Obecně o regulaci Princip ETATHERM Energetický aspekt volby akčních členů

Letní čísla roku časopisů Elektroinstalatér a Český instalatér zveřejnila v roce 2008 náš rozbor energetické spotřeby akčních členů - termopohonů a servopohonů. Domníváme se, že tento pohled může být zajímavý i pro čtenáře našich webových stránek a zveřejňujeme ho na tomto místě v plném znění.

ENERGETICKÝ ASPEKT VOLBY AKČNÍCH ČLENŮ

nesoučasné regulace vytápění jednotlivých místností (IRC)

Dá se říci, že systémy pro individuální regulaci vytápění jednotlivých místností překonaly nedůvěřivost českého spotřebitele a zařadily se do oblíbené skupiny výrobků pro úsporu energie potřebné k vytápění. Nalezly své uživatele v domcích, bytech, školách, administrativních budovách, firemních objektech, ubytovacích zařízeních atd. Pro výběr z tržní nabídky domácích i zahraničních výrobců existuje řada hledisek. Podívejme se dnes na dosud pravděpodobně nehodnocené hledisko, kterým je energetická náročnost provozu akčních členů v teplovodních otopných soustavách.
Akční členy k ovládání průtoku otopného média radátorem jsou v zásadě dvojího typu:

I. TERMOPOHONY

Termopohony se vyrábějí až na vyjímky pro napájecí napětí 230V (AC) a 24V (AC/DC). Mohou být v provedení NO "normaly open" (normálně otevřené) nebo NC "normaly closed" (normálně zavřené). Pro soupravy k řízení regulace jednotlivých místností se zpravidla používají provedení NO s napájecím napětím 24V. Nevýhodou termopohonů s jednoduchým odporovým vyhříváním je dlouhá reakční doba; z tohoto důvodu naprostá většina výrobců používá konstrukci s pozistorem, který umožní rychlé zahřátí dilatačního elementu (za cenu krátkodobého zvýšení příkonu) s následným přechodem do udržovací fáze trvalého stavu sepnutí. Příkon termopohonu samozřejmě závisí také na teplotním rozsahu, ve kterém má pracovat. Ve skříních rozdělovačů podlahového vytápění bývá teplota až 45°C a použitý termopohon musí být na tuto teplotu necitlivý. Zvýšení necitlivosti ovšem vyžaduje zvýšení příkonu.

Základní parametry některých používaných typů termopohonů jsou shrnuty v tabulce. Údaje zapsané běžným písmem pocházejí z katalogů uvedených výrobců, údaje zapsané kurzívou jsou z katalogových údajů vypočítané pro účely srovnání (někteří výrobci uvádějí příkon, jiní proud).

výrobcemodeltypUI náběhovýI trvalýP náběhovýP trvalýteplota okolídoba zavírání
   VmAmAWW°Cminut
HeimeierEMO TNC/NO230 AC/DC  90 (1s)350~3
HeimeierEMO TNC/NO24 AC/DC  9350~3
DanfossTWA-ANC/NO230 AC/DC250 57,5 260~3
DanfossTWA-ANC/NO24 AC/DC350 8,4 260~3
HoneywellMT4NC/NO230 AC/DC~3001369 350~3
HoneywellMT4NC/NO24 AC/DC~6009014,4 350~3
MöhlenhoffAlphaNC/NO230 AC300 (0,2s)869 1,860~3
MöhlenhoffAlphaNC/NO24 AC/DC250 (120s)756 1,860~3
MMAVMNC/NO230 AC300869 250~3
MMAVMNC/NO24 AC/DC200707,2 250~3
taconovaRA57NC230 AC320773,6 245~3
taconovaRA57NC24 AC/DC270706,48 245~3
Coterm95REMNO24 AC/DC 32  0,76830~8
Coterm95REMNO48 AC/DC 18  0,86430~8

Skutečný průběh uvedených veličin v okamžiku zapnutí termopohonu a dalších několika minutách nebývá v katalogových údajích uveden. Na obrázku č. 1 jsou proto vyobrazeny grafické průběhy získané vlastním měřením skutečného termopohonu. Černá křivka představuje průběh el. proudu, modrá křivka průběh průměrného příkonu od okamžiku připojení napětí a červená křivka zdvih termopohonu (jeho končná úroveň je limitovaná skutečným uzavřením ventilu, na kterém byl termopohon nasazen). Konkrétní úrovně jsou závislé na okolní teplotě, která ovlivňuje míru vyzařování tepelné energie z ohřívaného termopohonu.

Obrázek č. 1

Měřený termopohon začal zavírat po uplynutí dvou minut od připojení napětí a k úplnému uzavření vetilu došlo v šesté minutě. Zvýšený počáteční příkon poměrně rychle klesá, ale jeho průměrná hodnota od okamžiku zapnutí (důležitá pro odhad spotřeby) samozřejmě klesá pomaleji; po dvanácti minutách od zapnutí je ještě na úrovni 1,5 násobku jmenovitého trvalého příkonu (Pjm).

Průměrná vlastní spotřeba energie termopohonu je v provozu závislá na mnoha faktorech. U běžně používaných typů NO je přirozeně největší spotřeba za začátku a na konci topného období, kdy je zima mírná a termopohony jsou častěji uzavřeny; naopak v době velkých mrazů je přívod otopného média značný a termopohony jsou častěji otevřeny. Uplatní se také nastavení ekvitermní předregulace teploty otopné vody, uživatelské požadavky na programy vytápění a řada dalších vlivů.

Vytvořme model "průměrného zimního dne průměrného uživatele" - mohl by to být např. všední den ve školní budově: v 6:00 se začíná topit (termopohony otevřou), kolem 8:00 již teploty dosahují požadovaných hodnot a začíná vyučování - budeme předpokládat, že termopohony budou regulovat se střídou 1:1 (12minut zavřeno, 12minut otevřeno). V 15:00 končí vyučování a termopohony uzavřou ventily; škola je vytopená, v programech naskočily útlumové teploty a místnosti budou pomalu chládnout. Předpokládejme, že chládnutí bude trvat cca 5 hodin. V následném časovém intervalu od 20:00do 6:00 příštího dne se uplatní regulace na útlumovou teplotu (předpokládejme, že termopohony budou otvírat pouze po dobu dvanácti minut během každé hodiny). Předpokládaný průběh spínání/odpínání termopohonu je znázorněn v časové ose na obr. č. 2.

Obrázek č. 2 - snímek průběhu regulace během jednoho dne

Množství elektrické energie spotřebované v našem příkladě během jednoho dne bude:

E = 10·0,9·Pjm + 7·0,75·Pjm + 5·Pjm = 19,25·Pjm

Jmenovité příkony termopohonů se obvykle pohybují v rozmezí 2 ÷ 3W, pro náš model tedy použijme průměrnou hodnotu 2,5W:

ET = 19,25·2,5 = 48,125Wh

II. SERVOPOHONY

Servopohony obsahují převodovku a malý elektromotorek. V případě malých servopohonů určených pro ovládání radiátorových ventilů jsou převodovky samodržné - udržují jakoukoliv polohu uzavření ventilu bez potřeby vnější energie. Regulace tak sestává pouze z občasných krátkých korekčních zásahů. Protože se vesměs jedná o regulaci plynulou, představují korekční zásahy většinou jen mírné přivření nebo otevření ventilu; plné otevření/zavření nastává zpravidla jen při přechodu programovaných teplot komfortní na útlumovou a naopak. Na rozdíl od termophonu ovšem servopohon spotřebovává energii pro zavírání i otvírání ventilu.

V našem výše uvedeném příkladě by se regulace servopohony chovala přibližně dle obr. 2. Předpokládejme, že korekční zásahy by nastávaly ve stejných intervalech; doba běhu však bude v některých intervalech nepochybně zřetelně kratší.

Pro srovnání zvolme elektronickou regulační hlavici se servopohonem Etatherm HS1s bezkomutátorovým elektromotorkem. Doba běhu v regulačním rozsahu ventilu trvá 6 sekund; při napájení 10V je proudové zatížení do 100mA.
V použitém modelovém příkladě by HS1 běžela dvakrát přes celý rozsah, jedenáctkrát přes poloviční rozsah a patnáctkrát přes čtvrtinový rozsah; celková doba běhu v průběhu dne by činila:

THS = 2·6 + 11·3 + 15·1,5 = 67,5s

a spotřebovala energii:

EHS = 67,5·10·0,1 = 67,5Ws = 0,01875Wh.

Pro aplikace malého rozsahu (garsoniéry, dvoupokojové byty) se někdy používají elektronické hlavice se servopohonem a bateriovým napájením. Příkladem je hlavice Honeywell HR20 napájená dvěma tužkovými bateriemi (1,5V), která programově přepíná mezi dvěma zvolenými teplotami (komfortní a útlumovou). Doba běhu přes celý regulační zdvih je cca 21s proudem cca 32mA. Obdobně jako v předchozím případě byla stanovena celková průměrná denní dobu běhu na:

THR = 2·21 + 11·10,5 + 15·5,25 = 236,25s

a spotřeba energie:

EHR = 236,25·3·0,032 = 22,68Ws = 0,0063Wh.

III. SROVNÁNÍ

V praktickém provozu jsou termopohony i servopohony napájeny ze zdroje vodiči různé délky i průřezu. V rámci objektivity musíme ztráty ve vedení i ve zdroji zahrnout do celkové spotřeby energie. Předpokládejme, že tato položka bude představovat cca 15%. Upravené hodnoty spotřeby budou:

ETU = 48,125·1,15 = 55,3Wh
EHSU = 0,01875·1,15 = 0,022Wh.
U servopohonu napájeného z baterií se uvedené ztráty neuplatní.

Ceny elektrické energie závisí na zvoleném tarifu i celkové spotřebě. V domácnostech se pohybují většinou zhruba mezi 2,60Kč/kWh (při používání vysokého i nízkého tarifu) a cca 5,90Kč/kWh (vysoký tarif, nízká spotřeba); pro naše odhady použijeme průměrnou hodnotu 4,25Kč/kWh.

Stanovení nákladů na spotřebu u bateriového napájení je složitější. Musíme se pokusit odhadnout energetickou kapacitu tužkového článku. Z pokusů se dá předpokládat, že článek bude použitelný až do poklesu svého svorkového napětí na 1,1V. Z vybíjecích charakteristik (článků AA firmy GP) by vycházela využitelná kapacita cca 0,42Wh. S ohledem na menší vybíjecí proud při napájení servopohonu můžeme použít poněkud optimističtější hodnotu - cca 0,6Wh.
Ceny i kvalita článků jsou ovšem značně rozdílné. Přijmeme-li jako průměrnou cenu článku 10,-Kč, činí cena takto získané energie 16,70Kč/Wh.

Výsledky modelového příkladu aplikace různých akčních členů pro ovládání radiátorového ventilu jsou shrnuty v následující tabulce:

akční členpůměrná spotřeba energie (Wh)cena energie pro provoz (Kč)
 za jeden denza jeden měsíc (30 dnů)za jeden měsíc (30 dnů)
průměrný termopohon55,3001659,007,0500
servopohon HS0,0220,660,0028
servopohon HR200,00630,193,1730

Modelový příklad regulace použitý v tomto článku nemusí být samozřejmě reprezentativní pro většinu aplikací. Čtenář si může relativně snadno uvedené údaje transformovat pro vlastní použití podle svých konkrétních podmínek. Cílem článku bylo upozornit na energetický aspekt volby akčních členů s ohledem na nutné provozní náklady, které se mohou lišit i o několik řádů. Již v běžném domku se čtrnácti řízenými radiátory mohou náklady na provoz termopohonů činit 100,-Kč/měsíc; ve školní budově s třemi sty radiátory pak může tato položka činit více jak 2 000,-Kč/měsíc. Pořízení individuální regulace je investicí do budoucnosti, ve které dozajista nelze počítat se snižováním ceny elektrické energie.

Obrázek č. 3 - příklad termophonu (vlevo) a servopohonu (vpravo) na rozdělovači pro podlahové vytápění