Автоматичне регулювання «теплої підлоги» – навіщо, як та чим саме?

В. Поляков

Навіщо регулювати «теплу підлогу»? Які засоби та устаткування використовується для цього? Які переваги та додатковий комфорт отримає від цього споживач? Як саме можна досягти бажаного, не витрачаючи зайвого? Розглянемо все це докладніше

Необхідність та важливість автоматичного регулювання системи підлогового опалення краще за все доводити на конкретному прикладі «від супротивного».

Припустимо, що у приміщенні, яке обладнане системою «теплої підлоги» існує розрахунковий питомий тепловий потік q₀ = 60 Вт/м² . Даний тепловий потік розрахований на протидію зовнішньому повітрю з температурою t_н0 = –28°С, що інколи трапляється суворою зимою на півночі України.

Конструкція шарів «теплої підлоги» наведена на рис. 1. Для розрахунків можна скористатися спеціалізованою програмою VALTEC.PRG версії 3.1.3 (рис. 2).

Рис. 1. Конструкція шарів «теплої підлоги»

Середня температура теплоносія дорівнює t_т=31,5°C. За перепаду температур в звивах «теплої підлоги» Δt = 5°C термоголовка насосно-змішувального вузла буде встановлена приблизно на температуру 31,5 + (5 / 2) = 34°С.

Рис. 2. Екран розрахункового модуля програми VALTEC.PRG версії 3.1.3

Припустимо, що система «теплої підлоги» не має ніякого іншого регулювання, окрім підтримання стабільної температури теплоносія на вході у контури підлоги.

За зовнішньої температури t_н0 = –28°С підлога дійсно буде віддавати тепло на рівні q₀ = 60 Вт/м², підтримуючи температуру повітря в помешканні t_в0 = +20°С. Проте з підвищенням температури зовнішнього повітря дана ситуація буде кардинально змінюватися.

Температуру повітря в приміщенні при зміні температури зовнішнього повітря t_вi (°С) можна визначити із рівняння теплового балансу:

де t_нi — поточна температура повітря назовні, °С.

Питомий тепловий потік, Вт/м² , визначається за формулою:

Поточна температура підлоги, °С, складатиме:

t_ni = t_вi + 0,137_qi^0,91

Дані розрахунків зведені в таблицю 1.

Як можна бачити у табл. 1, відсутність регулювання теплоносія у контурах «теплої підлоги» призводить до надмірного нагрівання повітря в приміщенні та значному перевищенню температури на поверхні «теплої підлоги» вище комфортного рівня. Врешті в міжсезоння це також призведе до значних перевитрат теплової енергії, а отже – даремних витрат коштів за придбані енергоносії.

Таблиця 1. Температура зовнішнього повітря та внутрішнього повітря, °С, питомий тепловий потік від «теплої підлоги», Вт/м² та температура «теплої підлоги», °С

Таким чином, можна сформулювати головну задачу для автоматичного регулювання системи «теплої підлоги» («навіщо?»):

підтримка стабільних умов комфортного мікроклімату у приміщенні;
економія енергоресурсів;
запобігання надмірному втручанню користувача в роботу системи.

Кімнатні термостати

Щоб відповісти на наступне питання («як?»), треба згадати про те, що найбільш простим, доступним та прийнятним рішенням для споживача є використання кімнатних термостатів, які за допомогою електротермічного приводу керують термостатичними клапанами колекторного блоку.

Принцип роботи термостату є елементарним: користувач призначає бажану температуру внутрішнього повітря (налаштування). Коли температура повітря в приміщенні відрізнятиметься від налаштованого раніше значення та перевищує межу гістерезису (різниця поміж температурою, за якої вмикається чи вимикається реле), контакти реле перемикаються, тобто формується керуючий сигнал для живлення сервоприводу. В залежності від схеми підключення та типу самого сервоприводу (нормально відчинений чи нормально зачинений), відбувається» перекривання, або відкривання протоку через термостатичний клапан, що регулює подачу теплоносія в окремий контур «теплої підлоги».

Термостат на схемі 1 рис. 3 при підвищенні температури вимкне живлення нормально зачиненого сервоприводу, чим перекриє подачу теплоносія до контуру.

Рис. 3. Принцип роботи кімнатного термостату та сервоприводу

На схемі 2 рис. 3 термостат підключений до нормально відчиненого приводу. Якщо температура в приміщенні перевищить налаштоване значення, то термостат ввімкне живлення на сервопривод, чим перекриє подачу гарячої води у контур.

В номенклатурі компанії VALTEC є декілька видів кімнатних термостатів.

Термостат кімнатний дротовий з датчиком температури підлоги VT.AC602

Термостат VT.AC602 (см. рис. 4) окрім вбудованого датчика температури повітря має виносний датчик, який вбудовується в конструкцію стяжки «теплої підлоги» в гофрованому кожусі. За одночасного підключення обох датчиків вбудований датчик температури є «робочим», а виносний – запобіжним (заводське налаштування). Тобто, при перевищенні граничної температури, що налаштована на виносному датчику, відбувається відключення навантаження незалежно від значень на вбудованому датчику. Дана функція особливо корисна, якщо покриття «теплої підлоги» виконане із матеріалів, чутливих до високої температури (наприклад, паркет чи ламінат).

Якщо за «робочий» вибрати виносний датчик температури підлоги, тоді вбудований датчик температури повітря стає запобіжним. Перемикання «робочих» датчиків здійснюється шунтами на шестиполюсній колодці, що розміщена під лицьовою панеллю (див. рис. 5).

Рис. 5. Схема перемикання датчиків

До термостату підведене живлення 220 В, яке він при зниженні температури, меншої за налаштоване значення, передає на сервомеханізм (рис. 6).

Рис. 6. Схема підключення термостата VT.AC602

Така схема передбачає роботу з нормально зачиненими сервоприводами, а також виключаєможливість використання зонального комунікатора VT.ZC8, див. далі.

Термостат кімнатний дротовий VT.AC701

Термостат VT.AC701 (рис. 7) працює від двох замінюваних батарейок типу ААА 1,5 В та має рідкокристалічний дисплей, який в робочому режимі відображає поточну температуру повітря в приміщенні. Прилад виконаний в настінному варіанті, тобто монтується безпосередньо на стіну та не потребує облаштування гнізда з монтажною коробкою.

Рис. 7. Зовнішній вигляд кімнатного термостату VT.AC701

Потрібна температура (налаштування) вводиться двома клавішами на передній панелі. Термостат може працювати як з нормально відчиненими (НВ), так і з нормально зачиненими (НЗ) сервоприводами з робочою напругою 220 В та 24 В. Сервоприводи підключаються в розрив ланцюга живлення (див. рис. 8).

Рис. 8. Схема підключення термостата VT.AC701

Загалом кімнатні дротові термостати – надійні та доступні прилади автоматичного керування, але вони мають принципову ваду – вони регулюють тільки попередньо налаштовану температуру, тобто якщо, наприклад, в межах доби треба змінювати температуру, то її треба повсякчас переналаштовувати.

Хронотермостат кімнатний дротовий з датчиком температури підлоги VT.AC709

Давайте уявимо звичайний робочий день звичайної родини. Вранці, коли мешканці прокидаються та снідають, вдягаються, щоб пізніше йти на роботу чи навчання тощо, бажана температура в приміщеннях має бути на рівні +20 ÷ 22°С. Вдень, коли господарів вдома немає, то немає й сенсу підтримувати цю досить високу температуру. Абсолютно достатньою буде температура, що не нижча +14 ÷ 15°С. Таке значення дозволяє достатньо швидко ввечері вивести температуру на комфортний режим +20°С знову (приблизно за 20-30 хвилин), тобто саме тоді, коли мешканці повернуться додому. Вночі, коли мешканці сплять, комфортною і здоровою для сну температурою є +17 ÷ 18°С (див. рис. 9).

Рис. 9. Приклад добового графіка температури повітря в приміщенні

Тобто, щоб притримуватися раціонального графіку за рис. 9 потрібно декілька разів за добу в ручному режимі заздалегідь виставляти налаштування температури, що власне обтяжливо та за відсутності мешканців вдень взагалі не є можливим.

Отже, споглядаючи на графік за рис. 9, можна побачити, що звичайні термостати не мають функцій налаштування за часом доби, тобто не програмуються за часовими проміжками. Цю можливість мають інші спеціальні прилади – електронні хронотермостати, наприклад, як VT.AC709 (див. рис. 10).

Рис. 10. Зовнішній вигляд кімнатного дротового хронотермостату VT.AC709

Хронотермостат дозволяє задавати режими опалення за програмою для робочих та вихідних діб окремо. Для цього кожна доба умовно поділяється на шість періодів, початок яких налаштовується користувачем за бажанням. Тобто для звичайного робочого тижня треба запрограмувати шість періодів для п’яти будніх діб та ще двічі по шість добових періодів для вихідних днів. Для кожного з обраних періодів вводяться налаштування бажаної температури повітря або підлоги (коли в якості «робочого» датчика обирається виносний датчик).

В будь-який момент часу у програму хронотермостату можна втрутитися та внести бажані зміни графіку опалення шляхом переходу на тимчасовий режим ручного керування. Це зручно, наприклад, для тих випадків, коли в будні дні хтось повернувся додому раніше звичайного і хоче включити комфортну температуру замість пониженої для підтримання режиму денної економії. Прилад при цьому буде підтримувати нові ручні налаштування до кінця поточного періоду (до наступної доби), а потім повернеться до раніше запрограмованих автоматичних тижневих налаштувань.

В звичайних кімнатних термостатах гістерезис (різниця поміж температурами вмикання та розмикання контактів) є фіксованим значенням, що складає зазвичай 1°С. Декого ця точність повністю влаштовує, а хтось бажає підтримувати температуру точніше чи навпаки – хтось бажає вмикати контур підлогового опалювання за більшого перепаду температур.

Хронотермостат VT.AC709 має можливість налаштовувати гістерезис в межах від 0,5 до 10°С.

Багато хто із власників звичайних кімнатних термостатів зазначають, що температура повітря, що фіксується термостатом, часто відрізняється від температури, що показує звичайний кімнатний термометр. Причиною тому може бути декілька факторів: різна температура в різних точках приміщення, нагрівання самого приладу при роботі, хибне калібрування тощо. Тобто треба пам’ятати деяку особливість роботи приладу, щоб постійно корегувати налаштування на дане значення. Хронотермостат VT.AC709 має режим ручного калібрування вбудованого датчика, тому дана поправка буде завжди враховуватися автоматично.

До того ж хронотермостат VT.AC709 дозволяє ввімкнути функцію захисту від замерзання (рис. 11). Навіть за вимкненого термостата (режим «OFF») зниження температури повітря нижче +5°С ввімкне напругу на сервопривод, чим забезпечить циркуляцію теплоносія.

Рис. 11. Інформація на екрані дисплея та призначення кнопок керування VT.AC709 (синім кольором показано значення заводських налаштувань)

Виносний датчик температури підлоги вбудовується в стяжку «теплої підлоги» та працює в якості запобіжника. У випадку перевищення граничного налаштування температури підлоги, незалежно від поточної температури повітря всередині приміщення, термостат подасть команду на відключення опалення (рис. 12 та 13).

Хронотермостат кімнатний дротовий з датчиком температури підлоги VT.AC710

На відміну від моделі VT.AC709 хронотермостат VT.AC710 (рис. 14) має автономне живлення від двох батарейок типу АА по 1,5 В. Виносного датчика температури підлоги у даного приладу немає. У відповідності до введеної тижневої програми хронотермостат керує підлоговим опаленням, підтримуючи в приміщенні один із двох попередньо налаштованих режимів ("КОМФОРТ" і "ЕКОНОМ"). Кожна із семи діб тижня поділена на 48 часових періодів по 30 хвилин кожна, що дозволяє користувачу при програмуванні хронотермостата забезпечити оптимальний кліматичний режим в приміщеннях.

Рис. 14. Зовнішній вигляд кімнатного дротового хронотермостату VT.AC710

Для зручності оперативного керування кліматичною системою хронотермостат має кнопку режиму очікування, яка за необхідності дозволяє тимчасово відключити роботу програми та діяти за командами користувача.

Стан реле (замкнено/розімкнено) відображається світлодіодним індикатором та написом на рідкокристалічному дисплеї (System ON/ System OFF). Схема підключення до живлення VT.AC710 показана на рис. 15.

Рис. 15. Схеми підключення хронотермостата VT.AC710

Хронотермостат кімнатний бездротовий VT.AC707

Всі моделі кімнатних термостатів, що були розглянуті раніше, мають дротове з’єднання з сервоприводом, що не завжди зручно, а подекуди це просто неможливо. Для даного випадку передбачено бездротовий хронотермостат VT.AC707 (рис. 16).

Рис. 16. Зовнішній вигляд кімнатного бездротового хронотермостату VT.AC707

Його комплект містить приймач, що отримує сигнал для подальшого керування від самого хронотермостату, що встановлюється в службовому приміщенні або там, де це зручно. Далі по дротовій схемі цей сигнал надходить безпосередньо на сервомеханізм колекторного блоку. Сигнал до приймача передається по радіоканалу на дозволеній частоті 433 МГц. Приймач зазвичай розміщують поруч із сервоприводом у колекторній шафі. Прилад має сенсорні кнопки керування та дозволяє виконувати наступні функції:

підтримка температури повітря в приміщенні на рівні, що налаштовується користувачем (програмою або вручну);
дистанційна передача керуючого сигналу на відстань до 30 м;
добове та тижневе програмування температурних режимів в приміщенні (шість режимів на добу);
підтримка режиму захисту від замерзання;
налаштування різниці між температурами з’єднання та роз’єднання контактів;
калібрування значень вбудованих датчиків температури повітря за даними контрольного термометру;
індикація на екрані режимів роботи, часу, температури повітря в приміщенні та заданої для поточного режиму температури повітря;
підсвічування дисплею;
блокування налаштувань для захисту від несанкціонованого втручання.

Хронотермостат двоконтурний дротовий VT.AC711

Система підлогового опалення часто-густо використовується на додачу до радіаторного опалення. В разі використання саме такої комбінованої схеми, система керування теж має бути комбінованою. Це означає, що спільна одночасна робота двох систем в міжсезоння (за температури зовнішнього повітря в межах від –10 до +8°С) не потрібна. Використання лише «теплої підлоги» здебільшого вистачає на опалення приміщення, а радіаторне опалення підключається не часто. Двоконтурного хронотермостата VT.AC711 буде достатньо для керування такою комбінованою системою (рис. 17).

Рис. 17. Зовнішній вигляд кімнатного дротового хронотермостату VT.AC711

Даний хронотермостат виконує ті самі функції, що і VT.AC709, але керує не одним, а двома контурами опалення за допомогою додаткового реле. В меню налаштувань такого термостата введений параметр dT, який визначає проміжок температур, що є вищим за налаштований «по низу», в якому включене лише одне реле (див. рис. 18).

Рис. 18. Схема роботи хронотермостата VT.AC711

На термостаті встановлюються два значення: перше – налаштування самого термостату (наприклад, +20°С), та друге значення, а саме dT (наприклад, +3°С), яке налаштовується один раз та буде діючим значенням за будь-яких налаштувань термостату.

Якщо фактична температура повітря в приміщенні є нижчою за налаштоване значення на 0,5°С (половина від гістерезису), то це означає, що в приміщенні холодно та необхідно ввімкнути як радіаторне, так і підлогове опалення.

Дана ситуація виникає зазвичай в пікові зимові періоди, коли знадвору сильний мороз. Коли температура всередині приміщення перевищує налаштоване значення (20°С + 0,5°С = 20,5°С), тоді реле, що керує радіатором, вимикається. Тобто, якщо призначений оптимальний температурний діапазон температур, то радіатор відімкнеться, але «тепла підлога» продовжуватиме виконувати опалювальні функції. Подальше збільшення температури всередині приміщення до значення 20 + dT + 0,5 = 23,5°С призведе до вимкнення також і системи (контуру) «теплої підлоги» (рис. 18).

Вистигання приміщення спочатку ввімкне «теплу підлогу» за температури 20 + dT - 0,5 = 22,5°С, а потім і радіатори (за умов зниження температури до 20 - 0,5 = 19,5°С), рис. 19.

За замовчуванням, значення dT встановлюється на 3°С, проте цю дельту потрібно налаштовувати, виходячи із конкретних особливостей системи опалення та теплової інерційності приміщення.

Рис. 19. Схеми підключення хронотермостата VT.AC711

Зональний комунікатор

Якщо звернутися до класичної схеми простого автоматичного керування комбінованої системи опалення (рис. 20), в якій кімнатні термостати керують сервоприводами термостатичних клапанів колекторних блоків, то виникає питання: а що відбудеться , якщо всі клапани будуть закритими?

Рис. 20. Регулювання комбінованої системи опалення кімнати термостатами та сервоприводами

Вочевидь, що за даних обставин мають відкритися перепускні (байпасні) клапани на контурах, а теплоносій буде циркулювати малим циркуляційними колами через байпасні відтинки. При цьому насоси будуть витрачати електроенергію даремно. Якщо контури не облаштовані байпасами з перепускними клапанами, то циркуляційні насоси будуть працювати «на закриту засувку», витрачаючи енергію лише на нагрівання самих себе і теплоносія в обмеженому просторі. Циркуляційні насоси VT.RS оснащені вбудованими датчиками перегріву, які вимкнуть насос за надмірного нагрівання обмотки статору більше 150°С, проте це є аварійним режимом, і його регулярне повторення врешті призведе до перегоряння обмоток електродвигунів.

Щоб не виникало такої аварійної чи перед-аварійної ситуації, цьому запобігає зональний комунікатор VT.ZC8, що передає сигнали (ввімкн./ вимкн.) від кімнатних термостатів на сервоприводи термостатичних клапанів, що управляють надходженням теплоносія до контурів системи опалення.

Застосування комунікатора спрощує схему керування, дозволяє сполучати термостати і сервоприводи в групи (сервоприводні групи вмикаються за сигналом від одного термостату).

Комунікатор також оснащений функцією керування циркуляційним насосом.

У таблиці 2 наведені деякі технічні характеристики кімнатних термостатів Valtec, де окремо позначена їх здатність працювати сумісно із зональним комунікатором VT.ZC8.

Таблиця 2. Основні технічні характеристики кімнатних термостатів Valtec

Отже, за допомогою кімнатних термостатів та хронотермостатів від Valtec можна побудувати просту та надійну схему автоматичного регулювання задля створення для користувача щоденного програмованого комфортного мікроклімату при опаленні «теплими підлогами», а також комбінованим опаленням, що поєднує високотемпературні та низькотемпературні контури.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!