Практика применения регуляторов водяного отопления

В статье рассмотрена практика регулирования температуры в системе центрального водяного отопления.

Для регулирования температуры в системе водяного отопления основными регулирующим элементом является шаровый кран на трубопроводе горячей воды к радиаторам отопления.
При снижении температуры в помещении необходимо подать больше воды к радиаторам отопления. При слишком высокой температуре в помещении необходимо подавать меньше горячей воды к радиаторам отопления.

Эту задача поручают автоматике, которая замеряет температуру воздуха и подает горячую воду к радиаторам в необходимом количестве.

Для регулирования необходимо три элемента:

• датчик температуры для замера температуры воздуха
• шаровый кран для изменения расхода горячей воды
• регулятор, вычисляющий на сколько следует открыть/закрыть шаровый кран.

Датчик температуры для отопления может быть по принципу измерения температуры на основе изменение сопротивления металлического сенсора (термосопротивление) или на основе полупроводникового сенсора (термистор). Термисторы чаще используются не самостоятельно, а в составе встроенного оборудования или в цифровых датчиках температуры. Наиболее традиционным и простым в применении является термосопротивление.

Термосопротивления подключаются напрямую в случае небольшого расстояния от датчика температуры и незначительных электромагнитных помехах. Для сокращения искажений от кабеля применяется трехпроводная или четырехпроводная схема подключения:
В последнее время широко применяются датчики температуры со встроенным преобразователем сопротивления термосенсора в сигнал 4-20мА.

Такой датчик называется датчиком с унифицированным токовым выходом 4-20мА. Основные преимущества токовых датчиков: возможность подключения к длинным кабелям (до 200 метров), высока помехоустойчивость, независимость от материала термосенсора, только два провода для считывания сигнала с термодатчика. Из недостатков можно назвать необходимость использования источника напряжения, обычно 24В.

Возможны два варианта регулирования потока горячей воды через радиаторы.

Первый вариант

Когда вся вода протекает через радиатор. В этом случае необходимо обеспечить прохождение всего потока горячей воды от системы отопления и частичный поток на радиаторы отопления. Для этой цели используются трехходовые шаровые краны:
Такие краны позволяют разделить поток на два направления - на радиаторы отопления и в обход радиаторов отопления. Таким образом температура радиаторов снижается и снижается температура воздуха в помещении.

Второй вариант

Когда горячая вода ответвляется к радиатору отопления от общего трубопровода. В этом случае достаточно перекрывать поток воды к радиаторам. Для перекрытия потока к радиаторам применяется двухходовый шароый кран.
Устройство для автоматического поддержания температуры называется регулятор температуры. Регулятор температуры имеет вход для датчика температуры и выход для открытия/закрытия шарового крана на трубопроводе теплоносителя.

Для того чтобы регулятор мог открывать/закрывать кран, на кран устанавливают электропривод. В простейшем случае электропривод имеет два входа: напряжение на одном входе электропривода открывает кран, напряжение на другом входе электропривода закрывает кран. Такой электропривод называется с дискретным управлением.

Типовая схема подключения привода постоянного тока с дискретным управлением такая:
Если кран с электроприводом может находится в трех состояниях (открыт, закрыт, промежуточное состояние) со снятым с привода напряжением, то кран называется трехпозиционный.

ПРИМЕЧАНИЕ: подача напряжения на два входа электропривода одновременно приведет к сгоранию обмоток электропривода, поэтому выполняются блокировки от одновременной подачи напряжения на два входа.

Для регулирования дискретным трехпозиционным приводом необходимо подавать напряжение на вход ОТРЫТЬ или ЗАКРЫТЬ импульсами, длительность которых меньше времени полного закрытия крана.

Например, если время поворота крана от открытого (0 градусов) до закрытого состояния (90 градусов) составляет 120 секунд, то подавая напряжение на привод в течение 60 секунд, установим кран в промежуточное положение 45 градусов. Чтобы прикрыть или приоткрыть кран достаточно подать короткий импульс напряжения в несколько секунд, подождать изменение температуры и если температура изменилась недостаточно, то подать опять короткий импульс напряжения и опять подождать изменения температуры и т.д.

Такой принцип регулирования называется широтно-импульсный. Преобразователь из числового значения температуры в импульсный выход называется широтно-импульсным модулятором, сокращенно ШИМ.

Для управления трехпозиционными кранам применяются регуляторы с ШИМ-выходом.
Алгоритм управления следующий. Регулятор считывает значение температуры воздуха с датчика температуры, сравнивает с температурой которую надо поддерживать (уставкой), выдает разность между температурой воздуха и уставкой на ШИМ, в свою очередь ШИМ выдает короткий импульс, эквивалентный этой разности.

Под словом "эквивалентный" подразумевается не точное соответствие разнице температур, а пересчитанное значение по специальному правилу. Наиболее точный регулятор выполняет расчет трех составляющих разницы температур - пропорциональной, интегральной и дифференциальной - суммирует их, и уже полученную сумму подает на ШИМ.

Регуляторы, рассчитывающие пропорциональную, дифференциальную и интегральную составляющие отклонения, называются ПИД-регуляторами. Современные ПИД-регуляторы совмещают с ШИМ-мом.

Вот уточненный список оборудования для регулирования температуры радиаторов:

• датчик температуры для замера температуры воздуха
• двухходовы или трехходовый трехпозиционный кран (обычно шаровый) с электроприводом с дискретным
управлением для изменения расхода горячей воды
• ПИД-регулятор с ШИМ-выходом, вычисляющий на сколько следует открыть/закрыть шаровый кран.

Схема автоматического регулирования температуры на основе ПИД-регулятора ОВЕН с ШИМ-выходом, двухходового трехпозиционного электрокрана JES и термодатчика ОВЕН с унифицированным токовым выходом с медным сенсором на ниже следующем рисунке: