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
Zašto je potrebna regulacija sustava grijanja / hlađenja?
- problem kod loše regulacije:
Osnove
• Povećana potrošnja energije
Loše dimenzioniran regulacijski ventil
Izvor: Danfoss
Zašto je potrebna regulacija sustava grijanja / hlađenja?
- 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
Sheme spajanja sustava
Kondenzacijski kotao s 4 cirkulacijska kruga:
- niska temperatura povratne vode povoljna za kondenzaciju pare iz d.p.
Izvor: Recknagel
Sheme spajanja sustava
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
Regulacijski ventili
- kombinacija karakteristika izmjenjivača topline i regulacijskog ventila:
Izvor: Malestrom
Izmjenjivač Reg. ventil Sustav
Regulacijski ventili
- 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
Regulacijski ventili
- 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
Regulacijski ventili
- 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
Regulacijski ventili
- 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!
Regulacijski ventili
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:
Regulacijski ventili
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):
Regulacijski ventili
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):
+
Regulacijski ventili
- 3-putni miješajući ventil – za regulaciju temperature u sustavima grijanja:
A
B
AB
Regulacijski ventili
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.
Regulacijski ventili
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.
Regulacijski ventili
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.
Regulacijski ventili
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.
Regulacijski ventili
- 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
Termostatski radijatorski ventil
- princip rada (1):
20° C
22° C
Temperatura zraka
Termostatski radijatorski ventil
20° C
22° C
- princip rada (2):
Termostatski radijatorski ventil
Temperatura zraka
20° C
22° C
- princip rada (3):
Termostatski radijatorski ventil
Temperatura zraka
20° C
22° C
- princip rada (4):
Termostatski radijatorski ventil
Temperatura zraka
20° C
22° C
- princip rada (5):
Termostatski radijatorski ventil
Temperatura zraka
20° C
22° C
- princip rada (6):
Termostatski radijatorski ventil
Temperatura zraka
20° C
22° C
- princip rada (7):
Termostatski radijatorski ventil
Temperatura zraka
- TRV – primjer predpodešenja:
Ventil s
predpodešenjem
Izvor: Danfoss
Termostatski radijatorski ventil
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
Termostatski radijatorski ventil
- 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:
Izvor: Görtler and Beigelböck, 2010
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
Modelsko prediktivno upravljanje
- rezultati – potencijal uštede energije oko 10% u sezoni grijanja, u
usporedbi s klasičnim PI regulatorima:
Izvor: Görtler and Beigelböck, 2010
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%
Modelsko prediktivno upravljanje
- 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
Izvor: Žakula, 2018
Napredno upravljanje na postojećim zgradama
- eksperimentalna mjerenja za verifikaciju detaljnog simulacijskog modela
Izvor: Žakula, 2018
Mjerenja (tipičan kat zgrade) 23. – 25. 12. 2017. uz isključeni KGH sustav.
Mjerenje unutarnje temperature po
zonama
Mjerenje vanjske temperature i
Sunčevog zračenja
Napredno upravljanje na postojećim zgradama
- eksperimentalna mjerenja za verifikaciju detaljnog simulacijskog modela:
Greška (RMSE) detaljnog modela oko 6,5 % u odnosu na eksp. mjerenja.
Izvor: Žakula, 2018
Primjer lošeg mjerenjaPrimjer dobrog mjerenja
Napredno upravljanje na postojećim zgradama
- pojednostavljeni model – racionalizacija računalnih resursa:
Izvor: Žakula, 2018
vanjska temperatura
Sunčevo zračenje
unutarnji dobici topline
unutarnja temperatura
energija za
grijanje / hlađenje
karakeristike zone
Napredno upravljanje na postojećim zgradama
- pojednostavljeni model:
Greška (RMSE) pojednostavljenog modela oko 2 – 4 % u odnosu na
detaljni model.
Izvor: Žakula, 2018
Napredno upravljanje na postojećim zgradama
- pojednostavljeni model – stvarna i optimalna potrošnja energije u
realnom vremenu:
Izvor: Žakula, 2018
Ured 318 (W)
Napredno upravljanje na postojećim zgradama
- pojednostavljeni model – stvarna i optimalna potrošnja energije u
realnom vremenu:
Izvor: Žakula, 2018
Stvarna (crno) i optimalna (ružičasto) potrošnja
za ured 318 (W)
Stvarna (crno) i optimalna (ružičasto)
temperatura za ured 318 (W)
Napredno upravljanje na postojećim zgradama
Analiza ureda u periodu 12. – 28. 02. 2018.
- pojednostavljeni model – stvarna i optimalna potrošnja energije u
realnom vremenu:
Izvor: Žakula, 2018
Napredno upravljanje na postojećim zgradama
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]