Sterowanie urządzeniami grzewczymi

Współczesne urządzenia grzewcze, oparte zarówno na źródłach tradycyjnych, jak i alternatywnych, są rozwiązaniami złożonymi, funkcjonującymi dzięki pracy wielu podzespołów. Obok znakomitych parametrów eksploatacyjnych i niezawodności oczekuje się też od nich walorów ekonomicznych, czyli jak najmniejszego zużycia energii potrzebnej do zasilania. Użytkownicy wymagają także komfortu - ogrzewanie ma działać bezobsługowo, samodzielnie dopasowując się do aktualnych warunków (np. temperatury zewnętrznej). Trudno wyobrazić sobie realizację tych zadań bez odpowiedniego układu automatyki, który zbierze niezbędne dane (np. temperatura zewnętrzna czy aktualna temperatura zasobnika c.w.u.) i na ich podstawie ustawi pracę wszystkich elementów urządzenia grzewczego. Taką funkcję pełnią coraz częściej stosowane dziś sterowniki i regulatory do kotłów, pomp ciepła, kolektorów słonecznych czy całych układów grzewczych, zarówno oferowane przez producentów samych urządzeń, jak i produkowane przez firmy specjalizujące się w rozwiązaniach automatyki i regulacji.

Nawet pobieżny przegląd oferty rynkowej pozwala stwierdzić, że brakuje jednolitego nazewnictwa stosowanych urządzeń. Najczęściej jako "sterownik" rozumie się rozwiązanie "pilnujące" pracy urządzeń według zadanych założeń, a "regulator" dostosowuje ich pracę do konkretnych warunków. Nie jest to jednak jednoznaczne.

Filozofią rozwiązań sterowania i regulacji pozostaje jednak praktyczny i intuicyjny charakter - tak, by użytkownik mógł z nich korzystać bez szczególnego przygotowania. Przykładowo parametry urządzeń można łatwo kontrolować i ewentualnie korygować, korzystając z wyświetlacza. Sterowniki umożliwiają ustawianie dziennych czy tygodniowych harmonogramów pracy kotła i pompy ładującej zasobnik c.w.u., dostosowanych do potrzeb użytkownika. Różne typy obudów do sterowników i regulatorów pozwalają na dopasowanie rozwiązań do przewidywanych warunków pracy, np. montaż pod izolacją kotła, na jego zabudowie, w szafie sterowniczej czy natynkowy na ścianie.

Sterowniki i regulatory do kotłów

Najszerszą gamę produktów stanowią sterowniki do kotłów, w szczególności tych dwufuncyjnych i przystosowanych do współpracy z dodatkowymi źródłami ciepła. Na rynku można znaleźć rozwiązania o różnym stopniu zaawansowania, od prostych sterowników zapewniających utrzymanie stałej nastawy temperatury, po zaawansowane regulatory kontrolujące i ustawiające pracę podzespołów kotła tak, żeby zapewnić jego najbardziej ekonomiczną i bezawaryjną pracę. Regulatory umożliwiają m.in. ustawienie priorytetu przygotowania c.w.u., sterują pracą nadmuchu kotła oraz załączaniem pompy obiegowej w instalacjach c.o. i pompy ładującej zasobnik w instalacji c.w.u.

Regulatory do kotłów na paliwa stałe (np. z podajnikiem ślimakowym) są urządzeniami złożonymi, ponieważ sterują pracą układu składającego się z wielu podzespołów. Umożliwiają więc sterowanie nie tylko wentylatorem nadmuchowym, pompą obiegową c.o. i pompą ładującą zasobnik c.w.u., ale też podajnikiem ślimakowym. Sterując nadmuchem i pracą podajnika, regulator pozwala utrzymać zadaną temperaturę kotła. Umożliwia także płynną regulację obrotu dmuchawy.

Sterowniki do kotłów na paliwa stałe są przystosowane do pracy z kotłami/podajnikiem typu ślimak czy tłok (szuflada). Mogą być uniwersalne, obsługujące spalanie ekogroszku, peletów lub biomasy. Stosuje się także algorytm regulacji tzw. logiki rozmytej (pozwalający np. na obsługę siłownika zaworu mieszającego). Umożliwia on precyzyjną regulację, co pozwala na minimalizację przeregulowań lub skrócenie czasu osiągnięcia wartości optymalnej.

Rozwiązaniem stosowanym szczególnie w przypadku kotłów kondensacyjnych jest tzw. regulacja pogodowa, w której temperatura czynnika grzewczego zależy od zmiany temperatury zewnętrznej. Dzięki temu do instalacji grzewczej dostarczana jest dokładnie taka ilość ciepła, jaka jest potrzebna do utrzymania w pomieszczeniach zadanej temperatury, a kocioł rzadko pracuje z mocą maksymalną. W przypadku kotłów kondensacyjnych jest to o tyle istotne, że przy pracy poniżej mocy maksymalnej więcej ciepła uzyskuje się z kondensacji. Modulacja mocy palnika umożliwia regulację bez skoków temperatury.

W przypadku kotłów kondensacyjnych ważna jest też współpraca układu regulacji z czujnikiem spalin. Zadaniem regulatora jest także kontrolowanie funkcji, które wpływają na prawidłową i energooszczędną pracę urządzenia, m.in. modulowanie pracy wentylatora, przedmuch kotła (programowalny), regulowanie czasu wygaszania i kontrola pracy podzespołów w tym czasie (np. zatrzymywanie pracy dmuchawy), ochrona pompy przed osadzaniem kamienia kotłowego czy zastaniem.

Zadaniem regulatora jest też kontrola bezpieczeństwa pracy kotła. W zależności od wskazań temperatury uruchamia on podzespoły odpowiedzialne za ochronę przeciwzamrożeniową instalacji i blokadę przed wychłodzeniem zasobnika oraz chroniące kocioł, zasobnik i podajnik przed przegrzaniem. Sygnalizuje też i rejestruje sytuacje alarmowe oraz awarie podzespołów, np. uszkodzenie czujnika temperatury.

Sterowniki do kolektorów

Zadaniem sterowników instalacji solarnej jest sterowanie pracą pomp w instalacji (automatyczne i/lub ręczne, poprzez łatwo dostępne przyciski na interfejsie sterownika), ochrona przed przegrzaniem kolektora i zasobnika oraz przemarzaniem kolektora, sygnalizowanie nieprawidłowości pracy i informowanie o parametrach instalacji (temperatura kolektorów i zasobnika, praca pompy obiegowej).

Sterownik umożliwia wstępną diagnozę awarii lub uszkodzeń podzespołów: zapowietrzenie instalacji, zwarcie czy uszkodzenie czujników temperatury. Awaria może być zgłaszana przez pojawienie się odpowiedniej ikony, włączenie lampki sygnalizacyjnej lub sygnał dźwiękowy. Wybór sterownika kolektora uzależniony jest przede wszystkim od stopnia złożoności instalacji solarnej i od tego, z jakimi urządzeniami dodatkowo współpracuje oraz oczywiście od preferencji użytkownika.

Prosty sterownik do kolektora słonecznego wyposażony jest w czujniki temperatury na wyjściu z baterii kolektora i w zasobniku c.w.u. Porównanie temperatur z obu czujników decyduje o załączeniu lub wyłączeniu pompy obiegowej. Jest ona załączana, kiedy temperatura kolektora przekroczy temperaturę zasobnika o zadaną histerezę, natomiast wyłączana automatycznie przy histerezie o 10°C niższej od histerezy załączenia, zatem pracuje do wyrównania temperatury kolektora i zasobnika lub do osiągnięcia ustawionej temperatury zasobnika. Pompa cyrkulacyjna załącza się, gdy temperatura zasobnika przekroczy zadaną temperaturę załączenia pompy cyrkulacyjnej, i pracuje do momentu, kiedy temperatura zasobnika spadnie poniżej tej temperatury.

Sterowanie może być bardziej precyzyjne dzięki odczytowi dodatkowych wartości temperatur. Korzystać można m.in. z funkcji automatycznej regulacji i optymalizacji natężenia przepływu czynnika grzewczego w instalacji solarnej pracującej na potrzeby c.w.u. z biwalentnymi podgrzewaczami pojemnościowymi c.w.u. Funkcja ta umożliwia ustawienie zmiennej wydajności pompy obiegowej ze stopniową regulacją obrotów w oparciu o pełny zakres pracy pompy, z automatycznym przełączeniem zakresów obrotów.

• Praca instalacji regulowana jest w oparciu o pomiar temperatury wody na wyjściu z baterii kolektora (T1) oraz uśrednioną wartość temperatury glikolu na zasilaniu i powrocie wężownicy grzejnej podgrzewacza (T2 i T3).
• Regulator steruje włączeniem i wyłączaniem pompy tak, by utrzymywać stałą (optymalną) różnicę temperatury ­T2-T3, co poprawia wydajność pompy solarnej i efektywność oddawania ciepła do wody przez wężownicę oraz umożliwia wykorzystanie nawet niewielkiej ilości ciepła wytworzonej w kolektorze.

Sterownik ten pozwala na łatwe uruchomienie instalacji solarnej, wymagając tylko nastawy temperatury c.w.u. Efektywność pracy instalacji jest większa o ok. 10%, a zasada działania sterownika umożliwia także diagnozowanie problemów z instalacją.

Dla układów bardziej rozbudowanych, np. wymagających dodatkowej współpracy z podstawowym źródłem ciepła czy z podgrzewaniem wody basenowej, stosuje się sterowniki wyposażone w większą liczbę czujników temperatury, z opcją współpracy z elektronicznym przepływomierzem natężenia przepływu czy bilansu uzysków ciepła.

Sterowanie pompami ciepła

Na rynku istnieją także regulatory przeznaczone specjalnie do pomp ciepła. W ofercie niektórych firm noszą nazwy programatorów. Są to regulatory sterujące pracą sprężarki, pompy, wentylatora, grzałki oraz pompy dodatkowego źródła ciepła. Regulatory takie działają w zależności od temperatury – ich praca regulowana jest temperaturą c.w.u. w zbiorniku, temperaturą kontrolną agregatu, temperaturą dodatkowego źródła oraz temperaturą zewnętrzną. W oparciu o pomiar tych parametrów, realizowany przez odpowiednio umieszczone czujniki temperatury, programator ustawia pracę podzespołów tak, by urządzenie pracowało wydajnie i przy zapewnieniu najwyższego poziomu energooszczędności.

Sterowniki do systemów OZE

W ofertach firm znajdują się także sterowniki łączące systemy energooszczędne - odpowiednie zarządzanie systemami złożonymi z kolektorów słonecznych, pomp ciepła i rekuperatorów umożliwia efektywne wspieranie instalacji grzewczej. Regulacja współpracy urządzeń wykorzystujących OZE zapewnia optymalizację ilości dostarczanego ciepła, a tym samym oszczędność energii. Sterowniki umożliwiają realizowanie rozmaitych funkcji, których wspólnym mianownikiem jest maksymalne wykorzystanie możliwości urządzeń i takie ustawienie parametrów pracy, by zapewnić największą wydajność, dostosowaną do bieżących potrzeb.

Regulacja układów hybrydowych

W przypadku układu hybrydowego (tj. systemu łączącego w sobie co najmniej dwa źródła ciepła) w regulacji istotny jest wybór najbardziej ekonomicznego w danym momencie źródła ciepła - jest to szczególnie widoczne w odniesieniu do układu złożonego z kotła i pompy ciepła. W tym wypadku stosuje się układ automatycznej regulacji punktu biwalentnego, który dla danych warunków pogodowych i eksploatacyjnych „wybiera” bardziej ekonomiczne źródło ciepła. Podstawą jest bieżące szacowanie kosztów uzyskiwania ciepła ze spalania w kotle i energii elektrycznej do napędu pompy ciepła. W danym momencie jako podstawowe pracuje więc źródło bardziej ekonomiczne. Przykładowo pompa ciepła działa do nastawionej granicznej temperatury zewnętrznej, a dopiero po jej przekroczeniu pracę podejmuje kocioł.

Sterowanie zdalne

Zdalne sterowanie w nowoczesnych instalacjach grzewczych można rozumieć dwojako.

Pierwsze znaczenie to podłączenie do sterownika kontrolującego pracę urządzenia panelu pokojowego, przewodowego lub bezprzewodowego. Rozwiązanie takie umożliwia regulację pracy urządzenia znajdującego się w pomieszczeniu kotłowni z pomieszczenia, w którym panel zostanie umieszczony. Z panelu można sterować temperaturą pomieszczenia czy nastawą temperatury c.w.u., odczytywać temperatury lub śledzić pracę podzespołów (podajnik, dmuchawa). Producenci przekonują do konkretnego rozwiązania, czyniąc je możliwie komfortowym -wyposażają panele w funkcje programowania tygodniowego, budzik czy układ dopasowujący podświetlenie urządzenia do jasności oświetlenia w pomieszczeniu.

Drugie ma związek z wykorzystaniem technologii cyfrowych, m.in. internetu i urządzeń mobilnych. Obecnie coraz więcej regulatorów kotłów umożliwia zdalny monitoring i sterowanie z dowolnego miejsca. Na rynku można spotkać dwa rozwiązania:

• albo regulator wymaga dodatkowego urządzenia komunikacyjnego,
• albo - w dobie coraz większej popularności tzw. internetu rzeczy (IoT) - wyposażony jest fabrycznie w moduł umożliwiający połączenie z internetem.

Dzięki temu kotłem można zdalnie sterować przez przeglądarkę internetową komputera zlokalizowanego w dowolnym miejscu lub aplikację w urządzeniu mobilnym - daje to np. możliwość ustawienia odpowiedniej temperatury w domu krótko przed powrotem użytkowników po dłuższej nieobecności.

Ze sterowania mobilnego mogą także korzystać firmy serwisowe (zwykle jest im udostępniana odrębna wersja aplikacji), które mogą zdalnie konfigurować urządzenia, podłączać dodatkowe czujniki i zabezpieczenia czy analizować pracę instalacji w czasie. Aplikacje takie oferowane są zarówno przez firmy dostarczające sterowniki, jak i producentów kotłów.

Dzięki aplikacjom można ustawić np. temperaturę zadaną aktywnych zaworów lub zapoznać się z takimi parametrami i informacjami, jak temperatura spalin, tryb pracy kotła czy ilość paliwa w zasobniku i prognoza jego wykorzystania.

Drugą stroną medalu jest stały nadzór i informacja o zakłóceniach pracy urządzenia - użytkownik może, poprzez SMS lub e-mail, otrzymać wiadomość o nieprawidłowej pracy swojego urządzenia. Ważne, że funkcja ta nie umożliwia zdalnego potwierdzenia zakłócenia czy przywrócenia urządzenia do pracy - wymaga bowiem oceny na miejscu przez serwisanta.

Dla współczesnego użytkownika źródeł ciepła istotny jest też fakt, że rosnąca powszechność sterowników i regulatorów sprawia, iż są to rozwiązania coraz tańsze i w coraz większym stopniu dostępne. Nowe urządzenia grzewcze są z kolei konstruowane jako przystosowane do regulacji i dobrze na nią odpowiadające.

Dzięki połączeniu tych dwóch trendów rzeczywiście wydajne, energooszczędne, niezawodne i komfortowe urządzenie grzewcze jest w zasięgu ręki niemal każdego inwestora.