Типичные представители семейства погодозависимых контроллеров — Kromschroder серии E8 [16], Honeywell (Германия) серии Smile версии 3.0 [14], Fantini Cosmi (Италия) EV87 [17]. Также на рынке представлены устройства Siemens и Danfoss. Термостатирование помещений по программе отопления (таймируемое термостатирование), заключается в изменении уставки температуры отапливаемых контуром помещений согласно установленной программе.
Наличие такого способа управления позволяет устанавливать температуру помещений в соответствии с потребностями в нагреве в текущий момент времени. Это особенно удобно, когда требуется номинальный режим отопления помещений в определенные дни и часы, когда в помещении предполагается присутствие людей, например, в выходные, и пониженный режим или режим защита от промерзания — в остальные дни, когда в номинальном отоплении нет необходимости (в будние).
Для достижения комфорта возможно и изменение температуры помещений в течение дня и в ночное время. Таймирование дает существенный выигрыш в экономии энергии, затрачиваемой на отопление. Полезной опцией также является наличие нескольких программ отопления, которая позволяет быстро изменять график отопления без перенастройки уставок температуры и временных значений.
Это может быть использовано, например, если домом периодически пользуются несколько семей, или если в зависимости от условий применения системы, погоды, самочувствия людей и т.п. требуется несколько режимов отопления, например «номинальный», «преимущественно усиленный», «преимущественно ослабленный». Отопление по гибкой программе реализуется на уровне управляющего контроллера.
Большинство представленных на российском рынке погодозависимых контроллеров (Kromschroder, Honeywell [14], Fantini Cosmi [17] и др.) обеспечивают данную возможность. Так, например, в устройствах Kromschroder серии E8 предусмотрены возможность задания по двум независимым программам, трех дневных температур помещений для каждого отопительного контура, одной ночной, графика нагрева систем ГВС и «теплый пол», плюс режим поддержания отопления для защиты от промерзания.
Предусмотрена также смена режима отопления на время отпуска. Организация раздельных независимых температурных режимов отопления помещений — следующий шаг в достижении комфорта и экономии энергии, затрачиваемой на отопления. Суть метода состоит в том, что отопление отдельных помещений, их групп или строений производится собственной отопительной подсистемой (контуром).
Особенно это актуально, если отапливаемые помещения (или группа помещений) обладают различной периодичностью использования, конфигурацией, массой и теплоемкостью ограждающих конструкций, т.е. во всех случаях, когда для последних требуется различный режим нагрева. Типичный пример использования независимого отопления: часть дома, например, первый этаж с тяжелыми капитальными стенами из кирпича или дерева, где находятся все коммуникации, отапливается круглосуточно.
Второй этаж, легкое щитовое сооружение, отапливается периодически, когда необходимо присутствие людей. Дополнительно сооружение может быть оснащено системой ГВС и «теплым полом». Раздельное отопление осуществляется за счет устройства многоконтурной системы с раздельными независимыми контурами с одним или каскадом теплогенераторов. Вопросу проектирования таких систем посвящен ряд книг [1, 3, 4, 6].
Рассмотрим их функционирование на уровне общих принципов — т.е., для примерa, упрощенную функциональную схему погодозависимой системы отопления с независимым контуром. Система (за исключением зависимого контура а и б, который пока не рассматривается) состоит из коллекторного контура, в который входит теплогенератор ТГ , насос коллектора НК, потребители тепла РК; независимого контура, в состав которого входят: смесительный клапан СМ2, циркуляционный насос независимого контура Н2, потребители тепла независимого контура Р2; управляющего погодозависимого контроллера К с набором датчиков: температуры теплоносителя на выходе теплогенератора ДК; уличной температуры ДУ; температуры теплоносителя на входе независимого контура Д2; температуры помещения ДП2.
Система работает следующим образом. Циркуляция теплоносителя через коллектор и зависимый контур обеспечивается насосом НК; через независимый контур — насосом Н2. В цепи теплогенератора (коллекторе) потоки теплоносителя из обоих контуров складываются. По данным датчиков: уличной температуры ДУ, температур помещений ДП2 и ДП1 управляющим контроллером К рассчитывается величина температуры теплоносителя в коллекторном контуре.
Как правило, она соответствует максимальной из температур, запрашиваемых каждым потребителем с учетом потерь на доставку теплоносителя. Температура теплоносителя на выходе теплогенератора непрерывно контролируется датчиком ДК, с учетом показаний которого производится управление мощностью теплогенератора или каскада теплогенераторов (включением/отключением, переключением ступеней и/или модуляцией).
Температура теплоносителя на входе независимого контура также рассчитывается с учетом уличной температуры и температуры отапливаемого контуром помещения и контролируется датчиком Д2. Согласно показаний последнего и расчетной температуры теплоносителя на входе контура производится управление смесительным клапаном СМ2 посредством электропривода.
При большой разнице расчетной и фактической температур теплоносителя на входе независимого контура прямая ветвь клапана полностью открыта и имеет место параллельная циркуляция жидкости через коллекторный и независимый контура, включая теплогенератор. По мере прогрева теплоносителя в независимом контуре прямая ветвь смесительного клапана начинает закрываться совместно с открытием входа, подключенного к обратной магистрали, охлажденный теплоноситель из которой частично подмешивается к поступающему на вход контура.
Вне зависимости от величины открытия смесительного клапана циркуляция через контур, сопряженный с последним, остается постоянной, и это является существенным преимуществом по сравнению с классической одноили двухтрубной системой отопления с параллельными контурами. При полном закрытии прямой ветви циркуляция в отопительных контурах производится раздельно; расход тепла определяется только потребителями, включенными в зависимый контур РК, и при достижении требуемых расчетных температур помещения теплогенератор отключается, циркуляционные насосы останавливаются.
В независимом контуре производится эффективная выработка накопленной тепловой энергии. Один погодозависимый контроллер, такой как Kromschroder E8. 5064 — топовая модель серии E8 — способен одновременно управлять двухступенчатым, в т.ч. модулирующим котлом, двумя независимыми отопительными контурами со смесительными клапанами и насосами, контуром ГВС, твердотопливным котлом и солнечным коллектором.
При этом измеряется и поддерживается температура в двух раздельных помещениях. При использовании модулей расширения на цифровой шине число независимых отопительных контуров увеличено до 16, а число котлов или отдельных ступеней — до восьми. Существует множество модификаций рассмотренной системы отопления с независимыми контурами. Например, трехходовой поворотный смесительный клапан с приводом может быть заменен, штоковым или вообще исключен из системы.
При этом возможно только ступенчатое регулирование за счет регулирования времени включения насоса по температуре помещения. Техническая документация на погодозависимые контроллеры Kromschroder содержит множество различных вариантов реализации систем отопления. При необходимости в системе отопления должны быть также учтены требования эффективного расхода энергии при совместной работе с твердотопливным котлом или другим источником тепловой энергии, системами ГВС и «теплый пол».
Перечисленные возможности предусмотрены в погодозависимых контроллерах для подключения управляющего оборудования как штатные функции (в Kromschroder серии E8) или за счет использования дополнительных модулей расширения. Для их детального изучения обратитесь к документации фирм-производителей. Исполнительные элементы рассмотренной системы отопления — циркуляционные насосы, смесительные, байпасные, зональные и другие клапаны и привода к ним широко представлены на отечественном рынке.
Наиболее востребованы компоненты следующих производителей: MUT Mechanics (Италия), ESBE (Швеция), Honeywell, Oventrop, Heimeir (Германия), Danfoss, Grundfos (Дания) и др. Примеры исполнительных устройств для организации маломощных систем отопления с независимыми контурами представлены на рис. 5. Для сокращения количества вспомогательных соединительных элементов и времени на монтаж оборудования разработан широкий спектр вариантов так называемых готовых гидроколлекторов, созданных по принципу «все в одном».
Гидроколлектор и набор приводного оборудования выбирается исходя из состава, количества контуров предполагаемой системы отопления и мощности теплогенераторов. При монтаже к собранному гидроколлектору необходимо только подключить котел и магистрали отопительных контуров. Все исполнительные элементы расположены в одном модуле, при необходимости легко демонтируются и заменяются. В качестве пример можно рассмотреть комплект на базе гидроколлектора «Элемент-2» ГидроЛОГО [13] для реализации двухконтурной системы отопления.
При проектировании системы отопления выбор исполнительных элементов должен производиться на основе проведенных гидравлических и тепловых расчетов по известным методикам [4, 5, 6]. Для гарантированной совместимости и экономии денежных средств выбор и приобретение оборудования лучше всего осуществить у специалистов, обладающих многолетним опытом по его монтажу и эксплуатации.
Возможность дистанционного управления системой отопления позволяет достичь дополнительного комфорта в случае, если отапливаемое помещение посещается нерегулярно. Рассматриваемая функция реализуется, если у управляющего контроллера системы отопления предусмотрена возможность изменения режима работа посредством внешней шины, которая также часто используется для конфигурирования и ввода рабочих параметров устройства через персональный компьютер (ПК).
У контроллеров различных производителей это реализовано по-разному. Например, в устройствах Kromschroder серии E8 предусматривается до двух аналоговых входов для управления режимом работы и оптический вход — для подключения к ПК посредством специального адаптера и программного обеспечения. В контроллере EV87 возможность двустороннего обмена данными реализуется посредством интерфейса RS-232 и открытого протокола обмена данными, поддерживаемого GSM-модемом; управление производится посредством SMS-команд.
Если в доме смонтирована охранная сигнализация или устройства домашней автоматики, управляемые по телефонной сети, GSM или Ethernet, контроль работы системы отопления можно обеспечить, например, посредством релейных выходных каналов, интерфейса RS-232 или другим известным способом. При проектировании системы и выборе управляющего контроллера это следует учесть.
Ряд современных контроллеров поддерживают опцию удаленного мониторинга состояния отапливаемого объекта и системы отопления. Это используется для отслеживания внештатных ситуаций в работе системы, регистрации выхода температур за пределы установленных значений, накопления статистик для настройки параметров регулирования, проведения техобслуживания. Минимальная тепловая инерционность системы позволяет достичь технических и экономических преимуществ.
Рассматриваемый параметр влияет на скорость протекания переходных процессов, а именно, нагрева и охлаждения теплоносителя, котла и отопительных приборов. При высокой инерционности в системе отопления имеют место такие негативные эффекты как перерегулирование, колебательный характер и высокая длительность переходных процессов. Помимо дополнительных затрат энергии, возникающих вследствие неэффективного управления, указанные процессы сокращают ресурс отопительного оборудования.
Снизить инерционность системы можно за счет оптимизации ее конструкции на основании предварительно проведенных теплового и гидравлического расчетов, уменьшения объема теплоносителя и металлоемкости — за счет выбора оптимальных сечений гидравлических магистралей и установки теплоотдающих приборов с минимальной емкостью. Отдельно следует подчеркнуть, что экономия в расходовании энергии на отопление при любой организации системы может быть достигнута только при устройстве ограждающих конструкций здания в соответствии с последними нормами [8, 10] с использованием современных материалов и технологий [2].
Вопрос выбора управляющего и приводного оборудования для автоматизации системы отопления решается совместно с оценкой эффективности и окупаемости затрат на стадии проектирования системы отопления. Рассмотрим пример реализации погодозависимой системы отопления в двухэтажном деревянном доме с общей отапливаемой площадью 100 м2. Мощность теплогенератора — 6 кВт, система состоит из теплогенератора и двух отопительных контуров.
Первый контур предназначен для постоянного отопления первого этажа, имеющего массивные бревенчатые ограждающие конструкции, является зависимым и совмещен с коллектором. В контуре реализовано погодозависимое ступенчатое регулирование с учетом температуры воздуха в помещениях первого этажа.
В качестве исполнительных механизмов в первом контуре использованы: циркуляционный насос НК, являющийся коллекторным, трехходовой разделительный клапан РК с термоэлектроприводами, предназначенные для отключения отопительных приборов Р1 от контура и подключения байпаса во время, когда нагрев помещений не требуется. Трехходовой разделительный клапан совместно с байпасным контуром обеспечивает циркуляцию жидкости через коллектор при отсутствии необходимости подачи тепла в нагревательные приборы первого этажа.
Второй контур предназначен для периодического отопления второго этажа, имеющего легкие деревянные ограждающие конструкции, является независимым. В контуре реализовано погодозависимое пропорциональное регулирование с учетом температуры воздуха в помещениях второго этажа. В качестве исполнительных механизмов использован циркуляционный насос Н2 и трехходовой смесительный клапан СМ2 с трехточечным приводом. Контур включает тепловые приборы (радиаторы) Р2.
Коллекторный контур включает двухступенчатый электрокотел ТГ с независимым управлением и тепловые приборы РК, установленные в помещениях, требующих постоянного отопления: санузлы первого и второго этажей и кухня. Управление системой производится погодозависимым контроллером Kromschroder E8.5064.
Каждый контур включает по одному датчику температуры теплоносителя Д1, Д2, установленных на магистралях, по одному датчику температуры воздуха помещения ДП1, ДП2, расположенных на первом и втором этаже, и датчик уличной температуры ДУ, расположенный на северной стене здания. В системе дополнительно предусмотрены: блок бесперебойного питания, поддерживающий работу контроллера в случае обесточивания электросети; релейный блок домашней автоматики с модулем GSM, реализующий функции дистанционного управления режимами работы контроллера.
Управление теплогенератором — через твердотельные реле. Основные особенности рассматриваемой системы отопления: погодозависимое раздельное управление двумя контурами; для каждого контура предусмотрена своя кривая отопления, включая временные параметры; раздельное отопление контуров по программе (графику), задаются три уставки дневной температуры помещения и одна ночной; пропорциональное регулирование — для первого контура и ступенчатое — для второго по температуре помещения; раздельные настройки параметров регулирования; возможность работы только по температуре потока или только по программе; раздельное дистанционное управление режимом работы по GSM-каналу; поддерживаемые режимы работы системы (защита от замерзания; работа по программе 1, работа по программе 2, принудительный дневной, принудительный ночной, техническое обслуживание); управление двухступенчатым теплогенератором с автоматическим подключением ступеней; возможность автоматического переключения основной и дополнительной ступени для равномерной выработки ресурса; возможность оптимизации отопительных кривых в продолжительном пониженном режиме отопления; автоматическое управление циркуляционными насосами с возможностью выбега после выключения системы; автоматическое периодическое включение насосов в период отсутствия отопления для защиты от заклинивания; автоматическое управление смесительным клапаном; простой интуитивный интерфейс управления; индикация (фактической и расчетной температуры помещений; уличной; измеренной и расчетной температуры теплоносителя в контурах; режима работы; программы); возможность расширения системы за счет подключения дополнительных отопительных контуров, теплогенераторов (в т.ч. твердотопливных), контура ГВС, системы «теплый пол» и т.п. Выводы В статье были рассмотрены основные принципы построения энергоэффективных систем отопления для малых зданий и оборудование для их реализации.
Применение даже части из всех рассмотренных принципов позволит добиться существенной экономии энергии как во вновь проектируемых, так и при модернизации существующих системах отопления. Также следует отметить, что в задачи статьи не входил анализ компонентов автоматики, контроллеров и др. элементов различных фирм-производителей и сравнение с точки зрения рабочих характеристик.
Немаловажными факторами при выборе компонентов системы отопления являются: безопасность, удовлетворение всем техническим требованиям в части реализуемых функций, цена, наличие полного комплекта документации, необходимой для установки и эксплуатации, наличие технической поддержки со стороны поставщика, наличие гарантийного и послегарантийного обслуживания, наличие функционального запаса для обеспечения расширяемости системы, наличие сертификата соответствия российским условиям применения.
При разработке проекта системы и выборе номенклатуры оборудования для систем рекомендуется использовать опыт специалистов в данной отрасли. Перспектива развития энергоэффективных систем отопления в секторе малой частной застройки, на наш взгляд, реализуется в широком внедрении удаленного управления и мониторинга оборудования, в т.ч. интерактивного, посредством сети Интернет. Не последнюю роль здесь играют беспроводные технологии, позволяющие организовать информационный обмен с удаленными районами.
