Регулирование температуры в системах напольного отопления

Системы обогрева помещений с помощью водяных «теплых полов» перестали быть диковинкой и широко применяются при строительстве как многоэтажных домов, так и коттеджей. Для обычного потребителя комфортность нахождения в помещении, обогреваемого с помощью водяного «теплого пола», обеспечивается, в первую очередь, за счет того, что имеющееся тепло равномерно распределяется по всей поверхности пола, и сама система «теплый пол» обладает свойством «саморегулирования».

Для понимания сути термина «саморегулирование», рассмотрим абстрактную систему водяных «теплых полов» и проанализируем, как ведет себя эта система при изменении наружного и внутреннего воздуха (рис. 1, а–г).

Однако из-за инерционности системы поверхностного обогрева процесс изменения температуры воздуха в помещении достаточно продолжителен. Повысить оперативность реакции водяных «теплых полов» можно с помощью грамотного применения средств автоматики и управления.

Системы обогрева помещений водяными «теплыми полами» перестали быть диковинкой и широко применяются при строительстве как многоэтажных домов, так и коттеджей.

При использовании напольного водяного отопления в качестве основной системы отопления, вопрос регулирования решается установкой теплогенератора с погодозависимой автоматикой в связке с комнатными термостатами и сервоприводами на каждой петле. Однако в климатических условиях России «теплый пол» не всегда способен обеспечить компенсацию всех теплопотерь помещениями. Поэтому в большинстве случаев система отопления проектируется комбинированной, например, система водяных «теплых полов» дополняется системой радиаторного отопления.

При таком подходе система отопления условно делится на два температурных контура — первичный (или высокотемпературный радиаторный) и вторичный (или низкотемпературный, «теплый пол»). Это требует более сложной системы управления отоплением, но в результате получается гибкая, оперативная и надежная схема.

Примером технического совмещения контура радиаторного отопления и водяных «теплых полов» может служить схема с использованием насосно-смесительного узла Valtec Combi.

Работа комбинированной системы отопления основана на базе готового смесительного узла Combi (рис. 2, артикул VT.Combi) в сочетании с коллекторными блоками VT.594 и VT.596.

Узел предназначен для поддержания заданной температуры и расхода теплоносителя во вторичном контуре системы отопления, гидравлическую увязку первичного и вторичного контуров. Он оснащен всей необходимой запорнорегулировочной арматурой и сервисными элементами и обеспечивает стабильную работу вторичного контура и предохраняет насос от работы «на закрытую задвижку», что увеличивает срок его безаварийной службы.

Ключевым вопросом в данном узле, является реализация управления смесительным клапаном теплого пола. Вариантов управления клапаном можно предложить несколько.

Вариант 1

Термостатический клапан с чувствительным элементом (термостатической головкой) — рис. 3.

Приведенная на рис. 3 схема является наиболее простой в реализации и, соответственно, самой дешевой.

Данная схема содержит следующие элементы:

— коллекторный блок VT.594, обслуживающий высокотемпературный контур (радиаторный или конвекторный);

— насосно-смесительный узел VT.Combi, обеспечивающий поддержания расчетной температуры и циркуляции теплоносителя в низкотемпературном контуре — «теплого пола»;

— коллекторный блок VT.596 оборудованный ручными регулировочными расходомерами для балансировки контуров «теплого пола».

Температура теплоносителя в подающем коллекторе «теплого пола» поддерживается термостатической головкой (диапазон настройки температуры — 20–60 °C), которая выставляется на расчетное значение заложенное проектом системы, соответствующее максимально отрицательной температуре наружного воздуха в отопительный период. В таком случае во всех помещениях будет поддерживаться постоянно максимально-расчетная температура.

Аварийное ограничение превышения температуры во вторичном контуре обеспечивается термостатом VT.AC616 I (рис. 4) с выносным датчиком. Этот термостат включается в цепь питания циркуляционного насоса, и отключает его при превышении настроечного значения температуры теплоносителя.

Однако температура наружного воздуха претерпевает постоянные изменения, что влияет на тепловой режим помещений. Для того, чтобы соответствующим образом изменить температуру в каком-либо отдельном помещении, потребителю необходимо с помощью ручного регулировочного клапана, установленного на обратном коллекторе «теплого пола», откорректировать количество проходящего теплоносителя.

При такой схеме получается, что при каждом существенном изменении внешней температуры потребитель вынужден «бегать» к узлу для корректировки настроек. Выходит, что отопление есть, а комфорта нет.

Вариант 2

Термостатический клапан с чувствительным элементом (термостатической головкой) и сервоприводы на петлях, работающие по команде комнатных термостатов — рис. 5.

Избавиться от ручного регулирования контурами «теплого пола» можно с помощью комнатных термостатов, расположенных в отапливаемых помещениях. Каждый термостат управляет электротермическим сервоприводом, установленном на соответствующем термостатическом клапане обратного коллектора «теплого пола».

В предложенной схеме используются импульсные нормально-закрытые сервоприводы VT.TE3040 или VT.TE3042 (рис. 6). Нормально-закрытый привод — это привод, который находится в закрытом положении при отсутствии питания на нем, а в момент подачи питания, он переходит в положение «открыто». Отличие приводов заключается только в дизайне, при одинаковых эксплуатационных характеристиках.

Избавиться от ручного регулирования контурами «теплого пола» можно с помощью комнатных термостатов, расположенных в отапливаемых помещениях. Каждый термостат управляет электротермическим сервоприводом.

В качестве комнатных термостатов практически могут использоваться следующие приборы:

— термостат VT.AC601 (рис. 7), работающий от встроенного датчика температуры окружающего воздуха — при снижении температуры воздуха в помещении термостат подает питание на привод, который открывает клапан;

— термостат VT.AC602 (рис. 8), оснащенный выносным датчиком температуры пола и выключателем, полностью прекращающим работу термостата, этот прибор может работать в трех режимах — а) по датчику температуры воздуха (диапазон настройки 5–40 °C); б) по датчику температуры пола; в) по двум датчикам одновременно, в качестве основного датчика выступает датчик температуры воздуха, а датчик пола работает в качестве ограничителя, с заводской настройкой 30 °C, термостат также имеет возможность подключения через внешний таймер, который позволяет управлять включением и отключением термостата по заданному времени;

— хронотермостат VT.AC709 (рис. 9) работает по алгоритму аналогичному работе термостата VT.AC602 — в отличие от двух предыдущих термостатов, он обладает функцией недельного программирования, что позволяет пользователю задавать различные температурные режимы в определенное время суток и в определенные дни недели.

Автоматизация с помощью комнатных термостатов и электротермических сервоприводов избавляет потребителя от ручного управления системой, но весь контур «теплого пола» по-прежнему будет работать на полную тепловую мощность, с постоянной температурой теплоносителя, не зависящей от колебаний температуры наружного воздуха.

Вариант 3

Термостатический клапан с чувствительным элементом (термический сервопривод с аналоговым управлением), сервоприводы на петлях, работающие по команде комнатных термостатов и контроллер с погодозависимой автоматикой, управляющий сервоприводом термостатического клапана смесительного узла — рис. 10.

Адаптация теплопроизводительности системы напольного отопления к наружной температуре воздуха возможна при использовании «погодозависимой» автоматики, такой, например, как контроллер Valtec VT.K200 (рис. 11).

Данный контроллер позволяет не только обеспечить энергоэффективную работу системы напольного отопления, но и продлить рабочий ресурс всей системы в целом.

Контроллер Valtec VT.K200 позволяет по заданному графику корректировать температуру теплоносителя в соответствии с температурой наружного воздуха. Температура теплоносителя в подающем коллекторе «теплого пола» регулируется с помощью аналогового сервопривода VT.TE3061, посредством управляющего сигнала от контроллера.

Управляющий сигнал контроллера непосредственно рассчитывается по пропорционально-интегрально дифференциальному (ПИД) закону регулирования. Величина управляющего сигнала определяется по формуле:

Пропорциональная составляющая Р прямо пропорциональна «невязке», которая определяется выражением:

Δ T = Tус – T,

где Tус — температура уставки; T — текущее значение температуры.

При пропорциональном регулировании фактическое отклонение температуры вызывает пропорциональное изменение управляющего сигнала.

Однако при таком регулировании значение температуры никогда не стабилизируется на уставке, и процесс превращается в колебательный с постоянными перегревами и охлаждениями. Величина этих отклонений от уставки называется «статической ошибкой». Для устранения данной ошибки контроллером учитывается интегральная составляющая I, которая равна интегралу «невязок». Именно она и позволяет контроллеру учитывать данную статическую ошибку.

Если система работает в стабильном режиме, то через некоторое время температура теплоносителя устанавливается на заданном значении. Однако время, за которое система достигает заданного уровня температуры достаточно велико.

Для сокращения времени выхода на уставку используется дифференциальная составляющая. Она пропорциональна темпу (скорости) изменения отклонения температуры от уставки.

Применяемое компанией Valtec ПИДрегулирование дает возможность контроллеру оперативно устанавливать в системе требуемый уровень температуры теплоносителя при малейших колебаниях температуры наружного воздуха.

Коэффициенты Kp, Ki и Kd определяются в процессе автонастройки, предусмотренной в приборе, но так же могут быть заданы или скорректированы вручную в ходе эксплуатации.

Необходимая температура теплоносителя определяется контроллером по пользовательскому температурному графику (рис. 12). Данный график устанавливается на стадии наладки системы отопления и определяется заданными пользователем точками (от двух до десяти). Крайняя левая точка графика (рис. 12, точка А или С) задает максимальную температуру теплоносителя в системе «теплого пола», которой соответствует расчетная отрицательная температура наружного воздуха. Максимальная температура теплоносителя «теплого пола» определяется проектом системы отопления. Крайняя правая точка (рис. 12, точка В или D) определяется по личностным теплоощущениям конкретного потребителя и далее корректируется на основании опыта эксплуатации.

На рис. 12 приведен пример для двух разных температурных режимов.

ПИД-регулирование дает возможность контроллеру оперативно устанавливать в системе требуемый уровень температуры теплоносителя при малейших колебаниях температуры наружного воздуха.

Встроенная функция ограничения температуры в контуре «теплого пола» позволяет отказаться от использования внешнего предохранительного термостата. В этом случае питание насоса подается через контроллер, как показано на рис. 13.

Контроллер обладает функцией адаптивности, которая позволяет в процессе эксплуатации вырабатывать наиболее эффективный алгоритм работы, соответствующий конкретной системе, объекту и динамике изменения теплового режима. Настройка контроллера проста и занимает у пользователя не более 10–15 минут. Благодаря наличию встроенного цифрового интерфейса RS-485 контроллер может быть внедрен в сеть диспетчеризации и контроля данных.

Подробные пошаговые инструкции по настройкам смесительного узла Valtec Combi, термостатов и контроллера Valtec VT.K200 полностью приведены на сайте www.valtec.ru.