Автоматическое регулирование напольного отопления. Часть 1

Статьи
30 сентября 2020
10:26

Задачи автоматического регулирования

Необходимость и важность автоматического регулирования системой напольного отопления лучше всего доказывать на конкретном примере по принципу «от противного».

Предположим, имеется помещение, оборудованное системой тёплого пола с расчётным удельным тепловым потоком q0 = 60 Вт/м2. Этот тепловой поток рассчитан при расчётной температуре наружного воздуха tн0 = –28 °С (Санкт-Петербург). Конструкция «пирога» пола показана на рис. 1.


Рис. 1. Конструкция тёплого пола

Для определения требуемой температуры теплоносителя можно воспользоваться расчётным модулем программы VALTEC.PRG версии 3.1.3 (рис. 2). Средняя температура теплоносителя составляет tт = 31,5 °C. При перепаде температур в петлях Δt = 5 °C термоголовка насосно-смесительного узла будет установлена на температуру 31,5 + (5/2) = 34 °С.

Допустим, никакой регулировки кроме поддержания температуры теплоносителя в насосно-смесительном узле система не имеет. При наружной температуре tн0 = –28 °С пол действительно будет отдавать q0 = 60 Вт/м2, поддерживая температуру воздуха в обслуживаемом помещении tв0 = 20 °С. Однако с повышением температуры наружного воздуха картина будет меняться.


Рис. 2. Результат расчёта температуры теплоносителя

Температуру воздуха в помещении при изменившейся температуре наружного воздуха tвi нетрудно определить из уравнения теплового баланса:

tвi = (tв0 · (tm – tнi) + tm · (tнi – tн0))/(tm – tн0), °С

где tнi – текущая температура наружного воздуха, °С

Удельный тепловой поток можно определить по формуле:

qi = q0 · (tm – tвi)/(tm – tн0), Вт/м2

Текущая температура пола составит:

tni = tвi + 0,137qi0,91, °С.

Результаты расчёта сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Температура воздуха, удельный тепловой поток и температура воздуха при различной температуре наружного воздуха

Температура наружного воздуха, °С Температура внутреннего воздуха, °С Удельный тепловой поток от тёплого пола, Вт/м2 Температура пола, °С
–28 20 60 25,7
–26 20,4 57,9 25,9
–24 20,8 55,8 26,1
–22 21,2 53,7 26,3
–20 21,5 52,2 26,5
–18 21,9 50,1 26,7
–16 22,3 48 26,9
–14 22,7 45,9 27,2
–12 23,1 43,8 27,4
–10 23,5 41,7 27,6
–8 23,9 39,7 27,8
–6 24,3 37,6 28
–4 24,6 36 28,2
–2 25 33,9 28,4
0 25,4 31,8 28,6
2 25,8 29,7 28,8
4 26,2 27,7 29
6 26,6 25,6 29,2
8 27 23,5 29,4
10 27,3 21,9 29,6

Как видно из приведённой таблицы, отсутствие регулирования напольным отоплением приводит в межсезонье к чрезмерному перегреву воздуха в помещении, а также к повышению температуры пола.

Можно, конечно, при резких изменениях температуры открывать форточки, но отапливать за свой счёт вселенную навряд ли кто захочет. Можно также бегать к насосно-смесительному узлу, чтобы перенастроить уставку термоголовки, однако, такая беготня совершенно не вяжется с понятием «комфорта». Таким образом, можно сформулировать следующие основные задачи автоматического регулирования напольным отоплением:

  • поддержание внутреннего климата в помещении в комфортных рамках;
  • экономия энергоресурсов;
  • исключение излишнего вмешательства пользователя в работу системы.

 

Комнатные термостаты

Самым простым и доступным решением по регулированию системы напольного отопления является использование комнатных термостатов совместно с электротермическими приводами, управляющими термостатическими клапанами коллекторного блока.

Принцип работы термостата элементарен: пользователем задаётся желаемая температура внутреннего воздуха (уставка). При отклонении температуры воздуха в помещении от уставки на величину гистерезиса (разница между температурами включения и выключения), происходит переключение контактов реле, через которые на сервопривод подаётся электропитание. В зависимости от схемы подключения и типа сервопривода (нормально открытый или нормально закрытый), происходит либо открытие, либо закрытие термостатического клапана, регулирующего подачу теплоносителя в петлю тёплого пола.

Термостат на схеме 1 рисунка 3 при повышении температуры разомкнёт питание нормально закрытого сервопривода и там самым перекроет подачу теплоносителя в петлю. На схеме 2 рисунка 3 термостат подключён к нормально открытому приводу. При повышении температуры воздуха в помещении термостат подаст питание на сервопривод, также перекрыв петлю.


Рис. 3. Принцип работы комнатного термостата и сервопривода

В номенклатуре VALTEC имеется несколько видов комнатных термостатов.

Термостат комнатный проводной с датчиком температуры пола VT.AC602


Рис. 4. Комнатный термостат VT.AC602

Термостат VT.AC602 (рис. 4) кроме встроенного датчика температуры воздуха имеет выносной датчик, который встраивается в конструкцию стяжки тёплого пола в гофрокожухе.

При одновременном подключении двух датчиков встроенный датчик температуры является рабочим, а выносной – предохранительным (заводская настройка). То есть, при превышении предельной температуры на выносном датчике происходит отключение нагрузки, независимо от показаний встроенного датчика. Эта функция особенно полезна при покрытиях пола, чувствительных к повышению температуры (например, паркет).

При выборе в качестве рабочего выносного датчика температуры пола, встроенный датчик температуры воздуха становится предохранительным.

Переключение рабочих датчиков производится на шестиполюсном джампере, расположенном под лицевой панелью (рис. 5).


Рис. 5. Схема переключения датчиков

К термостату подводится питание 220 В, которое он при понижении температуры воздуха ниже уставки передаёт на сервопривод (рис. 6).

Такая схема предусматривает работу только с нормально закрытыми сервоприводами, а также исключает возможность использования зонального коммуникатора VT.ZC8.


Рис. 6. Схема подключения термостата VT.AC602

Термостат комнатный проводной VT.AC701
Термостат VT.AC701 (рис. 7) работает от двух батареек ААА 1,5 В и имеет жидкокристаллический дисплей, который в рабочем режиме отражает текущую температуру воздуха в помещении. Он выполнен в настенном исполнении, то есть крепится непосредственно на стену и не требует устройства гнезда с монтажной коробкой.


Рис. 7. Термостат комнатный VT.AC701

Требуемая температура (уставка) задаётся с помощью двух клавиш на передней панели. Термостат может работать как с нормально открытыми (НО), так и с нормально закрытыми (НЗ) сервоприводами с напряжением 220 В и 24 В. Сервопривод подключается в разрыв цепи питания (рис. 8).


Рис. 8. Схемы подключения термостата VT.AC701

Хронотермостат комнатный проводной с датчиком температуры пола VT.AC709
Давайте представим реальный рабочий день обычной семьи. Утром, когда домочадцы поднимаются с постелей, завтракают и собираются на работу, учебу и т. п., температура воздуха в помещениях должна поддерживаться на уровне 20–22 °С. Затем квартира остаётся на попечение кошек и собак, и вполне достаточно, чтобы температура не опускалась ниже 14–15 °С. Вечером семья возвращается домой, и до тех пор, пока все не улягутся спать, нужно снова поддерживать 20 °С. Наконец семья уснула.

Для нормального здорового сна температура воздуха в помещении не должна превышать 17 °С (рис. 9). Получается, что жильцу несколько раз в день придётся подходить к комнатному термостату и менять его настройку. Но даже в этом случае комфортная температура наступит не сразу. В зависимости от тепловой инерционности конструкций и использованного отопительного оборудования тепловой эффект проявится лишь через 20–30 минут, а то и позже.


Рис. 9. Пример графика температуры воздуха в помещении

Можно, конечно, ничего не регулировать, а по старинке открывать и закрывать форточку, установив на термостате стабильные 20 °С. Владельцы частных домов, коттеджей и квартир, оборудованных теплосчётчиками такому решению уже сейчас не обрадуются. Ведь платить за «открытую форточку» и нагрев «мирового пространства» им приходится из своего кармана. Тем, у кого теплосчётчики ещё не установлены, можно этот метод использовать, если им нравится бегать к форточкам и хлюпать носом от постоянных сквозняков.

Гораздо разумнее поступит тот, кто вместо обычного термостата установит электронный хронотермостат VT.AC709 (рис. 10).


Рис. 10. Хронотермостат проводной VT.AC709

Хронотермостат позволяет программно задавать режимы отопления в разное время рабочих суток и выходных дней. Для этого каждые сутки условно делятся на шесть периодов, время начала каждого из которых задаётся пользователем. То есть, при пятидневной рабочей неделе надо запрограммировать шесть периодов для пяти суток (рабочих) и 2 х 6 = 12 периодов для выходных дней. Для каждого из назначенных периодов задаётся требуемая температура воздуха или пола (при назначении в качестве рабочего выносного датчика).

В любой момент времени хронотермостат позволяет вмешаться в программу и перейти на режим ручного управления. Например, кто-то пришёл с работы раньше обычного. Перейдя на режим временного ручного управления, он назначает нужную температуру, и прибор будет её поддерживать до конца текущего программного периода, игнорируя программную настройку, а затем автоматически вернётся к работе по программе.

В обычных комнатных термостатах гистерезис (разница между температурами размыкания и замыкания контактов) является фиксированной величиной и составляет, как правило, 1 °С.

Кого-то это устраивает, а кому-то желательно поддерживать температуру более точно. Кому-то, наоборот, хочется, чтобы включение/выключение отопительного контура происходило реже. В хронотермостате VT.AC709 гистерезис можно настраивать в диапазоне от 0,5 до 10 °С.

Многие владельцы обычных комнатных термостатов замечают, что температура воздуха, фиксируемая термостатом, часто отличается от температуры, показываемой обычным комнатным термометром. Причин тому может быть несколько: разная температура в разных точках помещения, нагрев прибора при работе, неверная калибровка и т.п. Приходится держать в уме некую поправку, чтобы постоянно корректировать настройку на эту величину. Хронотермостат VT.AC709 имеет режим ручной калибровки встроенного датчика, поэтому поправка будет всегда учитываться автоматически.

Кроме всего прочего, хронотермостат VT.AC709 позволяет включить функцию защиты от замерзания (рис. 11). Даже при выключенном термостате (режим OFF) снижение температуры воздуха ниже 5 °С подаст напряжение на сервопривод, обеспечив циркуляцию теплоносителя.


Рис. 11. Информация, отображаемая на экране и назначение кнопок управления VT.AC709 (синим цветом показано значение заводских настроек)

Выносной датчик температуры пола встраивается в стяжку тёплого пола и служит в качестве предохранительного. При превышении предельно допустимой температуры пола, независимо от текущей температуры внутреннего воздуха, термостат подаст команду на отключение отопления (рис. 12 а и 12 б).


Рис. 12 a. Схемы подключения хронотермостата VT.AC709 к сервоприводам 220 В


Рис. 12 б. Схемы подключения хронотермостата VT.AC709 к сервоприводам 24 В

Хронотермостат комнатный проводной с датчиком температуры пола VT.AC710
В отличие от мдели VT.AC709, хронотермостат VT.AC710 (рис. 13) имеет автономное питание от двух батареек АА по 1,5 В. Выносного датчика температуры пола у этого прибора нет.


Рис. 13. Хронотермостат VT.AC710

В соответствии с введённой недельной программой хронотермостат управляет напольным отоплением, поддерживая в помещении один из двух предварительно заданных режимов («Комфорт» и «Эконом»).

Каждый из семи дней недели разбит на 48 временных зон (по 30 минут каждая), что позволяет пользователю при программировании хронотермостата обеспечить оптимальный климатический режим в помещениях.

Для удобства оперативного управления климатической системой хронотермостат имеет кнопку ждущего режима, которая позволяет при необходимости временно отключить работу программы и действовать по задаваемому пользователю командам.

Состояние реле (замкнуто / разомкнуто) отображается светодиодным индикатором и надписью на жидкокристаллическом дисплее (System ON / System OFF; рис. 14).


Рис. 14. Схема подключения хронотермостата VT.AC710

Хронтермостат комнатный беспроводной VT.AC707
Все ранее рассмотренные комнатные термостаты соединяются с сервоприводом с помощью провода, что не всегда удобно, а в ряде случаев просто невозможно. В этом случае на помощь придёт беспроводной хронотермостат VT.AC707 (рис. 15).


Рис. 15. Хронотермостат беспроводной VT.AC707

В его комплект входит приёмник, который принимает управляющий сигнал от хронотермостата, установленного в обслуживаемом помещении и по проводной схеме передаёт его непосредственно на сервопривод коллекторного блока. Сигнал к приёмнику передаётся по радиоканалу на разрешенной частоте 433 МГц. Приёмник, как правило, располагается рядом с сервоприводом в коллекторном шкафу.

Прибор снабжён сенсорными кнопками управления и позволяет выполнять следующие функции:

  • поддержание температуры воздуха в обслуживаемом помещении на уровне, заданном пользователем (программно или вручную);
  • дистанционная передача управляющего сигнала на расстояние до 30 м;
  • суточное и недельное программирования температурных режимов в помещении (шесть режимов в сутки);
  • поддержание режима защиты от замерзания;
  • настройка разницы между температурами размыкания и замыкания контактов;
  • калибровка показаний встроенного датчика температуры воздуха по данным поверочного термометра;
  • экранная индикация режимов работы, времени, температуры воздуха в помещении и заданной для текущего режима температуры воздуха;
  • подсветка дисплея;
  • блокировка настроек для защиты от несанкционированного вмешательства.

 

Хронотермостат двухконтурный проводной VT.AC711
Система напольного отопления достаточно часто применяется в качестве дополнения к радиаторному отоплению. В случае использования такой комбинированной схемы, управление отоплением тоже должно быть ком- бинированным. Это значит, что совместная одновременная работа двух систем в межсезонье (при температуре наружного воздуха от –10 до +8 °С) не требуется.

Тёплый пол вполне и сам справится с этой задачей. Для управления комбинированной системой отопления идеально подходит двухконтурный хронотермостат VT.AC711 (рис. 16).


Рис. 16. Хронотермостат двухконтурный VT.AC711

Этот хронотермостат выполняет такие же функции, как и VT.AC709, но управляет уже не одним, а двумя контурами отопления при помощи дополнительного реле. В меню настроек такого термостата введена величина dT, которая определяет зону температур выше уставки, при которой включено только одно реле (рис. 17).


Рис. 17. Схема работы хронотермостата VT.AC711

На термостате задаётся две величины: первая – уставка самого термостата (например 20 °С) и вторая величина – dT (например 3 °С), которая настраивается один раз и применима при любых значениях уставки. Если фактическая температура воздуха в помещении ниже уставки на 0,5 °С (половинное значение гистерезиса), то это означает, что в помещении холодно и необходимо включить и радиаторное и напольное отопление. Такая ситуация возникает, как правило, в пиковые периоды холода, когда на улице устанавливается температура, близкая к зимней расчётной (для Санкт-Петербурга это –28 °С).

При возрастании температуры выше уставки (20 + 0,5 = 20,5 °С) реле, управляющее радиатором, отключается. Таким образом при оптимальном диапазоне температур будет выключен радиатор, но тёплый пол для обеспечения комфорта в помещении останется включённым. Дальнейшее увеличение температуры воздуха до значения 20 + dT + 0,5 = 23,5 °С приведёт к выключению и тёплого пола (рис. 18).


Рис. 18. Схемы подключения хронотермостата VT.AC711

Остывание помещения сначала запустит тёплый пол при температуре 20 + dT – 0,5 = 22,5 °С, а при понижении температуры до значения 20 – 0,5 = 19,5 °С подключится и радиаторное отопление.

По умолчанию, значение dT задана равной 3 °С, однако задавать его рекомендуется, исходя из особенностей конкретной системы и тепловой инерционности помещения.

Таблица 2. Основные технические характеристики комнатных термостатов

Характеристика, ед изм.

 

Модель термостата

VT.AC602 VT.AC701 VT.AC709 VT.AC710 VT.AC707 VT.AC711
Тип соединения Проводное Проводное Проводное Проводное Радио Проводное
Число датчиков температуры 2 1 2 2 1 1
Число управляемых контуров 1 1 1 1 1 2
Наличие ЖК-дисплея Нет Да Да Да Да Да
Программирование Нет Нет Недельное Недельное Недельное Недельное
Напряжение питания, В 220 АС 3 DC 220 АС 3DC 3 DC – термостат 220 – приемник 220 АС
Коммутируемый ток, А 16 8 3 10 3 3
Диапазон регулирования температуры рабочего датчика, °С +5…+40 +5…+40 +10…+55 5–35 +5…+60 +10…+55
Предельная температура настройки выносного датчика, °С +50 +60

Монтаж

 

 

В коробку К201 УХЛ4; D68 Настенный В коробку К201 УХЛ4; D68 Настенный Настенный В коробку К201 УХЛ4; D68
Совместимость с коммуникатором ZC8 Нет Да Да Да Да Да
Совместимость с сервоприводами VT.TE3040; VT.TE3042/220; VT.TE3043 VT.TE3040; VT.TE3041; VT.TE3042; VT.TE3043 VT.TE3040; VT.TE3041; VT.TE3042; VT.TE3043 VT.TE3040; VT.TE3041; VT.TE3042; VT.TE3043 VT.TE3040; VT.TE3041; VT.TE3042; VT.TE3043 VT.TE3040; VT.TE3041; VT.TE3042; VT.TE3043

 

В следующей публикации будет рассказано о зональном коммуникаторе, погодозависимом регулировании и реализующем его контроллере VALTEC.