Prosta automatyzacja centralnego ogrzewania.pdf

Elektronika domowa

Automatyzacja centralnego

ogrzewania

Pisaliśmy kiedyś o nowoczesnym domu sterowanym komputerami, w którym wykorzy−

stano wszystkie zdobycze techniki. Okazuje się jednak, że zanim doczekamy się takich

„szklanych domów” minie jeszcze sporo czasu. Można jednak uczynić znaczne postępy

w tej dziedzinie wprowadzając do domów znacznie prostsze układy automatyki, dzięki

której można żyć wygodniej i oszczędniej. Automatyzacja mieszkań rozpoczęła się już

przed wojną i mało kto zdaje sobie sprawę z tego, że praktycznie w każdym domu jest

automat. Tym automatem, mechanicznym co prawda, jest poczciwa i nieoceniona spłuczka

wisząca na ścianie każdej toalety. Artykuł poświęcony jest automatyzacji układów cen−

tralnego ogrzewania. Zastosowanie rozwiązań proponowanych przez autora wpływa na

wzrost komfortu i ogranicza niemałe koszty ogrzewania mieszkań. Choć słońce grzeje

niemiłosiernie zima zbliża się do nas wielkimi krokami i warto zastanowić się nad przed−

stawionymi poniżej problemami i sposobami ich rozwiązania.

z tym związanych. W nocy jak wiadomo

lepiej śpi się w chłodniejszych pomiesz−

czeniach.

Najbardziej rozbudowane programato−

ry posiadają rozbudowany cykl tygodnio−

wy. Wszak w niedzielę śpimy dłużej niż

w dzień powszedni i z reguły nie chodzi−

my do pracy, dlatego też odpada obniżanie

temperatury w ciągu dnia. Dodatkowo

w programatorach istnieje jeszcze możli−

wość zaprogramowania temperatury „wa−

kacyjnej”, czyli temperatury jaka ma być

utrzymywana przez okres kilku dni w cza−

sie zimowych wyjazdów świątecznych.

W tym miejscu należy wspomnieć

o miejscu w jakim powinien znajdować

się termoregulator. Koniecznie trzeba go

umieścić na ścianie wewnętrznej budyn−

ku na wysokości 1,5÷1,7 m nad poziomem

podłogi. Miejsce w którym znajduje się ter−

moregulator nie może być poddawane

bezpośredniemu działaniu promieni sło−

necznych. W pobliżu nie mogą przebie−

gać żadne czynne kanały dymowe ani

wentylacyjne. Jeszcze jednym wymogiem

Budżet naszego państwa jest w opła−

kanym stanie. Płynie z tego prosty wnio−

sek poparty doświadczeniem minionych

lat, że rząd łatając dziurę w finansach wy−

dawanych lekką ręką, sięgnie nam podat−

nikom jeszcze głębiej do kieszeni. Dosko−

nałym sposobem na wyciągnięcie braku−

jących miliardów są wszelkiego rodzaju

nośniki energii. Drugą groźbą, która wisi

nad nami jest układ dotyczący ogranicze−

nia wydobycia ropy naftowej zawarty

przez kraje OPEC. Trzecim niekorzystnym

czynnikiem jest opłakany stan polskiej

gospodarki i groźba silnego spadku war−

tości złotego w stosunku do innych walut.

Każdy z osobna i wszystkie razem przed−

stawione powyżej czynniki mogą i naj−

prawdopodobniej wpłyną na niemały

wzrost cen nośników energii. Z tego też

względu wskazane jest jak najefektywniej−

sze jej wykorzystanie. Doskonałym polem

do popisu jest centralne ogrzewanie, któ−

re stanowi ok. 50÷70% rocznego zapotrze−

bowania domu na energie w ciągu całego

roku. Zatem niewielka nawet oszczędność

przy ogrzewaniu prowadzi do znacznych

oszczędności finansowych. Opisywane tu

układy są stosunkowo tanie. Jeden z nich

kosztuje dosłownie kilka złotych i pozwa−

la zaoszczędzić nawet do 10% energii.

Drugi układzik jest już nieco droższy, co

wynika z dość wysokiego kosztu

(400÷500 zł) zaworu wodnego sterowane−

go elektrycznie). Także w tym przypadku

sama elektronika jest tania – rzędu kilku−

nastu złotych. Oba urządzenia oprócz

oszczędności zapewniają także wzrost

komfortu cieplnego, czyli inaczej mówiąc

poprawiają stabilizację temperatury w po−

mieszczeniu.

Dziś praktycznie każdy piec CO, fa−

chowo nazywany kotłem, wyposażony jest

w termoregulator. Jest to niezbędny waru−

nek w miarę oszczędnego ogrzewania

domu. W prostszych wykonaniach termo−

regulatory posiadają dwie nastawy tempe−

ratury którą mają stabilizować. Nastawy

„dzienna” i „nocna” zmieniane są ręcznie.

Bogatsze wersje posiadają zegar dobowy,

który automatycznie przełącza temperatu−

rę „dzienną” i „nocną”. Słowa: dzienna

i nocna piszę w cudzysłowiu, gdyż są to

pojęcia dość umowne. Temperatura „noc−

na” może bowiem oznaczać niższą tem−

peraturę także w dzień w czasie gdy do−

mownicy są w pracy i szkole. Nie ma wte−

dy potrzeby utrzymywać wysokiej tempe−

ratury pomieszczeń i ponosić kosztów

Rys. 1 Typowy układ sterowania pieca CO i przebieg temperatury w pomieszczeniu

Automatyzacja centralnego ogrzewania

Rys. 2 Zmodyfikowany układ sterowania pieca CO i przebieg temperatury w pomieszczeniu

dążenie producentów grzejników do mi−

nimalizacji pojemności wodnej. Po pew−

nym czasie jednak daje się zauważyć po−

wolne rozgrzewanie się pomieszczenia,

lecz wtedy temperatura jest najniższa i jej

wartość jest mniejsza od wartości dolne−

go progu histerezy.

Po fazie obniżania się temperatury na−

stępuje nagrzewanie się pomieszczenia.

Temperatura wzrasta, aż osiągnie wartość

górnego progu histerezy (20,5°C), kiedy to

następuje wyłączenie pieca CO. Rozgrza−

ne kaloryfery oddają jednak ciepło w dal−

szym ciągu (obszar C na wykresie). Na sku−

tek tego temperatura w pomieszczeniu

wzrasta i to znacznie w stosunku do górne−

go progu pętli histerezy. Wartość tego prze−

rzutu temperatury zależy w głównej mie−

rze od dwóch czynników. Jednym z nich

jest bezwładność cieplna pomieszczenia

a drugim temperatura czynnika grzejnego

czyli wody w kaloryferach. Im wyższa tem−

peratura wody na wyjściu z kotła tym prze−

rzut jest większy. Może on nawet osiągnąć

wartość 2°C. Po pewnym czasie kaloryfery

jednak wystygną i temperatura zacznie spa−

dać. Cały cykl powtarza się.

Na spadek temperatury poniżej dolne−

go progu histerezy nie ma w zasadzie żad−

nego rozwiązania. Z reguły spadek ten jest

niewielki i nie przekracza 0,5°C (z reguły

wartość spadku wynosi ok. 0,2°C). Jeżeli

jest większy świadczy to o zbyt małej wy−

dajności energetycznej pieca CO lub zbyt

małej mocy grzejników. Przerzut ponad

górną granicę pętli histerezy można jed−

nak dość prosto usunąć.

Wystarczy pomiędzy termoregulator

a piec włączyć układ pośredniczący, któ−

ry będzie włączał piec CO w chwili włą−

czenia się termoregulatora. Jednak po pew−

nym czasie mimo tego iż termoregulator

w dalszym ciągu jest włączony układ po−

średniczący wyłączy piec na zadany czas.

jest brak intensywnego przepływu powie−

trza w pobliżu termoregulatora, odpada

więc sąsiedztwo drzwi nawet wewnętrz−

nych. Dopiero miejsce spełniające powyż−

sze warunki zapewni właściwą pracę re−

gulatora i stabilną temperaturę w miesz−

kaniu

Opisany wcześniej termoregulator

z programatorem tygodniowym sprawiłem

sobie kilka lat temu do swojego, gazowe−

go pieca CO. Pod względem funkcjonal−

nym to niewielkie urządzonko bardzo

przypadło mi do gustu. Jednakże jakość

stabilizacji temperatury była wysoce nie−

zadowalająca. W domu odczuwało się na

zmianę ciepło i zimno.

Jak podawał producent, pętla histere−

zy regulatora powinna wynosić 0,5°C. Nie−

stety okazało się, że „zapomniano” dopi−

sać małego znaku ±, gdyż rzeczywista

pętla histerezy była większa i miała war−

tość 1°C pomiędzy górnym i dolnym pro−

giem regulatora. Oprócz tego na tempera−

turę w pomieszczeniu ma także jego po−

jemność cieplna i bezwładność systemu

grzewczego. Zachowanie takiego układu

spróbujemy prześledzić korzystając z ry−

sunku 1. Zamieszczono na nim typowy

układ sterowania pieca CO przy pomocy

termoregulatora. Natomiast na wykresie

poniżej przedstawiono przebieg tempera−

tury w pomieszczeniu.

Ustawiona na regulatorze temperatu−

ra ma wartość 20°C. Przy pętli histerezy

o szerokości 1°C górny próg przy którym

regulator wyłącza piec CO ma wartość

20,5°C, natomiast dolny, przy którym piec

jest włączany to 19,5°C. Na początku wy−

kresu w pomieszczeniu temperatura jest

nieco wyższa od nastawionej i piec pozo−

staje wyłączony (obszar A na wykresie). Na

skutek strat ciepła temperatura powoli ob−

niża się. Po przekroczeniu dolnego progu

pętli histerezy (19,5°C) piec zostaje włą−

czony (obszar B na wykresie). Mimo tego

temperatura w pomieszczeniu w pierw−

szych chwilach po włączeniu pieca spada

w dalszym ciągu. Jest to związane z bez−

władnością cieplną instalacji CO. Wszak

rozgrzanie wody i ogrzanie kaloryferów

wymaga pewnego czasu. Czas ten jest tym

krótszy im mniejszy jest zład, czyli ilość

wody mieszcząca się w instalacji. Stąd też

Rys. 3 Schemat ideowy układu pośredniczącego.

Automatyzacja centralnego ogrzewania

Rys. 4 Schemat elektryczny instalacji sterującej piecem CO ogrzewającym pomieszczenia i zasobnik ciepłej wody użytkowej

niż na parterze. Stosując kla−

syczne, czyli wspólne zasila−

nie obu kondygnacji bardzo

trudno jest uzyskać jednako−

we ogrzanie piętra i parteru.

Inną sytuacją będzie układ za−

silania pomieszczeń biuro−

wych i mieszkalnych z jedne−

go pieca CO. Godziny w któ−

rych poszczególne pomiesz−

czenia mają być ogrzane są

zdecydowanie różne.

Rozdzielenie obwodów za−

silania wymaga większych

przeróbek instalacji wodnej

i związanych z tym kosztów.

Lecz w przypadkach takich

jak przedstawione powyżej

inwestycja ta powinna się

zwrócić w ciągu jednego se−

zonu grzewczego. Ciężko jest

oszacować oszczędności wy−

nikające z tego rozwiązania gdyż w dużej

mierze zależą one od fizycznych właści−

wości ogrzewanego obiektu, są one jed−

nak dość duże i można je szacować na

nawet poziomie 20÷30% o komforcie nie

wspominając.

W takich przypadkach jak opisano moż−

na zastosować dwa kotły CO, co jednak jest

rozwiązaniem nieekonomicznym. Znacz−

nie tańsze jest rozdzielenie zasilania obu

różnych grup pomieszczeń i zastosowanie

jednego kotła. Do tego celu niezbędny jest

elektrycznie sterowany zawór trójdrożny.

Zawór taki stosowany jest często w instala−

cjach z piecem CO jednofunkcyjnym, któ−

ry oprócz centralnego ogrzewania służy tak−

że do podgrzewania zasobnika ciepłej

wody użytkowej. Schemat elektryczny ta−

kiej instalacji dla zaworu firmy Danfoss typ

HS3 przedstawiono na rysunku 4. Zawór

trójdrożny posiada jedno wejście wody

„AB” i dwa wyjścia „A” i „B”. Wejście wod−

ne zaworu połączone jest z wyjściem cie−

płej wody z pieca CO. Możliwe są trzy po−

zycje pracy zaworu. Woda doprowadzana

jest tylko do pierwszego wyjścia „A”, woda

doprowadzana jest równocześnie do obu

wyjść „A” i „B” oraz woda doprowadzana

jest tylko do drugiego wyjścia „B”. Pozwa−

la to na dowolne zasilanie instalacji.

W układzie sterowania zaworem wbu−

dowany jest miniaturowy silniczek prądu

zmiennego i sprężyna powrotna powodu−

jąca powrót zaworu do pozycji wyjściowej

przy braku zasilania „A”. Układ sterowania

wyposażony jest także w styki zwierane

w chwili ustawienia się zaworu na zadanej

Jeżeli po tym czasie temperatura w po−

mieszczeniu będzie zbyt niska układ po−

nownie włączy piec CO. Wyłączenie pie−

ca następuje z chwilą osiągnięcia górne−

go progu pętli histerezy. To proste rozwią−

zanie powoduje znaczne spłaszczenie

narastania temperatury w pomieszczeniu

dzięki czemu przerzut ponad górny próg

jest dużo mniejszy. W praktyce bez pro−

blemu można osiągnąć przerzut rzędu

0,2°C. Wartość przerzutu można w prosty

sposób regulować czasem przerwy w pra−

cy pieca CO wprowadzanej przez układ

pośredniczący. Cały cykl pracy pieca CO

z takim prostym układem przedstawiono

na rysunku 2.

Zatem można oczekiwać, że dla ter−

moregulatora o pętli histerezy 1°C waha−

nia temperatury w pomieszczeniu nie po−

winny być większe niż 1,5°C. Natomiast

dla regulatora o pętli histerezy 0,5°C wa−

hania będą na poziomie 1°C. Jest to war−

tość w pełni zadowalająca i praktycznie

niewyczuwalna przez człowieka.

Zmniejszenie wahań temperatury

oprócz poprawy komfortu cieplnego pro−

wadzi do zmniejszenia zużycia gazu lub

oleju opałowego. Dzieje się tak na skutek

niższej średniej temperatury w pomieszcze−

niu (mniejsze przerzuty). W naszych wa−

runkach klimatycznych obniżenie zimą

średniej temperatury o 1°C prowadzi do

obniżenia zużycia paliwa o 7÷10%, co jest

wartością niebagatelną. Zaletą tego rozwią−

zania jest także fakt braku ingerencji w piec

CO i układ termoregulatora. Modyfikowa−

ne jest tylko sterowanie piecem. Na obu

rysunkach 1 i 2 celowo „przerysowano”

wartości przerzutów temperatury, co miało

na celu lepsze zilustrowanie problemu.

Schemat układu pośredniczącego

przedstawiono na rysunku 3. Jest to prosty

tajmer zerowany przez rezystor R2.

Z chwilą zwarcia styków w termoregula−

torze na wejście zerujące (nóżka 4) tajme−

ra zostaje podane napięcie zasilania i układ

rozpoczyna generację impulsu, którego

czas trwania zależy od wartości elemen−

tów R1 i C1. Wtedy też zostaje zwarty prze−

kaźnik Pk1 włączający piec CO. Po od−

mierzeniu zadanego czasu rzędu 3 minut.

Tajmer wyłącza piec CO na czas zależny

od wartości elementów P1 i C1. Czas ten

można regulować w szerokich granicach

od ok. 3 minut do zera przy pomocy po−

tencjometru P1. Następnie piec jest po−

nownie włączany na okres 3 minut.

W dowolnej chwili piec CO może zo−

stać wyłączony przez termoregulator.

W chwili gdy styki termoregulatora roze−

wrą się tajmer zostanie natychmiast wy−

zerowany przez rezystor R2 zwierający

wejście zerujące do masy.

Drugim rozwiązaniem pozwalającym

zaoszczędzić na paliwie i zwiększyć so−

bie komfort cieplny jest rozdzielenie in−

stalacji CO na dwa niezależnie sterowane

obwody. Rozwiązanie tego typu zalecane

jest szczególnie tam gdzie występuje więk−

sza liczba pomieszczeń o różnych stratach

cieplnych, lub czas ogrzewania różnych

pomieszczeń jest inny. Klasycznym przy−

kładem jest dwupiętrowy domek jednoro−

dzinny. Straty ciepła na piętrze są większe

Automatyzacja centralnego ogrzewania

Rys. 5 Schemat układu elektronicznego sterującego piecem CO i zaworem trójdrożnym

10 sek. Po zakończeniu cyklu robocze−

go zaworu i ustawieniu się w pozycji

przepływu „B” na jego wyjściu elektrycz−

nym (przewód pomarańczowy) pojawi

się napięcie, które zostanie doprowadzo−

ne do pieca CO włączając go. Ciepła

woda popłynie do drugiego układu

grzewczego. Opóźnienie we włączaniu

pieca zapobiega kierowaniu ciepłej

wody do drugiego obwodu grzewczego,

co także przyczynia się do niewielkich

oszczędności.

Natomiast gdy włączeniu ulegną oba

termostaty, przy czym nie jest istotne czy

nastąpiło to równocześnie czy też wcze−

śniej jeden z termostatów był włączony,

zasilone zostaną wyjścia B i KP. Powoduje

to włączenie pieca CO i ustawienie się za−

woru na pozycji „A” I „B” przy której zasi−

lane są dwa ogrzewane obwody równo−

cześnie. Jeżeli wcześniej był włączony ter−

mostat T2 zawór cofnie się do pozycji „A”

i „B”. Natomiast gdy wcześniej był włą−

czony termostat T1 zawór wykona tylko

ćwierć obrotu także do pozycji „A” i „B”.

W tym przypadku nie ma żadnego opóź−

nienia przy włączaniu pieca CO.

Z uwagi na to, że zawór trójdrożny

znajduje się w pozycji spoczynkowej „A”

termostat T1 i obwód ogrzewania w wyj−

ścia „A” zaworu powinny być doprowa−

dzone do pomieszczenia które jest ogrze−

wane częściej i więcej. Uniknie się wte−

dy niepotrzebnego kręcenia zaworem.

Niezwykle istotne jest właściwe pod−

łączenie wyjścia układu do pieca CO.

Z reguły jedno z wejść sterujących pieca

znajduje się na potencjale zera robocze−

go (N), a na drugie podaje się napięcie fa−

zowe (R). Nie wolno pomylić ze sobą tych

wejść, gdyż w przeciwnym wypadku do−

prowadzi się do zwarcia.

Opisany układ został praktycznie

sprawdzony w piecu CO firmy Beretta typu

IDRA Exclusive 20 i działa w nim niena−

gannie od trzech lat. W układzie wodnym

pozycji. Dzięki temu piec CO zostaje włą−

czony dopiero po zakończeniu ruchu ro−

boczego zaworu i ogrzana woda płynie

w ustawionym kierunku. Wszystko to

umożliwia bardzo proste i zgrabne rozwią−

zanie sterowania zaworu. Ponadto zawór

posiada ręczną dźwignię sterowania po−

zwalającą ustawić go w pozycji przepływu

na oba wyjścia równocześnie „A” i „B”.

Zadaniem układu sterującego dwoma

obwodami zasilania centralnego ogrzewa−

nia jest takie ustawianie zaworu aby piec

mógł ogrzewać każdy z obwodów oddziel−

nie jak też oba obwody równocześnie.

Krótko mówiąc układ elektroniczny musi

realizować sumę logiczną sygnałów

z dwóch odrębnych termoregulatorów.

Schemat takiego rozwiązania pokazano na

rysunku 5.

Styki termoregulatorów mogą zwierać

ze sobą wejścia T1A, T1B i T2A, T2B. Gdy

włączy się pierwszy termoregulator T1,

włączeniu ulega przekaźnik PK2 co jest

sygnalizowane zapaleniem diody D4. Na−

pięcie zasilania – faza sieci zostanie do−

prowadzona przez połączenie KP bezpo−

średnio do pieca CO. Nie spowoduje to

zmiany ustawienia zaworu trójdrożnego,

który pozostanie w pozycji spoczynkowej

„A”, a tylko włączenie pieca CO. Ciepła

woda popłynie od razu do

grzejników.

W sytuacji kiedy włączo−

ny zostanie tylko drugi ter−

moregulator T2 włączy się

przekaźnik PK1, co jest sy−

gnalizowane zapaleniem się

diody D2. Wtedy napięcie

sieci zostanie doprowadzone

do wyjścia B uruchamiając

zawór trójdrożny. Zawór za−

cznie obracać się co trwa ok.

Rys. 6 Schemat blokowy połączenia termoregulatorów, układów

pośredniczących i układu sterowania zaworem trójdrożnym

Automatyzacja centralnego ogrzewania

ślepce wywiercono dwa otwory na diody

sygnalizujące aktualne położenie zaworu

trójdrożnego. Płytka drukowana przymo−

cowana jest do czterech kołków znajdu−

jących się po wewnętrznej stronie panelu

sterującego w piecu CO stroną elementów

do wnętrza pieca (widać to na zdjęciu).

Diody LED montowane są po stronie dru−

ku. Układy pośredniczące wykonano póź−

niej i dlatego znajdują się one na odręb−

nych płytkach drukowanych umieszczo−

nych w innym miejscu.

Oczywiście w konkretnym układzie

ogrzewania można zastosować każdy

z opisanych w artykule układów osobno.

O tym decydują potrzeby. Na koniec po−

zostaje mi tylko życzyć ciepłych dni w cza−

sie gdy za oknem będzie hulał zimowy

mroźny wicher.

Wykaz elementów:

sterowanie zaworem

Półprzewodniki

D1, D3

– LED

D2, D4

– 1N4148

PR1

– GB 008 1 A/100 V

Rezystory

R1, R2

– 1 k

/0,25 W

Kondensatory

– 470

F/25 V

C2÷C4

– 100 nF/50 V ceramiczny

Inne

TR1

– TS 2/15

Pk1, Pk2

– RM 81/12 V

– WTAT 1A/250 V

płytka drukowana numer 604

Wykaz elementów:

układ pośredniczący

Półprzewodniki

USA

– 555 wersja CMOS

– 1N4148

Rezystory

– 22 k

/0,125 W

– 510 k

/0,125 W

– 470 k

TVP 1232

Rys. 7 Płytka drukowana i rozmieszczenie elementów

Kondensatory

zastosowano zawór trójdrożny firmy Dan−

foss typu HS3. Na rysunku 5 opisano ko−

lory przewodów wychodzących z zaworu

trójdrożnego tego właśnie typu.

Oprócz tego termostaty można wypo−

sażyć w układ pośredniczący opisany

wcześniej. Schemat tego układu zamiesz−

czono także na rysunku 5. W stosunku do

układu z rysunku 3 tajmery nie posiadają

na wyjściach przekaźników, gdyż ich funk−

cję spełniają przekaźniki znajdujące się

w obwodzie sterowania zaworem trójdroż−

nym. Schemat blokowy połączenia termo−

regulatorów, układów pośredniczących

i układu sterowania zaworem zamieszczo−

no na rysunku 6.

Płytka drukowana układu sterowania

zaworem została zaprojektowana tak aby

można ją było zamontować w opisanym

wyżej piecu CO. Mieści się ona za zaślep−

ką przeznaczoną do zamontowania ukła−

du włącznika czasowego, w której to za−

– 40 nF/50 V ceramiczny

– 470

F/16 V

płytka drukowana numer 604

Płytki drukowane wysyłane są za zalicze−

niem pocztowym. Płytki można zamawiać

w redakcji PE.

Cena: płytka numer 604

9,90 zł

+ koszty wysyłki (10 zł).

−

Ryszard Jagielski

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: