Optimális komfort adaptív (alkalmazkodó) algoritmusokkal

Az ismert szabályozási elveken alapuló rendszerekkel jó eredményeket lehet elérni. A szabályozás pontosságát és ezzel a komfort emelkedését csökkenő energiafelhasználás mellett adaptív algoritmusokon alapuló szabályozók alkalmazásával lehet tovább javítani.

A felületfűtő-, hűtő rendszerek helyiség hőmérséklet szabályozóinak a jó tároló képességhez, a nagy aktív tömeghez és a rendszer magas sugárzási hányadához kell illeszkednie. Úgy az alkalmazott szabályozási elv mint a megfelelő paraméterezés szerepet játszanak a szabályozott jellemző, a kívánt helyiséghőmérséklet pontos értéken tartásában. Ezen kívül a méretezésnek és a beszabályozásnak van komoly befolyása a teljesítményre és a komfortra.

Klasszikus szabályozási formák

Két pont szabályozás

A két pont szabályozás a legegyszerűbb szabályozás. Kimenete két állapot „be” ill. „ki” lehet. Esetünkben ez annyit jelent, hogy a szelepállító motort nyitva tartja mindaddig, míg a helyiség hőmérséklete a kívánt értéket el nem éri. Amint a helyiség hőmérséklete meghaladja a beállított értéket a motor elzárja a szelepet. Azért, hogy a parancsolt érték közelében ne kapcsoljon állandóan ki és be a szabályozó ún. hiszterézissel dolgoznak ezek az eszközök. A helyiség hőmérsékletének tehát beállított értékkel a kívánt érték fölé kell emelkednie ahhoz, hogy a szelep zárása elkezdődjön. Egy ilyen szabályozó felületfűtéssel kombinálva a helyiség hőmérsékletének kívánt értéke körüli ingadozását eredményezi, mivel a hőáramlás a be ill. kikapcsolást követően még egy ideig az előző ciklus trendjét követi. Ez az ingadozás annál nagyobb, minél intenzívebb a hőközlés. Ezért a kétpont szabályozók felületfűtés szabályozására csak akkor alkalmazhatók, ha viselkedésüket pl. termikus visszavezetéssel javítjuk. Erre azért van szükség, mert egyes termosztátok félvezető elemeinek viselkedése erősen függ a hőmérséklettől. Ilyenkor a kimeneten jelentkező elektromos változás termikus változást okoz és ez újabb elektromos változáshoz vezet. Termikus visszavezetés alkalmazása esetén a szabályozó a kívánt érték közelében lüktető magatartásba kezd, ezzel csökkentendő az ingadozást.

Proporcionális (P) – szabályozó

Amennyiben a kimeneti jel, amely az energiaáramot szabályozza állandóan a valós és a kívánt érték közötti különbséggel arányosan változik proporcionális szabályozóról beszélünk. Az ún. proprorcionális sávon kívül felvett értékek 100% (túl hideg van a helyiségben) és 0% (túl meleg van a helyiségben) lehetnek. E két extrém érték között egyenletes és lineáris az átmenet.

Amennyiben a helyiség hőmérséklete +1 K – el eltér a kívánt értéktől, a 3. ábrán vázolt proporcionális sávszélesség és helyzet (szimmetrikus a kívánt érték körül) esetén 25% -os kimeneti jel adódik.

A proporcionális sáv szélessége meghatározza, milyen élesen menjen végbe az átmenet. Amennyiben a proporcionális sávot túl keskenyre választjuk, a proporcionális szabályozó hasonlóan rossz viselkedést mutat, mint a két pont szabályozó, azaz a szabályozott jellemző értéke ingadozni fog a kívánt érték körül. A proporcionális szabályozó hátránya, hogy a kívánt és a valós érték különbségének minden értékére ugyanazt a szabályozó jelet adja ki. Amennyiben ez túl kevés egy kielégítő fűtéshez vagy éppen túl nagyra választottuk, a helyiség hőmérséklete ismét ingadozni fog. Egy állandó szabályozási eltérés megmarad.

Proporcionális – Integráló (PI) – szabályozó

A PI szabályozó kiegyenlíti a P szabályozó maradó szabályozási eltérését úgy, hogy az arányos jelre rátesz egy olyan részt, amely az eltérés időbeli összegzéséből (integrálásából) adódik. Az 5. ábra mutatja miként közeledik a helyiség hőmérséklete a kívánt értékhez. A nagy tehetetlenséggel rendelkező rendszerek esetében ezt a részt pontosan kell adagolni.

Proporcionális – Integráló – Differenciál (PID) – szabályozó

A PID szabályozók a differenciál taguk miatt gyorsan reagálnak a szabályozott jellemző gyors változására. Ennek a szabályozó típusnak a kis termikus tárolókapacitású rendszereknél érvényesül az előnye.

A szabályozó jel kétpont kimenetté alakítása – (Puls-Weiten-Modulation) PWM

A P, ill. a PI szabályozóknak az energiaáramot folyamatosan változtatniuk kell. Az osztón lévő szelepeket azonban nem tudjuk a motorok segítségével úgy működtetni, hogy az egyes körökön a térfogatáram 0% és 100% között mindig éppen a meghatározott értéket vegye fel. A rendszer tároló képességét használjuk ki olyan módon, hogy szelepeket periódikusan meghatározott ideig nyitjuk (pulzálás). Az egyes periódusok alatt a nyitott és a zárt állapot időtartama változó (moduláló). A tároló tömeg csillapító hatása miatt a PWM szabályozással a fűtő- ill. hűtőteljesítmény egyenletes változása érhető el.

NEA – Egy új szabályozó család fejlesztése

A fenti technológiára alapozva fejlesztették ki a NEA helyiséghőmérséklet szabályozót. Egyebek közt külső vagy beépített kapcsolóóra külső vagy manuális átváltási lehetőség a téli és a nyári üzem között, „külső” hőmérsékletérzékelő csatlakoztatási lehetőség a padló hőmérsékletének felügyeletére vagy további helyiséghőmérséklet érzékelő beiktatására szerepel a funkciók között.

Kezelése áttekinthető és mindössze három gomb használatával történik. Lehetőség van a gombot lezárására és a szabályozási tartományok behatárolására, melyre pl. nyilvános helyen történő felszerelés esetén nagy szükség lehet. Az időprogramokon, a party és szabadság funkciókon kívül a következő optimalizálási lehetőségek állnak rendelkezésre:

Indítási optimalizálás: A szabályozó megtanulja, mikor kell elkezdeni felfűteni illetve lehűteni a helységet, hogy a helyiség beállított időpontra elérje a kívánt hőmérsékletet.

A szabályozás viselkedésének optimalizálása: A szabályozási paramétereket lépésenként a helyiség számára rendelkezésre álló fűtő- ill. hűtőteljesítményhez igazítja.

Mérések a klímakamrában

A szabályozó család a hardware és a software fejlesztése során klímakamrában laborteszteken esett át. A nürnbergi Georg Simon Ohm műszaki főiskola Energia és Épület Tanszéke rendelkezik olyan klímakamrával, ahol gyakorlatias mégis reprodukálható módon tesztelhető a szabályozó család. A klímakamra egy belső és egy -20°C és +40°C között temperálható külső zónából áll. E két zónát egymástól ablakkal ellátott fal választja el. A belső zónában száraz építésű padlófűtő-, hűtő rendszer található, mely NEA szabályozóval van ellátva. A padlószerkezetben több helyen valamint a szabályozón magán hőmérsékletérzékelőket helyeztek el, melyek adatgyűjtő készülékkel állnak kapcsolatban. A kapcsolásokat és az előremenő ill. visszatérő hőmérsékletek értékeit további érzékelők figyelik. A szabályozó működését hónapokon át különböző időprogramokkal és célértékekkel üzemeltették, ahogyan az a normál életben is megesik.

A klímakamrás kísérletek eredményei:

A vizsgálatok egyrészt a gyári paraméterezés pontosítását, másrészt a rajzlapra rajzolt görbék segítségével a szabályozási és optimalizálási algoritmusok tanulmányozását szolgálták.

A 7. ábra a kísérletek egyikének diagramját mutatja, melyen megérthető a szabályozó optimalizálási funkciója. A hőmérséklet a külső zónában 0°C, az előremenő hőmérséklet 34°C, mely a vizsgálat alatt uralkodó körülmények között, szabályozás nélkül túlfűtést eredményezne. Ez a túlméretezés is jellemző a gyakorlatban, mikor az előremenőt illetve a fűtési jelleggörbét úgy választják meg, hogy az nagy biztonsággal kielégítse az igényeket, továbbá a hidraulikai beszabályozatlanságból adódóan is egyes zónákban túlfűtés alakulna ki. A feleslegesen magas energiaáram miatt esetünkben a kívánt 21°C helyett egy enyhén magasabb 21,5°C hőmérséklet alakul ki. Egy hagyományos elven működő szabályozó alkalmazása esetén ez a szabályozási eltérés megmarad és megnövekedett energiafelhasználáshoz vezet. Az optimalizációs funkció miatt esetünkben azonban napról napra kis lépésekben csökken a szabályozási eltérés. Végül a kívánt értéket egészen megközelíti a szabályozó és egy érzékelhetetlen 0,25°C mértékű ingadozás alakul ki a kívánt 21°C körül.

A 8. ábrán egy fürdő napi fűtési programját és a hozzá tartozó szabályozott helyiséghőmérséklet értékeket látjuk. Jól kivehető az egyes zavaró külső tényezők (magasabb hőmérséklet fürdéskor és alacsonyabb hőmérséklet szellőztetéskor) hatása, melyet a szabályozónak kell korrigálnia.

A helyiséghőmérséklet szabályozás meghatározza a komfortot

A felületfűtési- és hűtési rendszerekkel a nagy aktív felületük miatt kellemes komfort és energiahatékony üzem valósítható meg. A nagy hőtároló tömeg alkalmassá teszi, a rövid ideig tartó hőmérsékletingadozások kiigazítására. Mint minden fűtő- hűtő rendszernél, itt is döntő jelentősége van a megfelelően kiválasztott és paraméterezett szabályozásnak, amely a legutolsó tagja az összetevők alkotta láncnak, melyek a rendszer viselkedését és ezzel a felhasználó által érzékelt komfortot meghatározzák. Egy klasszikus elven működő PI vagy PID szabályozó a túl magas előremenő vagy a beszabályozatlanság okozta szabályozási eltérést csak részben képes korrigálni. További javulást automatikusan lefutó és mindig visszatérő optimalizációs folyamatokkal lehet elérni. A NEA szabályozó családdal sikerült a klasszikus szabályozó árában egy önmagát optimalizáló szabályozót kifejleszteni. A műszaki tulajdonságok mellett a külalak is tetszetősre sikerült melyet Red Dot dizájn díjjal ismert el a szakavatott zsűri.

A rendszer néhány műszaki jellemzője:

Az aktuális igénynek megfelelően az alábbi típusokból lehet választani:
– NEA H – fűtő, időprogrammal nem rendelkező típus
– NEA HT – hűtő, időprogrammal rendelkező típus
– NEA HCT – fűtő/hűtő, időprogrammal rendelkező típus
Válaszható továbbá 230 V–os és 24 V–os kalakítás.
A 24 V–os kivitel érintésvédelmi szempontból biztonságosabb megoldás, ezért javasolt. A 230 V – os kialakítás esetén elmaradó transzformátor miatt alacsonyabb a bekerülési költség.

A működési jellemzők széles skálájának beállíthatósága alkalmassá teszi a rendszert különböző tehetetlenségű felületfűtő, -hűtő rendszerek szabályozására.

Az áttekinthető szerelést és a funkcionalitás bővítését opcionális rendszerelemek segítik.

A rendszerelemek esztétikus és áttekinthető bekötését teszi lehetővé az elektromos osztósín. A bekötések egyértelmű huzalozási vázlatait a beüzemelési útmutató tartalmazza.

A szabályozó osztósínek korlátait figyelembe kell venni. Maximum 6 szabályozó és 12 szelepállító motor ( 230 V AC il. 24 V AC) kapcsolható egy sinre. A sínek alkalmazásával kiegészítő lehetőségek állnak rendelkezésre:
– beépített szivattyú logika
– külső időprogram órával kiegészítve 2 egymástól eltérő időprogram
– fűtés/hűtés átváltás egyes típusoknál

A helyiség szabályozók kiegészítő érzékelővel is szerelhetők. A kiegészítő érzékelő elhelyezhető átszellőztetett dobozban, esetleg szabadon.

A kiegészítő érzékelő az alábbi funkciókra használható:
– felületi hőmérséklet felső korlátozására (fűtési üzemben)
– felületi hőmérséklet alsó korlátozására (hűtési üzemben)
– helyiség hőmérséklet mérésére a szabályozó helyétől eltérő mérési ponton
– felületi hőmérséklet konstans értéken tartására

A NEA zónaszabályozó egyszerűen szerelhető, tetszetős és a funkciók sokasága miatt széles körben alkalmazható kiegészítője felületfűtési, hűtési rendszereinknek.

Következésképpen elmondható, hogy a felületfűtő – hűtő rendszerek elengedhetetlen része a zónaszabályozás. Szükségünk van rá, mert vele energiát takaríthatunk meg és a helyiségeink hőmérsékletét pontosan tartani tudjuk. Az egyes szabályozók pontossága és ezzel az energia megtakarításunk illetve a komfortérzetünk, elégedettségünk választásunktól függően eltérő lehet. (x)