Ogrzewanie płaszczyznowe - Układ z siłownikiem

Poprzedni artykuł z miesiąca lutego („MI" 2/07) rozpoczął nowy cykl poświęcony regulacji temperatury w pomieszczeniach ogrzewanych, za pomocą ogrzewania płaszczyznowego. Przedmiotem poprzedniego artykułu były termostatyczne układy regulacji temperatury, działające przy wykorzystaniu głowicy termostatycznej z wyniesionym czujnikiem lub głowicy termostatycznej z wyniesionym zadajnikiem (i czujnikiem jednocześnie). Ochrona grzejnika płaszczyznowego przed przegrzaniem realizowana była z wykorzystaniem jednego z wcześniej już opisanych systemów regulacji termostatycznej.

Do ochrony grzejnika przed przegrzaniem mogą byç wykorzystane termostatyczne zawory przelotowe oraz termostatyczne zawory trójdro-gowe, rozdzielające lub mieszające. We wszystkich przypadkach elementem regulacyjnym będzie głowica termostatyczna z czujnikiem przy-lgowym i kapilarą. Zawór termostatyczny wraz z głowicą termostatyczną i kapilarą stanowi regulator proporcjonalny bezpośredniego działania. Czyli powyższy układ do poprawnej regulacji pracy nie wymaga energii z zewnątrz.

Idea zastosowania głowicy termostatycznej z kapilarą oraz dodatkowego zaworu termostatycznego polegała na możliwości korekty temperatury zasilania grzejnika płaszczyznowego, w zależności od nastawy temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym. Korekcja temperatury zasilania grzejnika zawsze polegała na jej redukcji, maksymalną wartość zawsze stanowiła nastawa na głowicy termostatycznej układu zabezpieczającego   (głowica   termostatyczna z czujnikiem przylgowym wraz z zaworem termostatycznym lub trójdrogowym). Przy dobrze zaprojektowanym systemie ogrzewania płaszczyznowego zawsze istnieje pewna nadwyżka mocy grzewczej, dla bezpieczeństwa (jakość wykonania) lub dla poprawy dynamiki układu (szybsze rozgrzewanie). Ta nadwyżka mocy grzewczej bez korekty od temperatury wewnętrznej w pomieszczeniu zawsze owocuje przegrzaniem pomieszczenia. Przegrzanie może byç także spowodowane nieprzewidzianymi zyskami ciepła, mogącymi występowaç w pomieszczeniu ogrzewanym. Zastosowanie głowicy termostatycznej z wyniesionym czujnikiem lub głowicy termostatycznej z wyniesionym zadajnikiem pozwalało przenieść informacje o temperaturze w pomieszczeniu ogrzewanym do elementu wykonawczego, zabudowanego na zaworze termostatycznym. Informacja była przenoszona za pomocą kapilary. W obu przypadkach w pomieszczeniu ogrzewanym znajdował się czujnik temperatury, zaś na zawór termostatyczny był zabudowany element wykonawczy. Różnica przy zastosowaniu głowicy z wyniesionym czujnikiem lub wyniesionym zadajnikiem polegała jedynie na różnym sygnale przenoszonym przez ka-pilarę. W przypadku głowicy z wyniesionym czujnikiem przez kapilarę przenoszona była informacja o panującej temperaturze w pomieszczeniu, zaś zadajnik i element wykonawczy był zabudowany na zaworze termostatycznym. W przypadku głowicy z wyniesionym zadajnikiem w pomieszczeniu znajdował się zadajnik z wbudowanym czujnikiem. Kapilara zaś przenosiła ciśnienie, które napędzało mieszek elementu wykonawczego zabudowanego na zaworze termostatycznym.

Oba powyższe rozwiązania charakteryzowały się niewątpliwie wieloma zaletami, polegającymi na prostocie działania wykorzystującego proste prawa fizyki, niezawodności, działaniu bez konieczności zasilania energią elektryczną, wystarczającej dokładności regulacji.

Natomiast nie były pozbawione pewnych ograniczeń technologicznych oraz tych wynikających z prostoty działania, takich jak:

• skończona długość kapilary, wynosząca maksymalnie 10 m,
• duża bezwładność układu,
• ograniczona moc grzewcza,
• w przypadku uszkodzenia kapilary konieczna była wymiana głowicy.

Eliminacja ograniczeń
Aby wyeliminowaç powyższe ograniczenia systemu bezpośredniego działania, system regulacji temperatury pomieszczenia został wyposażony w regulator elektromechaniczny lub elektroniczny oraz element wykonawczy w postaci siłownika termicznego (rysunek 1).

Elementy systemu stanowią:

• głowica termostatyczna z czujnikiem przylgowym [1],
• zawór termostatyczny trójdrogowy, rozdzielający, z minimalnym by-pas-sem [2],

• zawór termostatyczny przelotowy [3],
• siłownik termiczny [4],

• wyłącznik zabezpieczający [5],
• regulator pomieszczeniowy [6],
• pompa obiegowa [7],
• zawór zwrotny [8].

Zabezpieczenie przed przegrzaniem grzejnika płaszczyznowego stanowi układ z zastosowaniem zaworu termostatycznego trójdrogowego, rozdzielającego z minimalnym by--passem [2] i głowicy termostatycznej z kapilarą i czujnikiem przylgo-wym [1]. Zawór trój drogowy z minimalnym by-passem oznacza, iż jeśli zawór trójdrogowy jest w stanie tzw. 100% otwarcia, około 20-30% czynnika grzewczego powracającego z grzejnika podłogowego przepływa przez obejście zaworu (tzw. by-pass), czyli wpływa do węzła mieszającego WM. Takie rozwiązanie ma za zadanie ochronę pompy przed zanikiem przepływu w przypadku, gdy nastąpi pełne zamknięcie zaworu termostatycznego [3]. Zawory trójdrogowe, rozdzielające, z minimalnym by-passem mają także zastosowanie w instalacjach jednorurowych.
Regulacja termostatyczna temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu za pomocą grzejnika płaszczyznowego jest realizowana analogicznie jak przy układach z głowicą termostatyczną z kapilarą i wyniesionym za-dajnikiem, zabudowaną w pomieszczeniu, lub z głowicą termostatyczną z kapilarą i wyniesionym czujnikiem zabudowanym w pomieszczeniu. Różnica jednak polega na zastosowaniu innego elementu wykonawczego [4], innego urządzenia regulacyjnego [6] działającego w oparciu o energię elektryczną. Elementem wykonawczym jest siłownik termiczny [4], zabudowany na zaworze termostatycznym [3]. Podanie sygnału napięciowego na siłownik termiczny powoduje przepływ prądu elektrycznego i podgrzewanie się elementu rezy-stancyjnego, zespolonego z elementem wykonawczym. Podgrzanie się czynnika roboczego w elemencie wykonawczym powoduje jego rozszerzenie termiczne i nacisk na trzpień zaworu termostatycznego, co w efekcie wywołuje dławienie przepływu. Zdjęcie napięcia zasilającego siłownik termiczny powoduje stygnięcie czynnika roboczego, w elemencie wykonawczym siłownika, jego kurczenie się i powrót trzpienia zaworu termostatycznego do stanu pierwotnego, czyli jego otwarcie.

Regulacja regulatorem

Najczęściej jako urządzenie regulacyjne [6] wykorzystuje się proste elektroniczne lub elektromechaniczne regulatory temperatury pomieszczenia [6], tzw. regulatory dwupoło-żeniowe typu on/off, posiadające styk przełączny. W regulatorze znajduje się zespolony czujnik pomieszczeniowy CP oraz obrotowy zadajnik temperatury OZT. Zakres nastaw za-dajnika zależy od typu regulatora, ale zazwyczaj mieści się w typowym zakresie temperatur pomieszczeń wewnętrznych 5-30°C. W przypadku regulatora elektronicznego o pozycji styku przełącznego decyduje układ elektroniczny w oparciu o informację o temperaturze pomieszczenia, pochodzącą od czujnika temperatury CP, zabudowanego w regulatorze oraz w zależności od zadanej temperatury na zadajniku OZT. W przypadku regulatora elektromechanicznego o pozycji styku przełącznego decyduje prosty układ termostatyczno-me-chaniczny, w zależności od panującej temperatury w pomieszczeniu (CP) oraz wartości zadanej na zadajniku OZT. W obu przypadkach, gdy zmierzona temperatura w pomieszczeniu jest niższa od zadanej na OZT, styk podstawowy jest zwarty, gdy zaś zmierzona temperatura jest wyższa od zadanej, wówczas styk podstawowy jest rozwarty. Istnieje pewna hi-stereza pracy regulatorów, mieszcząca się w zakresie 0,2 do 0,5°C. Praca układu regulacyjnego składającego się z regulatora temperatury pomieszczenia [6] oraz siłownika termicznego [4] sprowadza się do podawania napięcia na siłownik termiczny, czyli zamykania zaworu termostatycznego, gdy zmierzona temperatura jest wyższa od zadanej i odcinania napięcia zasilającego siłownik termiczny (otwierania zaworu termostatycznego), gdy zmierzona temperatura jest niższa od zadanej na zadajniku regulatora.

Zalety

Zaletą układów z prostymi regulatorami elektrycznymi i siłownikami termicznymi jest:

• możliwość  zwiększenia  odległości pomiędzy zadajnikiem i siłownikiem termicznym,
• prostota działania,
• niezawodność w eksploatacji,
• dokładność  regulacji   temperatury (małe systemy),
• prosta naprawa w razie uszkodzenia kabla sterującego,
• prowadzenie zasilania siłownika jako typowej instalacji elektrycznej,
• możliwość centralnego wyłączania systemu   grzewczego    (wyłącznik nadrzędny),
• typowe elementy systemu.

Ograniczenia

Jednak takie rozwiązanie posiada pewne ograniczenia wynikające z:

• prostoty rozwiązania,
• sposobu regulacji,
• zastosowanych elementów wykonawczych,
• bezwładności    układu grzewczego.

Aby wyeliminowaç powyższe ograniczenia i zwiększyć uniwersalność rozwiązania, jako urządzenie regulacyjne [6] wykorzystuje się także bardziej zaawansowane, elektroniczne regulatory temperatury, o których będzie mowa w następnym artykule.

autor:Grzegorz Ojczyk