envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement










1Jedną z podstawowych zalet systemu ogrzewania podłogowego jest możliwość zapewnienia najlepszych, spośród wszystkich w praktyce stosowanych rozwiązań instalacyjnych, warunków komfortu cieplnego dla człowieka. Czasem mówi się również o korzystnych wskaźnikach ekonomicznych, przejawiających się w obniżonych, w stosunku do klasycznych grzejników konwekcyjnych, rachunkach za zużytą energię. Jak jest naprawdę i jakie faktycznie są zalety i wady tego systemu? – O tym można poczytać w pracach [2-5]. W tym artykule skupimy się na systemach sterowania grzejnikami podłogowymi z punktu widzenia aspektów ekonomicznych.

Chłodniej to taniej, ale czy mniej komfortowo?
Najprostszym sposobem zaoszczędzenia na ogrzewaniu pomieszczeń jest... nieogrzewanie ich wcale. Oczywiście, takie zabiegi nie są powszechnie stosowane w budownictwie mieszkaniowym. Obniżenie temperatury potencjalnie pogarsza bowiem warunki komfortu cieplnego. Jest to regułą i grzejnik podłogowy nie jest tu wyjątkiem, ale... Z uwagi na to, że grzejnik podłogowy dużą część mocy cieplnej oddaje na drodze promieniowania oraz dlatego, że ma zwykle bardzo dużą powierzchnię i ogrzewa, mówiąc trywialnie, ze wszystkich stron, możliwe jest obniżenie temperatury powietrza o około 2°C przy zachowaniu tych samych warunków komfortu cieplnego, jak w przypadku klasycznych grzejników konwekcyjnych [3, 5]. Zmniejsza to straty ciepła przez przegrody pomieszczenia (ściany, okna, podłogi itp.) do środowiska zewnętrznego, a także zmniejsza wentylacyjne straty ciepła. Tym samym zmniejsza się pobór energii ze źródła ciepła, np. z kotła. Grzejnik podłogowy z zasady jest więc, pod tym względem, rozwiązaniem bardziej ekonomicznym niż klasyczne grzejniki konwekcyjne.

Czym zasilać?
Grzejniki podłogowe z zasady pracują na relatywnie niskich wartościach temperatury czynnika grzewczego w stosunku do grzejników konwekcyjnych. Wynika to zarówno z dużej powierzchni grzewczej, jak i z wymagań dotyczących maksymalnych dopuszczalnych wartości temperatury tej powierzchni. Niska temperatura pracy daje możliwość efektywnego wykorzystywania niskotemperaturowych źródeł energii, takich jak gazowe kotły kondensacyjne, pompy ciepła, kolektory słoneczne czy też źródła geotermalne. Wszystkie one uzyskują wysoką sprawność przy niskiej temperaturze pracy, a także charakteryzują się wyższą sprawnością energetyczną i egzergetyczną niż klasyczne rozwiązania, pozwalając zmniejszyć zużycie energii pierwotnej i obniżyć koszty pracy. Oprócz tego niższe wartości temperatury pracy skutkują mniejszymi transportowymi stratami ciepła w przewodach, podwyższając efektywność energetyczną systemu.

Jaka pompa?
Już w średnio rozbudowanych systemach grzejnik podłogowy wymaga do prawidłowej pracy dodatkowej pompy obiegowej – ponad tę, która pracuje przy kotle, obsługując całą instalację. Wynika to przede wszystkim z dużej długości wężownicy, co generuje duże opory hydrauliczne i duże straty ciśnienia. Ponadto grzejnik podłogowy z zasady pracuje na małych spadkach temperatury wody, a zatem wymaga relatywnie dużych jej strumieni w celu zapewnienia wymaganej mocy cieplnej, co dodatkowo zwiększa zapotrzebowanie na moc do pompowania.2

Pompa zasilana jest energią elektryczną, czyli najdroższym nośnikiem energii w Polsce. Często stawia to pod znakiem zapytania energooszczędność eksploatacyjną ogrzewania podłogowego w stosunku do klasycznych grzejników konwekcyjnych (inwestycyjnie zawsze jest to rozwiązanie droższe). Co więc w tej sytuacji można zrobić? – Należy zastosować pompę o możliwie wysokim standardzie energetycznym. Pompy obiegowe do instalacji ogrzewczych podlegają unijnym wymaganiom prawnym odnośnie do ich energochłonności. Wymagania te opisane są dyrektywą [1] i rozporządzeniem [7] oraz zmieniającym je rozporządzeniem [6].

Standard energetyczny pompy obiegowej do instalacji ogrzewczej, przed wejściem w życie powyższych regulacji, opisywany był klasą energetyczną (A, B, C, itd.). Obecnie opisywany jest wskaźnikiem EEI (Energy Efficiency Index), którego wartość – zgodnie z unijnymi wymaganiami – nie może być wyższa niż 0,23. Najlepsze obecnie dostępne pompy charakteryzują się wartością tego wskaźnika na poziomie poniżej 0,15.

Aby uzyskać wysoki standard energetyczny, konieczne jest, oprócz zapewnienia odpowiednich parametrów samej pompy, wyposażenie jej w sterownik elektroniczny z układem pomiarowym, regulującym obroty pompy i dostosowującym je do bieżących warunków pracy i parametrów instalacji ogrzewczej.

Regulacja obrotów pompy może się odbywać w kilku trybach dopasowania wysokości podnoszenia do przepływu:

  • proporcjonalna (zmiennociśnieniowa),
  • ze stałą prędkością obrotową,
  • ze stałym ciśnieniem.

Najlepsze dopasowanie do instalacji najczęściej daje charakterystyka proporcjonalna, w której pompa dopasowuje obroty i wytwarzane ciśnienie do aktualnego przepływu czynnika.
Oprócz zastosowania pompy o możliwie wysokim standardzie energetycznym pamiętać należy o tym, aby jej parametry hydrauliczne, takie jak nominalna wysokość podnoszenia i nominalny wydatek, były prawidłowo dobrane do potrzeb danej instalacji. Generalnie gorsze jest przewymiarowanie pompy, niż jej niedoszacowanie. Jeśli więc nie mamy możliwości dobrania pompy dokładnie spełniającej nasze potrzeby, to wybierzmy raczej pompę trochę mniejszą niż sporo większą.

3Jak sterować?
Obecnie coraz częściej stosuje się systemy sterowania pozwalające zadawać programy ogrzewania (dobowe, tygodniowe itp.) z okresowym obniżaniem temperatury, np. na czas, gdy użytkownicy są poza domem (w pracy, w szkole itp.). Popularnym rozwiązaniem w przypadku grzejników konwekcyjnych, pozwalającym realizować takie zadania, jest grzejnikowa głowica elektroniczna. W ramach tego rozwiązania spotkać też można systemy sterowane zdalnie, ze smartfonów itp. Naturalnie, w przypadku grzejnika podłogowego stosowanie prostych rozwiązań w postaci głowicy grzejnikowej nie wchodzi w grę z uwagi na konstrukcję grzejnika, sposób jego zasilania i lokalizację (w podłodze). Czy można jednak, stosując dedykowane dla tego grzejnika rozwiązania, uzyskać takie same rezultaty?
No cóż – w przypadku ogrzewania podłogowego, zwłaszcza wykonanego w najbardziej powszechnym wariancie, tj. w tzw. technice mokrej, skutkującej bardzo wysoką bezwładnością cieplną, układy sterowania temperaturą w pomieszczeniu sprawdzają się słabo. Duża bezwładność cieplna nie pozwala bowiem szybko reagować grzejnikowi na sygnały sterujące. Nie da się więc uzyskać zadowalających rezultatów z punktu widzenia dynamiki regulacji, komfortu cieplnego i optymalizacji zużycia energii, w porównaniu z klasycznymi grzejnikami konwekcyjnymi, jeśli rozważamy stany przejściowe i typowo zmienne warunki temperaturowe na zewnątrz i wewnątrz pomieszczenia.

! W przypadku grzejnika podłogowego systemy sterowania i regulacji mają przede wszystkim zapewnić zabezpieczenie przed przekroczeniem dopuszczalnej temperatury powierzchni podłogi oraz odpowiednią, stabilizowaną temperaturę czynnika w dopuszczalnym zakresie jej zmian. Regulacja temperatury w pomieszczeniu jest sprzężona i działa niezależnie.

Sterowanie z użyciem regulatora elektronicznego. Istnieje kilka rozwiązań sterowania i regulacji wydajności cieplnej grzejnika podłogowego. Z ich opisem zapoznać można się w pracach [3, 5]. Jednym z bardziej kompleksowych rozwiązań jest układ regulacji temperatury grzejnika podłogowego i temperatury w pomieszczeniu przy wykorzystaniu regulatora elektronicznego (rys. 4). Regulator (6) odpowiada za pomiar temperatury w pomieszczeniu (lub w innym miejscu zamontowania) i podawanie odpowiednich sygnałów do elementów wykonawczych – siłownika (4) zaworu sterującego (3) dopływem wody do grzejnika oraz pompy. Dodatkowo regulator taki mierzy temperaturę na zewnątrz (CP2). Mechanizm regulacji polega na podawaniu napięcia sterującego na siłownik termiczny (4) oraz powolnym zamykaniu zaworu (3) (w przypadku siłownika elektrotermicznego typu NO – normalnie otwarty), spowodowanym powolnym rozgrzewaniem się czynnika roboczego w siłowniku termicznym (4). Towarzyszy temu spadek strumienia płynącego czynnika.

Duża bezwładność cieplna grzejnika podłogowego powoduje jego powolne stygnięcie. Spadek temperatury grzejnika powoduje obniżenie temperatury w pomieszczeniu aż do wartości zadanej na zadajniku regulatora (6) (pomniejszonej dodatkowo o wartość histerezy, tj. niejednoznaczności układu). Po spadku do tej wartości następuje wyłączenie napięcia zasilającego siłownik termiczny (4), jego powolne stygnięcie i powolne otwieranie zaworu (3). Towarzyszy temu wzrost strumienia czynnika i powolne nagrzewanie grzejnika, a tym samym wzrost temperatury w pomieszczeniu. Po przekroczeniu temperatury zadanej na sterowniku (6) (powiększonej o wartość histerezy) następuje zamknięcie zaworu (3) przez siłownik (4) i proces się powtarza.

4„Inteligentny” on-off. Taki sposób regulacji, typu on-off, przy uwzględnieniu bezwładności grzejnika i siłownika termicznego (4) oraz histerezy regulatora, powodować może wahania temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym. Aby powyższe zjawisko zminimalizować, wykorzystuje się regulatory działające na zasadzie „inteligentnego” on-off. Sterownik (6) wysyła sygnały w sekwencjach i długościach trwania zależnych od różnicy między temperaturą mierzoną a zadaną. Opisując zasadę regulacji obrazowo: prosty regulator elektryczny lub elektromechaniczny czekałby na przekroczenie temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu (lub jej spadek), w stosunku do wartości zadanej, zanim nastąpiłaby jakakolwiek reakcja. Elektroniczny regulator impulsowy (6), na podstawie informacji o różnicy między temperaturą zadaną na regulatorze a temperaturą zmierzoną w pomieszczeniu, dopasuje swoją reakcję do aktualnej sytuacji. W pewnym sensie więc przewiduje reakcję układu grzewczego i dopasowuje się do zmieniających się warunków.

Oczywiście, sposób reakcji jest zawsze taki sam, czyli „podaj napięcie” na siłownik termiczny (on) lub „nie podawaj” napięcia na siłownik termiczny (off ). Ważny jest natomiast nie tylko sam stan, ale i czas trwania poszczególnych stanów. Jeżeli wziąć pod uwagę bezwładność siłownika termicznego, to „podanie” napięcia (on) powoduje jego powolne zamykanie się, „zdjęcie” zaś napięcia (off ) powoduje jego powolne otwieranie się. W przypadku podania szybkiej sekwencji stanów on i off, przy zachowaniu odpowiedniej proporcji trwania stanu on do stanu off, pozycja siłownika (a zatem także zaworu) pozostaje bez zmian w pozycji pośredniej między stanem otwarty (on) a stanem zamkniętym (off ). Położenie zaś pozycji pośredniej zależy od ilorazu czasu trwania impulsu (on) do przerwy między impulsami (off ). Częściowe otwarcie zaworu regulacyjnego (3) powoduje regulację ilościową wydajności grzejnika powierzchniowego w zależności od rzeczywistego zapotrzebowania na strumień czynnika grzewczego. Miarą zapotrzebowania na strumień ciepła jest uchyb, czyli różnica między wartością temperatury zadaną na zadajniku regulatora a wartością temperatury zmierzoną w pomieszczeniu.

5W uproszczeniu można powiedzieć, że duża różnica temperatury oznacza duże zapotrzebowanie na strumień ciepła, mała zaś – stan bliski równowagi lub małe zapotrzebowanie na strumień ciepła. Przy dużej różnicy temperatury następuje znaczne otwarcie zaworu regulacyjnego (3) wskutek utrzymywania przez regulator (6) na siłowniku (4) stanu off znacznie dłużej niż stanów on. Przy małej różnicy temperatury następuje nieznaczne otwarcie zaworu regulacyjnego (3) przez utrzymywanie przez regulator (6) na siłowniku (4) stanu off znacznie krócej niż stanów on. To jest zasadą działania tego typu regulatora.

! Dzięki zastosowaniu inteligentnego regulatora impulsowego, prosty sposób regulacji on-off daje niemal takie same efekty jak regulacja ciągła, a typowa wada siłownika termicznego w postaci opóźnionego bezwładnością działania zostaje wykorzystana do precyzyjnej regulacji temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym.

Dodatkowe zalety elektronicznych regulatorów impulsowych. Urządzenia te mają zazwyczaj wiele innych zalet. Umożliwiają programowanie czasu pracy, czasu obniżenia temperatury w pomieszczeniu lub całkowitego wyłączenia grzania, wyboru typu regulacji, ustawienia stałych regulacji itd. Standardem jest programowanie czasu pracy w trybie tygodniowym, dobowym, a czasem też miesięcznym i rocznym, z automatycznym przełączaniem zegara na czas letni i zimowy. W trybie tygodniowym standardowo istnieje możliwość wyboru trzech wartości temperatury: tzw. zredukowanej, normalnej lub komfortu. Ważna jest możliwość wyboru typu regulacji, na przykład typu PI czy P, wraz z możliwością ustawiania stałych regulacji oraz na przykład uwzględnienia wartości zakresu histerezy współpracującego siłownika.

6Standardem wyposażania regulatora jest wewnętrzny czujnik temperatury (CP1). Niektóre regulatory mają możliwość wykorzystania czujnika zewnętrznego (CP2). Regulator z czujnikiem zewnętrznym pozwala regulować temperaturę powietrza w pomieszczeniu, w miejscu zabudowy czujnika, na przykład w miejscu publicznym, ogólnie dostępnym, podczas gdy sam regulator wraz z zadajnikiem może być usytuowany w miejscu niedostępnym dla osób trzecich. Regulatory mogą mieć też możliwość sterowania pracą pompy (z tego powodu na rys. 4 jest on połączony z pompą), jeśli ta jest wyposażona w falownik pozwalający płynnie zmieniać prędkość obrotową wirnika.

Opisany układ jest ponadto wyposażony w rozdzielający zawór regulacyjny (2) z głowicą termostatyczną (1) o wyniesionym (zdalnym) czujniku (cz). Z uwagi na to, że czujnik jest zamontowany na początku wężownicy grzejnika, zapewniona jest możliwość ograniczenia temperatury całego grzejnika do wartości nie większej niż zadana na głowicy (1). Zabezpieczeniem grzejnika płaszczyznowego jest wyłącznik termiczny (3), którego zadaniem jest wyłączenie pompy obiegowej (4), gdy temperatura czynnika przekroczy w punkcie (ZT) wartość zadaną na pokrętle wyłącznika termicznego.

Na rysunku 5a i 5b zaprezentowano typowe regulatory elektroniczne ogrzewania podłogowego – dobowy i tygodniowy. Regulatory takie zwykle nie sterują bezpośrednio jednym siłownikiem, a łączone są z dodatkową listwą ogrzewania podłogowego. Umożliwia ona podpięcie wielu regulatorów i wielu siłowników, osobno dla każdego grzejnika. Listwę pokazano na rysunku 5c. W obu przypadkach możliwa jest komunikacja przewodowa i bezprzewodowa pomiędzy urządzeniami.

Ekonomiczne sterowanie – podstawowe zalecenia
Analizując powyższe, sformułować można kilka wskazówek, których uwzględnienie pozwala sterować grzejnikiem podłogowym w sposób ekonomiczny:

  • obniż temperaturę w pomieszczeniu – w stosunku do klasycznych grzejników konwekcyjnych może być ona o około 2°C niższa, przy zachowaniu tych samych warunków komfortu cieplnego;
  • zastosuj wysokosprawne źródło ciepła, pracujące na niskich wartościach temperatury czynnika, np. gazowy kocioł kondensacyjny;
  • stosuj pompy obiegowe o możliwie niskiej wartości wskaźnika EEI;
  • unikaj przewymiarowania pompy – jeśli nie jest możliwy dobór pompy dokładnie spełniającej wymagania projektu, wybierz pompę trochę mniejszą zamiast większej, bo i tak przez większość sezonu grzewczego będzie ona pracowała z niepełnym obciążeniem (zjawisko typowe);
  • stosuj programy dobowe i tygodniowe ogrzewania oraz inteligentne sterowanie systemem, z bieżąca kontrolą warunków wewnętrznych i zewnętrznych.

Literatura:
[1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią
[2] Muniak D.: Grzejniki aluminiowe – fakty i mity. Cz. 4. Grzejnik aluminiowy a „podłogówka” – co lepsze i dlaczego?, Polski Instalator 8/2018 (272), str. 27-29
[3] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne. Wydanie II (rozszerzone i poprawione), PWN, Warszawa 2019 [4] Muniak D.: Podłogówka czy grzejnik tradycyjny. Dopasowanie do konkretnego budynku, Polski Instalator 5/2019 (279), str. 34-37
[5] Muniak D.: Radiators in hydronic heating installations. Structure, selection and thermal characteristics, Springer, Cham, Switzerland 2017
[6] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 622/2012 z dnia 11 lipca 2012 r. zmieniające rozporządzenie (WE) nr 641/2009 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolno stojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami
[7] Rozporządzenie Komisji (WE) nr 641/2009 z dnia 22 lipca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolno stojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami
[8] https://www.ferro.pl/, dostęp 22.07.2019


 

pi