Automatska regulacija u sustavima grijanja i hlađenja · Automatska regulacija Osnove - osnovni principi regulacije u sustavima grijanja i hlađenja: 1. Regulacija temperature -

Automatska regulacija u sustavima grijanja i hlađenja

Prof.dr.sc. Igor Balen, ZG 12.-13. 02. 2019.

Zašto je potrebna regulacija sustava grijanja / hlađenja?

- zadovoljavanje uvjeta toplinske ugodnosti.

- učinkovit rad opreme → minimalni unos energije za održavanje

ugodne mikroklime u unutarnjem prostoru.

- prilagođavanje pogona sustava tijekom vremena promjenjivoj toplinskoj

bilanci zgrade i promjenjivim uvjetima korištenja.

Osnove


- problem kod loše regulacije:

Osnove

• Povećana potrošnja energije

Loše dimenzioniran regulacijski ventil

Izvor: Danfoss


- problem kod loše regulacije:

Osnove

Izvor: DanfossBudapest, 11-12-2006 1112, Tout: 6°C

Unos postavne

vrijednosti

Regulator

Osjetnici

Regulirani

elementi

Automatska regulacija

Osnove

- osnovni principi regulacije u sustavima grijanja i hlađenja:

1. Regulacija temperature

- konstantan protok

- promjenom temperature medija sustav se prilagođava promjeni toplinske

bilance

- (bilo) tipično u sustavima grijanja

- npr. promjenom temperature ogrjevne vode u trošilima mijenja se ogrjevni

učin:

QH = f(t)

Osnove

1. Regulacija temperature QH = f(t)

- temperatura vode podešava se

miješanjem polaznog i povratnog

toka promjena učina

- konstantan protok kroz trošila

- 3-putni regulacijski ventil treba

ugraditi što bliže izvoru topline radi

smanjenja toplinskih gubitaka

- naziva se i regulacija konstantnog

volumena, tipična primjena u

sustavima grijanja (ranije)

Cirkulacijska pumpa

Trošila

Op

toč

ni

vo

d

Va

njs

ki te

mp

.

os

jetn

ik

3-putni mix

ventil

Regulator

Osnove

- osnovni principi regulacije u sustavima grijanja i hlađenja:

2. Regulacija protoka

- promjenjiv protok, uz približno konstantnu temperaturu medija

- promjenom protoka medija sustav se prilagođava promjeni toplinske bilance

- tipično u sustavima hlađenja (u novije vrijeme i u sustavima grijanja)

- npr. promjenom protoka hladne vode u trošilima mijenja se rashladni učin:

QC/H = f(m)

Osnove

2. Regulacija protoka QC/H = f(m)- protok vode podešava se

razdvajanjem polaznog toka

promjena učina

- promjenjiv protok kroz trošila

- 3-putni regulacijski ventil treba

ugraditi što bliže trošilu radi bržeg

odziva (preporuka do 2m)

- naziva se i regulacija varijabilnog

volumena, tipična primjena u

sustavima hlađenja

- može se koristiti i prolazni

regulacijski ventil (zajedno s

cirkulacijskom pumpom s

kontinuiranom regulacijom brzine

vrtnje)

Trošila

Va

njs

ki te

mp

.

os

jetn

ik

Regulator

Cirkulacijska

pumpa

3-putni razdjelni

ventil

Osnove

Regulacija temperature QH = f(t) s konst. protokom kroz primar i sekundar v.01

- temperatura vode podešava se

miješanjem polaznog i povratnog

toka promjena učina

- konstantan protok kroz izvor

topline i trošila

- 3-putni regulacijski ventil

podešava protok polaza od izvora

topline do trošila

- tipična primjena u sustavima

centralnog grijanja

Trošila

3-putni razdjelni

ventil

Cirkulacijska pumpa

sekundara

Cirkulacijska

pumpa primara

Pre

dp

od

eš

en

i o

pto

čn

i vo

d

Osnove

- 3-putni regulacijski ventil

podešava temperaturu vode u

trošilima miješanjem polaznog i

povratnog toka

- tipično u sustavima centralnog

grijanja s većim brojem

cirkulacijskih krugova spojenih

na razdjeljivače

Trošila

3-putni mix

ventil

Osnove

Regulacija temperature QH = f(t) s konst. protokom kroz primar i sekundar v.02

Cirkulacijska pumpa

sekundara

Cirkulacijska

pumpa primara

- hidrauličko razdvajanje primarnog kruga (izvor topline) i sekundarnog kruga

(izmjenjivači topline) izvodi se pomoću:

a) prestrujni vod (bypass)

b) hidraulička skretnica

- optimalna dimenzija prestrujnog voda za brzine vode ≤ 0.6 m/s (projektno

opterećenje)

Hidrauličko razdvajanje

Bypass

Izvor: Vaillant

- pojednostavljena shema s prestrujnim vodom:

- pojednostavljena shema s hidrauličkom skretnicom:

- osiguran minimalni protok

korz primarni krug čak i uz

promjenu protoka kroz

trošila

- optimalni omjer učina

izvora topline 50:50%

(najviše do 40:60%)

Hidraulička

skretnica

Izvor: Vaillant

Hidrauličko razdvajanje

2 kruga grijanja + krug PTV:

Sheme spajanja sustava

Izvor: Honeywell

2 kotla s kotlovskim pumpama i hidraulička skretnica:

- zaštita kotla od niskotemp. korozije 3-putnim mix ventilom

Izvor: Honeywell


Kondenzacijski kotao s 4 cirkulacijska kruga:

- niska temperatura povratne vode povoljna za kondenzaciju pare iz d.p.

Izvor: Recknagel


Regulacijski ventili

- proračun i dimenzioniranje pomoću koeficijenata protoka:

- kV vrijednost je konstanta koja na jednostavan način definira kapacitet

ventila:

V

1k V

p bar

[m3/h]

- protok kroz ventil pri padu tlaka od 1 bar,

s temperaturom vode od 5 do 40°C

- kVS vrijednost je protok vode kroz ventil otvoren 100% (potpuno), pri padu

tlaka od 1 bar (temperatura vode 5 do 40°C):

[m3/h]][

1

100

100barp

VkV

VVS

- karakteristike ventila:

VS

V

k

kV

olu

me

flo

w%

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

1,0

0,7

0,8

0,9

100

H

H

0,5 1,00,0

Linearna

Jednakopostotna

Brzootvarajuća


- kombinacija karakteristika izmjenjivača topline i regulacijskog ventila:

Izvor: Malestrom

Izmjenjivač Reg. ventil Sustav


- linearna karakteristika – promjena otvorenosti ventila je proporcionalna

promjeni kv vrijednosti:

kV

kVS

H

H100

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

= 0.2 = 0.2

= 0.2

= 0.2


- jednakopostotna karakteristika – promjena otvorenosti mijenja kv

vrijednost za isti postotak na cijeloj regulacijskoj krivulji:

H

H100

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

= 0.2 = 0.2

= 0.075 + 82%

= 0.25 + 82%

0.0910.166

0.302

0.550

kV

kVS


- autoritet ventila aV je odnos između pada tlaka u potpuno otvorenom

regulacijskom ventilu pri nazivnom opterećenju (ΔpV) i ukupnog pada tlaka

u reguliranom dijelu cjevovoda (Δpvar uključuje pad tlaka u cijevima i u

trošilima):

varmax pp

p

p

pa

V

VVV


- autoritet aV pokazuje sposobnost regulacijskog ventila da „nametne” svoju

karakteristiku reguliranom dijelu cjevovoda.

- što je veći pad tlaka na ventilu u odnosu na ostatak (autoritet), veći je

utjecaj regulacije na predaju topline u cirkulacijskom krugu.

- preporučene vrijednosti av oko 0,5 (0,3 do 0,7).

- „slab” autoritet ventila uzrokuje distorziju regulacijske karakteristike!


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

1.0

av=0.1

0.50.2

100

H

H

100

V

V

- promjena linearne karakteristike s autoritetom ventila (osnovna

karakteristika av=1):

11

1

2100

V

VSV

k

ka

V

V

- promjena protoka:


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

av = 0.1 0.2

0.3

0.4 1.0

0.5

100

H

H

100

V

V

- promjena jednakopostotne karakteristike s autoritetom ventila (osnovna

karakteristika av=1):


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

100

V

V

100

Q

Q100

V

V

100

H

H

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

100

H

H

100

Q

Q

Karakteristika ventila Karakteristika izmjenjivača Regul. karakteristika sustava

- regulacijska karakteristika je omjer između otvorenosti ventila i učina

reguliranog kruga / grane → poželjno je ostvariti linearnu ukupnu

regulacijsku karakteristiku sustava (20% otvoreno 20% učin):

+


- 3-putni miješajući ventil – za regulaciju temperature u sustavima grijanja:

A

B

AB


Način rada 1:

Regulirani vod zatvoren

• Medij teče kroz optočni vod.

100% protok vode iz povratne

cijevi kroz trošila.

• Temperatura polazne vode

prema trošilima snižava se pri

konstantnom protoku.


Operation mode 2:

Miješanje

• Miješa se medij iz reguliranog

voda i iz optočnog voda. Omjer

miješanja ovisi o potrebnom

učinu.

• Temperatura polazne vode je

između temperature vode iz

izvora topline i iz povratne

cijevi.

• Konstantan protok kroz trošila.


Operation mode 3:

Regulirani vod 100% otvoren

• Temperatura polazne vode

jednaka je temperaturi vode iz

izvora topline.

• Medij teče kroz regulirani vod.

100% protok vode iz polazne

cijevi kroz trošila.

• Sustav u pogonu s nazivnim

učinom.


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

I

II

III

100

V

V

100

H

H

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

100

V

V

I

II

III

I Polazni AB

II Regulirani A

III Optočni B

Autoritet ventila av ≈ 0.5 Autoritet ventila av ≈ 0.9

100

H

H

- karakteristika 3-putnog miješajućeg ventila s različitim autoritetima:

- utjecaj optočnog voda na ukupnu karakteristiku je mali.


- lokalna regulacija protoka (na ogrjevnom tijelu):

1. Memorijska pločica

2. Osjetnik s fluidom

3. Zaštita od preopterećenja

4. Skala

5. Kućište ventila

6. Vreteno i pladanj

7. DIN – navojni spoj

Termostatski radijatorski ventil

- TRV – tipovi:

S izmještenim osjetnikom S izmještenim podešavanjemS ugrađenim osjetnikom

Izvor: Heimeier


- princip rada (1):

20° C

22° C

Temperatura zraka


20° C

22° C

- princip rada (2):


Temperatura zraka

20° C

22° C

- princip rada (3):


Temperatura zraka

20° C

22° C

- princip rada (4):


Temperatura zraka

20° C

22° C

- princip rada (5):


Temperatura zraka

20° C

22° C

- princip rada (6):


Temperatura zraka

20° C

22° C

- princip rada (7):


Temperatura zraka

- TRV – primjer predpodešenja:

Ventil s

predpodešenjem

Izvor: Danfoss


20 10030 50 200 500Volumni protok [l/h]

100

10

20

30

50

70

200

300R

azli

ka t

laka

[mbar]

1 2 3 4 5 6 7 NkV-vrijednost-

predpodešenje

Ogrjevni učin [kW]

T = 15K

0,4 1,50,6 1 2 84 60,8

86


- spoj cirkulacijskih krugova na razdjeljivače za razdvojenu regulaciju:

Razdvajanje cirkulacijskih regulacijskih krugova

- motivacija:

Prediktivno upravljanje

Regulacija sustava podnog grijanja prema osjetniku vanjske temperature

ogrjevni učin

temperatura poda

vanjska temperatura

Temperatura prostora različitaod postavljene veličine

jedan tjedan pogona

Izvor: www.meteoviva.com

zagrijavanje poda kasni 6 sati

- mogućnost poboljšanja:

Regulacija sustava podnog grijanja prema vremenskoj prognozi

Temperatura prostora odgovarapostavljenoj veličini

jedan tjedan pogona

Izvor: www.meteoviva.com

zagrijavanje poda unaprijed 8 sati

Prediktivno upravljanje

ogrjevni učin

temperatura poda

vanjska temperatura

- ideja za napredak:

Modelsko prediktivno upravljanje

Izvor: Görtler and Beigelböck, 2010

- rezultati:


15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

1224 1248 1272 1296 1320

Stunden

Rau

mlu

ftte

mp

era

tur

in °

C

Raumluftemperatursollwert PI-Regler MPC-Regler

21. Feber 22. Feber 23. Feber 24. Feber


- rezultati – potencijal uštede energije oko 10% u sezoni grijanja, u

usporedbi s klasičnim PI regulatorima:


0

100

200

300

400

500

600

700

Jänner Februar März April Oktober November Dezember

Heiz

wärm

eb

ed

arf

in

kW

h p

ro M

on

at

Zweipunktregler PI-Regler MPC-Regler

-10%

-8.5%

-14%

-27%

-10%

-8%


- ideja za napredak – optimizacija upravljanja:

Napredno upravljanje na postojećim zgradama

Izvor: Žakula, 2018

Model zgrade

Optimalna temperatura

prostorija

Optimalna energija za

grijanje/hlađenje

- detaljni model zgrade – matematički zahtjevan, računalni softver (npr.

TRNSYS): računalne simulacije vs. eksperimentalna mjerenja



- eksperimentalna mjerenja za verifikaciju detaljnog simulacijskog modela


Mjerenja (tipičan kat zgrade) 23. – 25. 12. 2017. uz isključeni KGH sustav.

Mjerenje unutarnje temperature po

zonama

Mjerenje vanjske temperature i

Sunčevog zračenja


- eksperimentalna mjerenja za verifikaciju detaljnog simulacijskog modela:

Greška (RMSE) detaljnog modela oko 6,5 % u odnosu na eksp. mjerenja.


Primjer lošeg mjerenjaPrimjer dobrog mjerenja


- pojednostavljeni model – racionalizacija računalnih resursa:


vanjska temperatura

Sunčevo zračenje

unutarnji dobici topline

unutarnja temperatura

energija za

grijanje / hlađenje

karakeristike zone


- pojednostavljeni model:

Greška (RMSE) pojednostavljenog modela oko 2 – 4 % u odnosu na

detaljni model.



- pojednostavljeni model – stvarna i optimalna potrošnja energije u

realnom vremenu:


Ured 318 (W)



realnom vremenu:


Stvarna (crno) i optimalna (ružičasto) potrošnja

za ured 318 (W)

Stvarna (crno) i optimalna (ružičasto)

temperatura za ured 318 (W)


Analiza ureda u periodu 12. – 28. 02. 2018.


realnom vremenu:



Potencijal uštede energije u uredima u periodu 12. – 28. 02. 2018.

HVALA!

Prof.dr.sc. Igor Balen

Sveučilište u Zagrebu

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Zavod za termodinamiku, toplinsku i procesnu tehniku

e-mail: [email protected]

Documents

Automatska regulacija u sustavima grijanja i hlađenja · Automatska regulacija Osnove - osnovni principi regulacije u sustavima grijanja i hlađenja: 1. Regulacija temperature -