W pierwszej części cyklu poświęconego armaturze współpracującej z płaszczyznowym ogrzewaniem podłogowym („PI” 1-2/2021) przedstawiłem układy regulacji temperatury grzejnika podłogowego, bez układów regulacji temperatury pomieszczenia. W tym odcinku zajmiemy się układami, które umożliwiają dodatkowo regulację temperatury w pomieszczeniu: z termostatycznym zaworem regulacyjnym oraz z regulatorem elektrycznym albo elektronicznym

Układ z termostatycznym zaworem regulacyjnym
Istotą regulacji wydajności cieplnej grzejnika jest zapewnienie odpowiedniej temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu. Nie jest to jednak możliwe bez elementów mierzących tę temperaturę i automatycznie reagujących na jej zmiany, odpowiednio zmieniając parametry czynnika dopływającego do grzejnika, tj. jego strumień i/ lub temperaturę. Schemat układu sterowania grzejnikiem podłogowym zapewniającego takie działanie zaprezentowano na rys. 1.

Jest to złożenie wcześniej już omówionego układu („PI” 1-2/2021), opartego na termostatycznym zaworze dwudrogowym na zasilaniu (2) i głowicy termostatycznej (1) jako układu stabilizacji i ograniczania temperatury powierzchni grzejnika, z dodatkowym, jednodrogowym zaworem regulacyjnym (6) wyposażonym w głowicę termostatyczną (7), który służy do regulacji temperatury w pomieszczeniu. Głowica ta ma czujnik wyniesiony (CP), który umieszcza się w reprezentatywnym dla pomiaru temperatury miejscu w pomieszczeniu. Miejscem takim może być niezabudowana ściana wewnętrzna, w dostatecznie dużej odległości od elementów mogących fałszować pomiar i oddalać jego wynik od średniej temperatury, tj. temperatury odczuwalnej w pomieszczeniu, która ma podlegać regulacji. Elementami takimi są: grzejniki, okna zewnętrzne, urządzenia RTV czy też zakamarki między meblami, gdzie mogą się tworzyć kurtyny powietrza o temperaturze znacząco innej niż jej średnia wartość w pomieszczeniu.

Układ stabilizacji temperatury grzejnika działa identycznie jak omówiono wcześniej dla przypadku zaworu dwudrogowego mieszającego. Za ograniczenie maksymalnej temperatury powierzchni grzejnika jest odpowiedzialny zawór dwudrogowy (2) z głowicą termostatyczną (1) i czujnikiem (CZ). Z kolei za bieżącą regulację i stabilizację temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu odpowiedzialny jest przelotowy zawór regulacyjny (6) z głowicą termostatyczną (7) o wyniesionym czujniku (CP). Gdy temperatura mierzona przez czujnik pomieszczeniowy (CP) jest równa temperaturze zadanej tzad na głowicy (7), to stopień otwarcia sterowanego przez nią zaworu (6) jest równy nominalnemu. Natomiast, gdy temperatura mierzona przez czujnik pomieszczeniowy (CP) wzrasta, to działanie układu wygląda następująco:

• głowica (7) z użyciem zaworu (6) redukuje przepływ czynnika przez króciec odprowadzający (p), a tym samym redukuje przepływ czynnika dopływającego w przewodzie zasilającym (z) do zaworu dwudrogowego (2);
• w wyniku tego w strumieniu czynnika wypływającego z zaworu (2), w początkowej fazie, zwiększa się udział czynnika powracającego z obejścia, tj. wychłodzonego czynnika powrotnego z grzejnika; czynnik ten przepływa przez wężownicę, na której jest zamontowany czujnik (CZ) głowicy termostatycznej (1);
• w rezultacie, w drugiej fazie, jeśli temperatura zadana na głowicy termostatycznej tzad będzie wyższa niż temperatura czynnika wpływającego do grzejnika, głowica będzie otwierać króciec (z) zaworu (2), a więc równocześnie zamykać króciec obejścia (by-passu), aby zwiększyć dopływ czynnika zasilającego o wysokiej temperaturze tz do zaworu i utrzymać temperaturę w miejscu przyłożenia czujnika (CZ) na wymaganym poziomie – z uwagi jednak na to, że zawór (6) ogranicza ten przepływ, zwiększony stopień otwarcia zaworu (2) na króćcu (z) nie zwiększy dopływu czynnika zasilającego tz i temperatura zasilania grzejnika nie wzrośnie;
• końcowym efektem będzie zatem zmniejszenie przepływu czynnika przez grzejnik, gdyż zawór (6) ograniczy dopływ czynnika do zaworu (2), a zawór (2) dodatkowo ograniczy przepływ przez obejście.

W sytuacji spadku temperatury mierzonej przez czujnik (CZ) sytuacja jest odwrotna.

W omawianym układzie zawór (6) z głowicą (7) może być również zainstalowany na zasilaniu, tj. bezpośrednio przed zaworem dwudrogowym (2). Efekt działania będzie podobny. Ewentualna różnica będzie wynikała z faktu wpływu temperatury czynnika w rurce zasilającej na temperaturę mierzoną przez czujnik. W takim jednak przypadku, w przeciwieństwie do termoregulatorów do grzejników konwekcyjnych, różnica będzie pomijalna z uwagi na zastosowanie czujnika wyniesionego oraz niższe temperatury czynnika.! W układach regulacji omówionych powyżej oraz w pierwszym odcinku naszego cyklu są wykorzystywane elementy bezpośredniego działania – głowice termostatyczne, a więc urządzenia niewymagające do pracy doprowadzenia dodatkowej energii (niemal zawsze elektrycznej). Jest to ich zaletą, rozwiązanie takie jest bowiem proste i relatywnie tanie. Jednak zaleta ta nie ma praktycznego znaczenia, ponieważ w przypadku braku energii nie ma możliwości napędzania pompy obiegowej grzejnika, a zatem zapewnienia jego działania. Ponadto obecnie nie wykonuje się instalacji bezpompowych (grawitacyjnych) z uwagi na wiele mankamentów użytkowych.

Mimo swojej prostoty, układ regulacji grzejnika podłogowego z wykorzystaniem głowic termostatycznych ma dość istotne ograniczenia. W grzejnikach tego typu niemal zawsze jest konieczne zastosowanie głowicy z wyniesionym czujnikiem. Czujnik z głowicą połączony jest kapilarą, w której znajduje się czynnik termorozszerzalny, a więc występuje on tu w znacznie większej ilości niż w przypadku klasycznych głowic, ze zintegrowanym czujnikiem. Im większa jest długość kapilary, tym większa jest ilość czynnika, a tym samym większa bezwładność cieplna, większa histereza układu i większy uchyb (błąd) regulacji. Niekiedy nie ma możliwości zastosowania krótkiej kapilary i zapewnienia tym samym dobrej jakości regulacji.

Układ z regulatorem elektrycznym
Jednym z rozwiązań służących poprawie jakości regulacji może być zastosowanie na zaworze regulacyjnym głowicy termoelektrycznej (nazywanej też siłownikiem) sterowanej odpowiednim układem elektrycznym. Schemat takiego rozwiązania zaprezentowano na rys. 2.
Głowicę termostatyczną zastępuje tutaj siłownik (4) z prostym, elektrycznym lub elektromechanicznym układem sterowania (6). Siłownik jest wyposażony w element z czynnikiem termorozszerzalnym, podobnie jak głowica termostatyczna. W tym jednak przypadku za zmianę temperatury tego czynnika i tym samym jego objętość/ prężność odpowiada wbudowany element rezystancyjny.

Układ działa na temperaturach wyższych niż w klasycznych głowicach termostatycznych, aby czynnik nie reagował pod wpływem temperatury otoczenia i nie zakłócał procesu regulacji.

Element rezystancyjny jest podgrzewany pod wpływem przepływającego przez niego prądu dostarczanego przez sterownik (6). W roli sterownika wykorzystuje się często proste dwustawne regulatory temperatury pomieszczenia (tzw. on-off ) mające styk przełączny. W regulatorze znajduje się zespolony czujnik (CP) temperatury pomieszczenia oraz zadajnik temperatury (OZT), najczęściej z obrotowym pokrętłem. Zakres nastaw zadajnika zależy od typu regulatora, ale zazwyczaj z pewnym zapasem pokrywa zakres temperatur pomieszczeń wewnętrznych. Jeśli temperatura mierzona przez czujnik (CP) jest wyższa niż wartość zadana t_zad na zadajniku (OZT), układ załącza styk przestawny i kieruje prąd do siłownika (4), który zamyka zawór regulacyjny (3), ograniczając strumień czynnika płynący do grzejnika. Działanie jest więc analogiczne jak dla poprzednio omówionego układu. Przy spadku temperatury mierzonej przez czujnik (CP) poniżej wartości zadanej t_zad sytuacja jest przeciwna.
Tak opisany siłownik jest siłownikiem typu NO (normally open – normalnie otwarty), czyli takim, dla którego bez przyłożenia napięcia do elementu oporowego występuje stan otwarty zaworu. Na rynku są dostępne siłowniki, które działają odwrotnie, czyli jako NC (normally closed – normalnie zamknięty). Istnieją również siłowniki, których wariant pracy jest wybierany w trakcie montażu. Siłownik pokazano na rys. 3. Istnieją także siłowniki elektromotoryczne, w którym popychacz sterujący zaworem jest napędzany silnikiem elektrycznym. Zaletą takiego rozwiązania jest praktycznie zerowa bezwładność i działanie w czasie rzeczywistym podawania sygnału sterującego.
! Układ taki, chociaż rozwiązuje problem wynikający z zastosowania kapilary w przypadku głowic termostatycznych z wyniesionym czujnikiem, również ma istotne ograniczenia. Przede wszystkim ma dużą bezwładność cieplną siłownika, której skutkiem mogą być większe wahania temperatury w pomieszczeniu. Ponadto zasada działania jest oparta na sterowaniu dwustawnym, które z punktu widzenia regulacji jest rozwiązaniem gorszym niż nawet regulatory proporcjonalne, jakimi są głowice termostatyczne. Pozostałe funkcje układu są podobne jak poprzednio.

Mechanizm regulacji prostego regulatora typu on/off polega na:

• podaniu napięcia sterującego na siłownik (4) oraz powolnym zamykaniu zaworu (3) (w przypadku siłownika typu NO) spowodowanym powolnym rozgrzewaniem się czynnika roboczego w siłowniku (4); towarzyszy temu spadek strumienia płynącego czynnika;
• duża bezwładność cieplna grzejnika powierzchniowego powoduje jego powolne stygnięcie, za czym idzie spadek temperatury w pomieszczeniu, który trwa aż do momentu spadku poniżej temperatury zadanej na zadajniku regulatora;
• po spadku do tej wartości następuje wyłączenie napięcia zasilającego siłownik termiczny (4), jego powolne stygnięcie i powolne otwieranie zaworu (3); towarzyszy temu wzrost strumienia czynnika i powolne nagrzewanie grzejnika płaszczyznowego, a tym samym wzrost temperatury w pomieszczeniu;
• po przekroczeniu temperatury zadanej na sterowniku następuje zamknięcie zaworu (3) przez siłownik (4) i proces się powtarza.
• Taki sposób regulacji, przy uwzględnieniu bezwładności grzejnika i siłownika termicznego (4) oraz histerezy regulatora, powoduje wahania temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym.

Układ z regulatorem elektronicznym
Aby opisane wyżej zjawisko (wahania temperatury) zminimalizować, wykorzystuje się bardziej zaawansowane urządzenia regulacyjne – regulatory elektroniczne. Schemat układu z takim regulatorem zaprezentowano na rys. 4 Układ z regulatorem elektronicznym może wykorzystywać te same elementy co układ z regulatorem elektrycznym, elektrotermicznym lub elektromechanicznym. Regulacja w takim przypadku dalej ma charakter typu włącz–wyłącz (on-off), ale jest bardziej zaawansowana. Sterownik wysyła sygnały w sekwencjach i długościach trwania zależnych od różnicy między aktualnie zmierzoną temperaturą a wartością zadaną.

Opisując zasadę regulacji obrazowo, można stwierdzić, że prosty regulator elektryczny lub elektromechaniczny będzie czekał na przekroczenie temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu (lub jej spadek) w stosunku do wartości zadanej, zanim nastąpi jakakolwiek reakcja. Natomiast elektroniczny regulator impulsowy (6), na podstawie informacji o wielkości różnicy między temperaturą zadaną na regulatorze a temperaturą zmierzoną w pomieszczeniu, dopasuje swoją reakcję do aktualnej sytuacji – zareaguje mocniej lub słabiej. W pewnym sensie więc przewidzi reakcję układu grzewczego i będzie się dopasowywał do zmieniających się warunków.

Oczywiście, sposób reakcji jest zawsze taki sam, czyli „podaj napięcie” na siłownik (on) lub „nie podawaj” napięcia na siłownik (off ). Ważny jest natomiast nie tylko sam stan, ale i czas trwania poszczególnych stanów. Jeżeli wziąć pod uwagę charakterystykę siłownika, który cechuje się znaczną bezwładnością, to „podanie” napięcia (on) powoduje jego powolne zamykanie się, „zdjęcie” zaś napięcia (off ) – jego powolne otwieranie się. W przypadku podania szybkiej sekwencji stanów on i off, przy zachowaniu odpowiedniej proporcji trwania stanu on do stanu off, siłownik (a zatem także zawór) pozostaje w pozycji pośredniej między stanem otwartym (on) a stanem zamkniętym (off ). Położenie zaś pozycji pośredniej zależy od ilorazu czasu trwania impulsu (on) do przerwy między impulsami (off).

Częściowe otwarcie zaworu regulacyjnego (3) powoduje regulację wydajności grzejnika powierzchniowego w zależności od rzeczywistego zapotrzebowania na strumień czynnika grzewczego. Miarą tego zapotrzebowania jest uchyb, czyli różnica między wartością temperatury zadaną na zadajniku regulatora a wartością zmierzoną. W uproszczeniu można powiedzieć, że duża różnica temperatury oznacza duże zapotrzebowanie na strumień ciepła, mała zaś – stan bliski równowagi lub małe zapotrzebowanie na strumień ciepła. Przy dużej różnicy temperatury następuje znaczne otwarcie zaworu regulacyjnego (3) wskutek utrzymywania przez regulator (6) na siłowniku (4) stanu off znacznie dłużej niż stanów on. Przy małej różnicy temperatury następuje nieznaczne otwarcie zaworu regulacyjnego (3) przez utrzymywanie przez regulator (6) na siłowniku (4) stanu off znacznie krócej niż stanów on.
! Elektroniczne regulatory impulsowe mają zazwyczaj wiele dodatkowych zalet w stosunku do regulatorów elektrycznych. Umożliwiają programowanie czasu pracy, czasu obniżenia temperatury w pomieszczeniu lub całkowitego wyłączenia grzania, wyboru typu regulacji, ustawienia stałych regulacji itd.

Standardem jest programowanie czasu pracy w trybie dobowym, tygodniowym lub rocznym z automatycznym przełączaniem zegara na czas letni i zimowy. Ważna jest możliwość wyboru typu regulacji, np. typu PI czy P, wraz z funkcją ustawiania stałych regulacji oraz np. uwzględnienia wartości zakresu histerezy współpracującego siłownika.

Standardem jest także wyposażanie regulatora w wewnętrzny czujnik temperatury (CP1), a niektóre regulatory mają także możliwość wykorzystania czujnika zewnętrznego (CP2). Regulator z czujnikiem zewnętrznym pozwala regulować temperaturę powietrza w pomieszczeniu, w miejscu zabudowy czujnika, np. w miejscu publicznym, ogólnie dostępnym, podczas gdy sam regulator wraz z zadajnikiem może być usytuowany w miejscu niedostępnym dla osób trzecich. Jest to rozwiązanie analogiczne do regulacji za pomocą głowicy termostatycznej z wyniesionym czujnikiem. Regulatory mogą mieć też możliwość sterowania pracą pompy, jeśli ta jest wyposażona w falownik pozwalający płynnie zmieniać prędkość obrotową wirnika. Ponadto regulatory tego typu mogą być sterowane zdalnie, z użyciem np. smartfona i sieci internetowej.
! Dzięki zastosowaniu regulatora impulsowego, prosty sposób regulacji on-off daje niemal takie same efekty jak regulacja ciągła, a typowa wada siłownika w postaci opóźnionego bezwładnością działania zostaje wykorzystana do precyzyjnej regulacji temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym. Pozostałe funkcje układu są analogiczne jak poprzednio.

Literatura:
[1] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne. Wydanie II (rozszerzone i poprawione), PWN, Warszawa 2019