pomocí datové linky lze spojit až 126 centrálních jednotek, a to sériově za sebou. Jedna jednotka umožňuje připojit: 1 meteorologické čidlo, 2 dveřní spínače, 4 akční členy pro osvětlení, 3 zesilovače radiového signálu (používají se v případě, že dosah komponent není dostatečný), 64 bezdrátových přístrojů. 8
Pro jednu místnost (celkem lze ovládat maximálně 12) platí tato omezení: 1 prostorová jednotka, 2 prostorová teplotní čidla, 1 regulátor topných okruhů nebo 6 regulačních servopohonů topných těles 6 okenních spínačů, 1 detektor kouře. Poruchy od jednotlivých zařízení se přenáší do základní jednotky pomocí 8 poruchových vstupů. A po vyhodnocení je možné odeslat signál prostřednictvím 2 poruchových výstupů. Na jednotce je dále servisní konektor typu RJ45. 2. Regulace vytápění Obr. 2.1 Centrální jednotka Synco Living QAX910. 2.1 Regulační servopohon pro otopná tělesa SSA955 Technické parametry: Bezdrátově řízený, vestavěné teplotní čidlo, umožňuje zapnutí tichého režimu (pomalejší regulace, použití hlavně v ložnicích), napájení: 3 AA baterie, předpokládaná životnost je větší než 3 měsíce, pro případ poruchy lze ventil ovládat ručně. Obr. 2.2 Servopohony pro otopná tělesa Synco Living SSA955. Je zde použita ochrana proti uvíznutí ventilu. Ventil se na pokyn centrální jednotky jednou plně otevře, zavře a pak vrátí do nastavené polohy. Tímto se předchází jeho uvíznutí. 2.2 Prostorové teplotní čidlo QAA910 Technické parametry: 9
bezdrátová komunikace, napájení: 2 AA baterie, předpokládaná životnost je větší než 3 roky, rozsah 0 50 C, teplotu hlásí buď periodicky nebo při změně. 2.3 Meteorologické čidlo QAC910 Obr. 2.3 Teplotní čidlo Synco Living QAA910. Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: 2 AA baterie, předpokládaná životnost je větší než 3 roky, sleduje teplotu a tlak vzduchu, teplotu a tlak hlásí buď periodicky nebo při změně, rozsah: -50 50 C. Obr. 2.4 Meteorologické čidlo Synco Living QAC910. 2.4 Prostorová jednotka QAW910 Používá se pro ovládání a zobrazení základních funkcí vytápění místnosti a přenáší do základní jednotky informaci o aktuální pokojové teplotě, která je také zobrazena na displeji. Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: 2 AA baterie, předpokládaná životnost je větší než 3 roky, teplotu hlásí buď periodicky nebo při změně, rozsah: 0 50 C. Tlačítkem Mode se volí provozní režim (Automatický, Ruční, Komfortní, Standardní, Útlumový a Ochranný). Tlačítkem Timer se aktivuje časovač ten nám umožňuje zapnout režim (např. komfortní) po omezenou dobu (max. 24 hodin). Ovládacím kolečkem korigujeme žádanou prostorovou teplotu. 10
Obr. 2.5 Prostorová jednotka Synco Living QAW910. 3. Ovládání elektrických spotřebičů 3.1 Spínač KRF960-E Slouží ke spínání elektrických přístrojů připojených do sítě. Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: ze sítě AC 230, maximální zátěž 2300 W, možnost manuálního ovládání. Obr. 2.6 Spínač Synco Living KRF960-E. 4. Regulace osvětlení 4.1 Stmívač KRF961 Používá se pro ovládání osvětlení, umožňuje regulovat intenzitu světla (ovládání výkonu). Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: ze sítě AC 230 V, maximální zátěž 300 W, možnost manuálního ovládání. 11
Obr. 2.7 Stmívač Synco Living KRF961. 5. Ovládání ventilace a regulace topné soustavy 5.1 Regulační modul RRV934 Tento regulační modul najde uplatnění při řízení ventilační jednotky, maximálně 3-rychlostního ventilátoru a ovládání tepelného okruhu se servopohony s ovládáním DC 0-10 V. Umožňuje předregulaci topné vody až pro 2 samostatné místnosti. Díky 3 univerzálním releovým výstupům můžeme dále ovládat například čerpadla topné vody. Jak je vidět z popisu, neobsahuje žádné akční členy, doplnit jej můžeme například servopohony a ventily řady Activatix. Při řízení ventilace je možné připojit na univerzální vstupy čidla vlhkosti nebo obsahu CO2. Technické parametry: bezdrátová komunikace, napájení: ze sítě AC 230 V, 3 univerzální reléové výstupy, 2 univerzální výstupy DC 0-10 V, 4 univerzální vstupy, 1 výstup pro 3-polohový servopohon, jehož funkci lze přepnout na univerzální reléový výstup. Obr. 2.8 Regulační modul Synco Living RVV934. 6. Elektronické zabezpečení Součástí systému Synco Living nejsou prvky EZB. Ovšem díky otevřenému protokolu KNX RF není problém připojit čidla od jiných výrobců nebo k binárním vstupům připojit čidla bez bezdrátové komunikace. 12
7. Shrnutí Sběrnicový systém Synco living najde uplatnění hlavně při rekonstrukcích takových objektů, kde je problém narušit zdivo budovy při instalaci nových rozvodů (historické objekty, památkově chráněné domy). Nevýhodou je vyšší cena. Výhody spatřuji v rychlosti a jednoduchosti instalace a snadném rozšíření v budoucnosti. Toto řešení mě zaujalo, proto jsem si ho vybral jako jednu z variant v projektu. Literatura: [1] Valter J.; Regulace v praxi, BEN, Praha 2010, ISBN 9788073002565 [2] Hájíček T.: Systémy pro řízení inteligentních domů, BP 2009, ČVUT Praha. [3] http://www.siemens.com/entry/cz/cz/ [4] http://www.ekologicke-kotle.cz/ [5] http://www.belimo.cz/ [6] http://www.viadrus.cz/ [7] http://solary.viadrus.cz/ 13