Контроллеры для систем отопления и ГВС: схемы применения и тенденции развития

С. Дейнеко

Прогресс в области автоматизации управления системами отопления и горячего водоснабжения уже достиг существенного уровня. Предлагаемые в настоящее время регуляторы позволяют координировать работу сложных схем управления, в которых применяются различные типы теплогенераторов. Это дает возможности для экономии ресурсов, оптимизации параметров работы и повышения надежности систем, создания комфортных условий, достижения энергонезависимости объекта

Слово «controller» в переводе с английского означает «регулятор» или «управляющее устройство». Согласно теории управления, это устройство, которое контролирует и управляет инженерными системами и вырабатывает для них сигналы управления. Регуляторы отслеживают изменения параметров в инженерных системах объекта и реагируют на это изменение с помощью набора алгоритмов управления и соответствующих настроек.

В Украине 10–15 лет назад такие устройства применялись, по большей части, в тепловых пунктах и изредка в котельных. Их функции были ограничены, то есть сводились, например, к управлению одним смесительным клапаном или отдельным элементом системы. При этом включение/отключение котлов или насосов осуществлялось вручную. Да и сами схемы выбирались под те алгоритмы работы контроллера, которые не могли полностью охватить все системы теплового пункта или котельной. Поэтому различными частями системы управляли отдельные контроллеры – управление отоплением, ГВС, насосами, сигнализацией о неисправностях или тревогах и т.д. Все устройства для управления помещались в достаточно большие шкафы управления.

К настоящему времени ситуация кардинально изменилась. Сейчас специалист имеет возможность создать практически любую схему управления, в которой может быть применен контроллер. Объем программного обеспечения может быть достаточно большим, поскольку современные устройства позволяют хранить в памяти фактически неограниченные объемы информации. Значительно увеличена и скорость обработки данных.

Новые возможности

Большое распространение получили так называемые «stand alone» контроллеры, т.е. предпрограммированные контроллеры. Эти устройства предназначены для управления индивидуальными тепловыми пунктами централизованного теплоснабжения или децентрализованными системами. В современных моделях контроллеров заложены уже не одна–две схемы управления, как раньше, а 20 и более. И управлять они могут одновременно котлами на различных видах топлива, тепловыми насосами, гелиосистемами, бойлерами ГВС, накопительными емкостями и др.

Подобные устройства поставляют на украинский рынок различные компании, например, Danfoss (Дания), Kromschröder (Германия), Honeywell (США).

Требуемая температура котла вычисляется контроллером на основании запроса на тепло от управляемых контуров систем отопления и ГВС. Каждое устройство может работать самостоятельно или в локальной сети, в которой может быть несколько контроллеров одновременно. Все параметры, а также временные программы, имеют предварительные настройки для каждого контура управления и допускают индивидуальную адаптацию к системе отопления и требованиям ее пользователя.

Например, в контроллеры Smile (Honeywell) (рис. 1) заложено порядка 20 программ, которые позволяют использовать их для 30–40 схем. Устройства могут применяться локально (при этом каждый одиночный контроллер управляет одним–тремя контурами отопления), а также объединяться в одну систему (до пяти устройств). Контроллеры имеют по три свободных входа и по два свободных выхода для дополнительных функций управления. Вариации систем отопления задаются на этапе ввода системы в эксплуатацию.

Рис. 1. Контроллер Smile

Изменения параметров работы позволяют достичь определенного уровня гибкости в управлении отопительными системами. Хотя эти контроллеры и имеют жесткие алгоритмы работы, их можно адаптировать под определенную схему. Допустим, контроллер управляет смесительным контуром, состоящим из клапана, насоса и двух датчиков на подающем и обратном трубопроводах. При изменении определенных параметров, отвечающих за смесительный клапан, можно подключить к контроллеру циркуляционный насос системы горячего водоснабжения, датчики температуры поместить в теплообменник – и контроллер уже не управляет контуром системы отопления, а полностью контролирует работу системы ГВС. То есть один и тот же выход можно использовать для различных компонентов схемы. Такая гибкость актуальна при реконструкции помещений с оборудованием дополнительных контуров отопления, например, частичной заменой радиаторного отопления на «теплый пол» или расширении системы ГВС. При этом один контроллер будет управлять и системой «теплый пол», радиаторным отоплением, котлом и системой горячего водоснабжения.

Существует возможность подключения удаленных модулей с датчиками температуры внутреннего воздуха в помещениях. Подсоединяемые модули имеют ручку изменения настройки и переключатель режимов «Экономный/По расписанию/Комфортный», цифровой дисплей, и дублируют кнопки настройки контроллера, обеспечивая режим полного доступа и дистанционного управления. Возможно индивидуальное управление отдельным контуром системы отопления из одного помещения. Для этого необходимо встроить в систему отопления настенный модуль подходящей модели.

Технические характеристики контроллеров Smile: потребление электроэнергии – 5,8 ВА, работают от бытовой сети переменного тока. Степень защиты IP 30. Размеры (Ш×В×Г) – 144×96×75 мм. Корпус изготовлен из ABS-пластика с антистатическим покрытием. Максимальная длина шины – 100 м. Устройство монтируется на стену при помощи клеммных коробок.

Современные контроллеры подходят как для создания погодозависимых систем регулирования температуры потока теплоносителя (например, радиаторных, конвекторных), так и для систем, где необходимо поддерживать постоянную температуру теплоносителя (например, системы типа «теплый пол», или для бассейнов) посредством смесительных контуров, включая гелиосистемы.

Применяя несколько «stand alone» контроллеров, можно создать достаточно большую и сложную систему управления, пригодную даже для крупного общественного здания.

В индивидуальном строительстве контроллеры позволяют организовывать системы, в которых возможно применять различные теплогенераторы, в том числе использующие альтернативные источники энергии.

Без контроллеров создавать такие системы практически невозможно. Ведь у всех их компонентов различные алгоритмы и режимы работы. Электрический котел целесообразно включать в ночное время, когда дешевле тариф на электроэнергию (при многотарифном учете). Либо одновременно использовать тепловой насос. В светлое время суток включаются коллекторы гелиосистемы, а при пиковых нагрузках на ГВС утром и вечером не обойтись без газового котла. Соответственно возможно отключить электрический котел в дневное время. При этом все источники тепла работают на бакаккумулятор, температуру в котором также необходимо контролировать и, в соответствии с ней, балансировать работу всей системы. При этом закладывается график работы по времени суток и дням недели.

Комбинированные схемы

Одним из актуальных является использование в одной системе совместно газового и электрического котлов или газового котла и котла на твердом топливе (первого – в качестве основного, второго – дополнительного) (рис. 2).

Рис. 2. Схема с совместным использованием электрического и газового котлов:
AF, WF1, WF2, VF1, RLF1, SF – датчики температуры (наружного воздуха, котлов, теплоносителя на подающем и обратном трубопроводах, бака-аккумулятора ГВС); MK1 – трехходовой смесительный клапан с электрическим приводом; Tmax – накладной термостат; P1, SLP, ZKP – насосы

При этом в первом случае, поскольку электрический котел целесообразно включать ночью, когда тариф на электроэнергию меньше, используется таймер с дневным, недельным расписанием и программой выходных дней. Во втором случае при отсутствии газа, котел на твердом топливе обеспечит поддержание работы систем отопления и ГВС на необходимом уровне. Также источники тепла на различных видах топлива позволяют обеспечить надежность работы системы при других определенных форс-мажорных обстоятельствах.

В данном случае контроллер обеспечивает управление котлами, ограничение максимальной температуры на выходе из котлов, бесступенчатое (плавное) управление газовым котлом с оптимальной нагрузкой на него. Возможна организация управления работы с учетом температуры воздуха в помещении и погодная коррекция. Доступны функции предохранения от замораживания, автоматической защиты от легионеллы, а также приоритета горячей воды.

Подключение теплового насоса позволяет создавать системы, в которых альтернативная энергия является базовой для нагрева воды в буферной емкости (рис. 3).

Рис. 3. Использование газового котла, теплового насоса и буферной емкости:
AF, WF, VF1, KSPF, VE1, SF – датчики температуры наружного воздуха, котла, теплоносителя на подающем трубопроводе, на входе и выходе воды из буферной емкости, бака-аккумулятора ГВС; KVLF – датчик температуры воды; MK1, VA1– трехходовые клапаны с электрическим приводом; P1 – насос смесительного контура системы отопления; VA2 – насос загрузки буферной емкости от теплового насоса

При этом автоматика обеспечит управление температурой воды на выходе из теплового насоса и оптимизацию процессов работы оборудования. В этой схеме базовым источником тепла является тепловой насос, а газовый котел покрывает пиковые нагрузки системы. Большую свободу выбора топлива может предоставить схема с применением твердотопливного котла и гелиоколлектора (рис. 4).

Рис. 4. Схема с применением твердотопливного котла, солнечного коллектора и буферной емкости:
AF, WF1, VF1, VE1, SF, VE2, KSPF, KRLF, KVLF – датчики температуры наружного воздуха, котла, теплоносителя на подающем трубопроводе, на выходе воды из буферной емкости, бака-аккумулятора ГВС, воды на входе в бак-аккумулятор ГВС от солнечного коллектора, на входе воды в буферную емкость, на входе воды в солнечный коллектор, воды в солнечном коллекторе; MK1, MK2, U1 – трехходовые смесительные клапаны с электрическим приводом (контур системы отопления, для поддержания заданной температуры на входе в твердотопливный котел, клапан между буферной емкостью и солнечным коллектором); P1 – насос смесительного контура системы отопления

При этом обеспечивается поддержание заданной температуры на входе и выходе из котла, контроль температуры воды в солнечном коллекторе, переключение потоков воды, поступающей в солнечный коллектор от бака ГВС и буферной емкости. Возможна параллельная погодозависимая работа со смесительным контуром отопления.

Для создания больших отопительных систем зачастую необходимо подключение котлов в каскад, с чем также справляются контроллеры (рис. 5). При этом обеспечиваются оптимальные параметры и учет часов работы каждого генератора тепла.

Рис. 5. Подключение газовых котлов в каскад:
AF, WF1, WF2, VF1, VF2, VF3, SF, RLF1, RLF2 – датчики температуры наружного воздуха, котла, теплоносителя на подающем трубопроводе, бака-аккумулятора ГВС, воды на обратном трубопроводе; MK1, MK2, MK3, R1, R2 – трехходовые смесительные клапаны с электрическим приводом

В любом случае для конкретных условий можно выбрать наиболее соответствующую им схему, которых производители устройств управления предлагают десятки.

Перспектива – универсальный контроллер

В настоящее время заметна тенденция к усложнению систем климатизации зданий. Соответствующим образом под этот тренд подстраиваются и разработчики контролеров.

Данные устройства уже позволяют отправлять данные о работе систем по мобильной связи или посредством сети Интернет. Например, в США широкое распространение получили тачскринмониторы с возможностью интеграции с операционными системами смартфонов типа Android. Таким образом, возможно дистанционно управлять параметрами работы климатических систем, которые могут включать не только отопление, а и системы вентиляции, кондиционирование, охранные и пожарные системы.

Поскольку разные производители защищали свои продукты различными протоколами передачи данных, то в настоящее время появились контроллеры, которые позволяют использовать все существующие протоколы (например, CentraLine (Honeywell)). Это особенно актуально в случае установки регуляторов на модернизируемых объектах.

Однако, с все большим усложнением систем, возникает вопрос создания своего рода универсального контроллера. Это в настоящее время основная перспектива и задача для разработчиков. Единый контроллер, в зависимости от заложенного в него программного обеспечения может применяться для управления различными инженерными системами здания. Это своего рода небольшой компьютер, для которого необходимо лишь установить «софт» под конкретные задачи и непосредственно под определенный объект его запрограммировать.

Сложность внедрения свободно программируемых контроллеров заключается, прежде всего, в дороговизне программного обеспечения. Кроме того, актуальным является вопрос соответствия уровня подготовки пользователя, наличие квалифицированного обслуживающего персонала и исключения несанкционированного вмешательства в работу управляющих устройств.

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