Vliv regulačních metod vytápění na tepelnou pohodu

Topná tělesa patří mezi nejpoužívanější způsob vytápění v budovách. Jako teplonosná látka je nejčastěji používána voda. K tomu, aby v prostoru, který je tímto způsobem vytápěn, nedocházelo k přetápění, se používají ventily, pomocí kterých je řízeno vytápění. A proto je řízení vytápění velmi důležité, protože tepelná pohoda v interiéru je základním faktorem spokojenosti osazenstva.

Známe několik druhů hlavic pro otopná tělesa, a to od archaického mechanického, který nám umožňuje řídit vytápění pouze manuálním zásahem a v současnosti se v nových instalacích nepoužívá, až po aktuálně nejvíce používané termostatické hlavice, které zmíněné manuální nahrazují.

Jejich princip spočívá v nastavení požadované teploty, kterou vyjadřuje číslo stupnice. Na základě této teploty dochází k otevření, případně zavření ventilu. Tento druh ovšem nepatří mezi velmi přesné způsoby řízení vytápění.

Dalším způsobem jsou elektrotermické hlavice, které jsou ovládány pomocí elektrického napětí. Princip fungování spočívá v připojení na napájení, což způsobí tepelnou roztažnost vnitřního člena, a tím dojde k otevření nebo zavření ventilu. Dále známe elektronické hlavice, které nám umožňují kontinuální ovládání ventilu 0–100 %.

Měření rozdílů těles a jejich řízení

Měřeními jsme porovnali vliv druhu hlavice a jeho způsobu řízení na tepelnou pohodu. Jako referenční prostor pro měření jsme zvolili místnost s rozměry: šířka 2,98 m, délka 4,65 m, výška 2,65 m. Místnost je využívána jako šatník, což nám zajistilo téměř stejné podmínky během celého měření (okna zastíněná interiérovými žaluziemi, minimální výskyt osob a žádné externí zdroje tepla).

Jelikož na proudění ohřátého vzduchu topným tělesem mají záclony významný vliv, tak jsme každý druh hlavice a způsob řízení změřili se zataženou záclonou (* _Z_MB_ *) a také s roztaženou záclonou (* _O_MB_ *). V místnosti jsme rozmístili snímače teploty (MB – měřicí body), v prostoru okna jsme umístili měřicí centrálu Comet MS5D, kterou jsme měřili přívod (MB_1) a odvod (MB_2) topného tělesa, venkovní teplotu (MB_3), prostor před radiátorem (MB_7) a okolí po stranách místnosti.

Další měřicí body jsme pokryli datalogerem Comet R0110, Comet S3120, Comet S3541 a Comet U3430 (MB_17 a jiné). Rozmístění jsme volili po stranách místnosti ve dvou výškových úrovních.

Jelikož jsme neměli možnost použít kontinuál­ní řízenou hlavici, tak jsme PI regulaci (PID _ * _ MB_ *) změřili pomocí elektrotermické hlavice – požadovaná poloha otevření byla změněna jen na požadavek otevři a zavři. Další způsob řízení vytápění jsme aplikovali také na elektrotermické hlavici, která byla ovládána na základě hystereze od požadované teploty (HS _ * _ MB_ *).

Jako poslední způsob řízení jsme zvolili klasickou termostatickou hlavici (TH _ * _ MB_ *). Každý způsob měření jsme praktikovali přibližně 24 hodin, čili měření trvalo 6 dní. Na obr. 2 lze vidět průběh teplot všech měřicích bodů vybraného způsobu řízení.

Naměřené údaje měřicích bodů MB_7 a MB_17

K vyhodnocení kvality regulačních metod jsme zvolili dva měřicí body – jeden ve středu místnosti (MB_17) umístěný na pravé straně přibližně uprostřed a ve výšce 1059 mm a jeden před topným tělesem ve vzdálenosti 350 mm a ve výšce 700 mm (MB_7). Měřicí bod MB_17 představuje přibližně běžnou polohu pohybu osob.

Vyhodnocení naměřených dat měřicích bodů MB_7 a MB_17

Termostatickou hlavici (TH _ * _ MB_ *) jsme nastavili na hodnotu 3, což by mělo představovat teplotu přibližně 20 °C. Z měřených dat je vidět, že prostor byl permanentně přetápěn, a to někde k úrovni 25 °C. Za dva dny měření s touto hlavicí docházelo pouze ke krátkodobému uzavírání ventilu. Tento jev poukazuje na to, že hodnota 3 na stupnici této hlavice spíše odpovídá 25 °C než uvažovaným 20 °C – plně se tak prokázala nepřesnost termostatické hlavice a také důvod, proč výrobci na stupnicích neuvádějí přímo požadovanou teplotu.

Porovnání měření s roztaženou a zataženou záclonou ukazuje, jak zatažená záclona omezuje teplotní vliv před topným tělesem (MB_7). Tento jev se projevil i na měřicím bodě uprostřed místnosti (MB_17).
Řízení vytápění pomocí hystereze (HS _ * _ MB_ *) s elektrotermickou hlavicí jsme realizovali pomocí PLC, které reléovým výstupem ovládá hlavici topného tělesa.

Pro potřeby řízení je potřebný snímač teploty, který je integrován v tělese vypínače (umístění u vstupních dveří na opačné straně, než je topné těleso). Požadovaná teplota byla nastavena na 24 °C a hystereze 1 °C (při 23,5 °C otevřít a při 24,5 °C zavřít hlavici). Měření potvrdilo očekávané – až na zapnutí vytápění při nižší teplotě, než jaká byla nastavena.

Poukazuje to na to, že integrovaný snímač v místě instalace snímal vyšší teplotu, než jaká byla reálně ve středu místnosti. Porovnání měření s roztaženou a zataženou záclonou nelze zcela objektivně provést, protože během celého měření se zataženou záclonou nebyl požadavek na otevření ventilu – prostor byl přetopený z měření s termostatickou hlavicí a během více než 21 hodin se zchlazuje – teplota za tu dobu nepodkročila nastavenou teplotu pro otevření hlavice. Z tohoto důvodu není možné vyhodnotit ani vliv záclony na měřicí bod 7 (MB_7).

PI regulace (PID * _MB_ *) nám dává předpoklad regulování výkonu tepelného zdroje na výkon, který přímo odpovídá ztrátám místnosti. Pro kvalitu regulace je podstatné, s jakým krokem akční člen působí, v našem případě tedy elektrotermický ventil umožňuje jen otevření a zavření. Z naměřených dat (MB_17) pak vyplývá, že chování systému napodobuje hysterezní řízení teploty s tím rozdílem, že k uzavření ventilu docházelo při vyšší teplotě. Při roztažené zácloně (PID_O_MB_17) byl průběh téměř totožný s hysterezním řízením (HS_O_MB_17). Při zatažené zácloně jsme pozorovali větší přetopení prostoru. Porovnání vlivu záclony na měřicí bod 7 (MB_7) nám potvrdilo předešlé měření, že zatažení zhoršuje šíření tepla před topným tělesem.

Závěr

Při vyhodnocení jednotlivých druhů řízení musíme konstatovat, že hysterezní způsob řízení a PI regulace měly podobný průběh. Tento poznatek byl způsoben tím, že PI regulátor nám počítal akční zásah v rozmezí 0–100 %, ale protože jsme měli elektrotermické hlavice, které umožňovaly jen dvě polohy, a to otevření nebo zavření ventilu, tak jsme v samotné podstatě měli hysterezní způsob řízení.

Od partnerů ASB

Stěnový systém vytápění REHAU: Chytrá alternativa i doplněk

Zámkové rigidní vinylové dílce Creation lákají vzhledem, komfortem a akustikou

Jelikož PI regulace obsahuje integrační složku, použití tohoto způsobu řízení je výhodnější než hysterezní řízení, protože dlouhé podkročení teploty prostoru pod žádanou hodnotou a pod pásmem necitlivosti způsobí růst integrační složky, a tím dotápění prostoru, což hysterezní řízení neumožňuje – protože jedinou podmínkou je podkročení teploty prostoru pod nastavenou zapínací teplotu.

Termostatická hlavice nám z měření vyšla jako nejméně vhodný způsob řízení vytápění, protože byl prostor permanentně přetápěn, což nám nepříznivě ovlivnilo i další měření. Nepříznivý vliv záclon na vytápění je měřitelný. Záclony značně zhoršují proudění ohřátého vzduchu v místnosti.