Zawory regulacyjne stanowią bardzo ważny element instalacji klimatyzacji i grzewczych. W procesie regulacji pełnią rolę wykonawczą, realizując zadanie podyktowane przez układ automatyki. Właściwa praca zależy od poprawności doboru zaworu regulacyjnego, ale także odpowiedniej konfiguracji pozostałych elementów jakim m.in. jest siłownik.

Rys. 1. Układ blokowy pętli regulacyjnej

W poprzednich artykułach z cyklu o doborze zaworów regulacyjnych, uwaga została skupiona głównie na opisaniu określonych parametrów oraz przedstawieniu metodyki wyznaczania wielkości, na podstawie których należy dokonać wyboru optymalnej armatury. W tym artykule bliżej omówione zostaną zagadnienia regulacji oraz procedura doboru siłowników, co oczywiście ściśle powiązane jest z tematyką doboru armatury regulacyjnej.

Pętla regulacyjna
W artykule: Zawory regulacyjne w instalacjach klimatyzacji i grzewczych cz. 1. pojawiło się określenie: pętla regulacyjna. Pojęcie to jest mocno powiązane z tematyką procesu regulacji i z uwagi na treść artykułu konieczne jest jego dokładniejsze omówienie. Klasyczna pętla regulacyjna (rys. 1.), zwana także obwodem regulacji, składa się z czterech podstawowych elementów:
• regulatora,
• urządzenia wykonawczego,
• obiektu regulacji,
• czujnika pomiarowego.

Zadaniem pętli jest przeprowadzenie procesu regulacji, polegającego na ciągłym wyznaczaniu wielkości regulowanej i porównywaniu jej z wartością zadaną. W momencie przekroczenia założonej odchyłki pomiędzy wartościami, celem regulacji jest możliwie szybkie wyrównanie wielkości regulowanej do wartości zadanej i stabilizacja parametrów mimo pojawiających się zakłóceń.

Układ regulacji temperatury pomieszczenia jest typowym przykładem pętli regulacyjnej. Wielkością regulowaną x jest temperatura w pomieszczeniu. W sposób ciągły jest ona mierzona i porównywana z wartością zadaną U np. 20°C. Jeżeli zmierzona temperatura pomieszczenia różni się od wartości zadanej, wówczas regulator koryguje pozycję zaworu. Wpływa to na zmianę ilości czynnika, a tym samym wydajność instalacji, czego skutkiem jest oczywiście zmiana temperatury w pomieszczeniu. W ten sposób kompensowane są wpływy wielkości zakłócających jak np.: zmiana temperatury zewnętrznej, otwarcie okna, dodatkowe zyski od ludzi itp. Efektem końcowym jest natomiast odczuwalna stała temperatura w pomieszczeniu. To na ile temperatura ta jest stabilna i na ile precyzyjnie układ potrafikorygować zakłócenia, w dużej mierze zależy oczywiście od doboru armatury, ale także m.in. od założonego rodzaju regulacji.

Rodzaje regulacji
Podczas projektowania układów HVAC, jeszcze przed doborem konkretnych urządzeń, należy postawić pytanie: jaki rodzaj regulacji chcemy zastosować? Czy regulacja ma działać dwustawnie tzw. układ ON/OFF, czy być może proces regulacji ma zapewniać możliwość płynnej zmiany wydajności układu w celu dokładniejszego utrzymywania zadanych parametrów, co nosi nazwę regulacji płynnej.

Chcąc ogólnie sklasyfikować rodzaje regulacji, należy je podzielić na systemy regulacji nieciągłej i ciągłej.

Regulacja nieciągła typu ON/OFF
Sygnał regulacji może przyjmować tylko jedną z dwóch różnych wartości skokowych – ON lub OFF (ten tryb regulacji jest również nazywany 2-punktowym). W praktyce oznacza to, że zawór regulacyjny jest całkowicie zamknięty lub całkowicie otwarty. Wartość zmiany temperatury w pomieszczeniu niezbędna do przełączenia przez regulator z jednego stanu w drugi zwana jest histerezą. Przechodzenie każdorazowo zaworu w stan skrajny powoduje, że do pomieszczenia dostarczana jest zbyt duża lub zbyt mała ilość energii cieplnej bądź chłodniczej. Nie pozwala to na uzyskanie stabilnego stanu oraz objawia się ciągłą oscylacją temperatury, której wahania z uwagi na dodatkowy czas pracy siłownika oraz bezwładność urządzenia wykraczają powyżej histerezę termostatu i mogą być na poziomie nawet ±2 K (rys. 2.).

W instalacji grzewczo-chłodniczej, gdzie do termicznego uzdatniania powietrza w pomieszczeniu stosowane są urządzenia wentylatorowe, rzeczywiste odczucia użytkowników mogą być jeszcze bardziej niekorzystne. Osoba przebywająca w pomieszczeniu, której np. stanowisko pracy zlokalizowane jest bezpośrednio w przestrzeni strumienia powietrza nawiewanego z urządzenia, narażona jest na kontakt z powietrzem, którego różnica temperatury może sięgać nawet 10 K. Zjawisko takie zwane jest odczuciem przeciągu i powoduje realne wrażenie dyskomfortu, mimo że termometr zainstalowany w termostacie (na ścianie) wskazuje zmianę jedynie rzędu ±2 K

Jednakże mimo wielu ograniczeń i przeciwwskazań regulacja ON/OFF jest w wybranych przypadkach uzasadniona. W szczególności gdy wymagania względem dokładności regulacji (zależne od wymagań komfortu i zużycia energii) są umiarkowane i proces regulacji jest raczej powolny w reakcji. Przykładem instalacji HVAC z regulacją dwustawną jest sterowanie temperaturą w pomieszczeniu z ogrzewaniem podłogowym. Wymagania dotyczące dokładności regulacji są tu umiarkowane np. ±2°C. Ponadto tempo procesu jest powolne z powodu dużej akumulacyjności posadzki grzewczej oraz bezwładności pomieszczenia.

Regulacja nieciągła typu PWM
Szczególną postacią regulacji włącz/wyłącz jest regulacja PWM (pulse width modulation). Regulacja polega na modulacji szerokości impulsu i jest polepszoną regulacją dwustawną (rys. 3, B). Sygnał „włącz” jest utrzymywany przez czas proporcjonalny do uchybu regulacyjnego i czasu jego trwania. W efekcie zawór może osiągać również pośrednie stany otwarcia. Tryb regulacji PWM wykorzystuje cechę siłowników elektrotermicznych, jakim jest dość długi czas otwierania/zamykania. Tempo przejścia siłownika jest efektem wygrzewania substancji (np. rodzaj wosku), który podczas ogrzewania przez grzałkę elektryczną zwiększa swoją objętość, co powoduje popychanie trzpienia i zmianę pozycji zaworu. Bezwładność zawartej w siłowniku substancji powoduje, że czas przejścia z dwóch skrajnych położeń wynosi około 3 minuty. Odpowiednie dostosowanie długości okresu podawania napięcia (szerokości impulsu), czyli ogrzewania cieczy oraz przerw pomiędzy impulsami, pozwala utrzymywać pozycję siłownika w pewnym zakresie pomiędzy minimum a maksimum otwarcia. Tym samym przyczynia się to do zmniejszenia oscylacji temperatury, jaka występuje w standardowym procesie ON/OFF.

Regulacja nieciągła 3-punktowa
Innym typem regulacji nieciągłej jest regulacja 3-punktowa, w której sygnał regulacyjny może przyjmować 3 stany – otwieranie zaworu siłownikiem, zamykanie i postój. Głównym wymogiem, jaki musi spełniać układ, w którym jest uzasadniony ten typ regulacji, to szybkość reakcji. W związku z powyższym, to rozwiązanie jest zazwyczaj stosowane do regulacji temperatury w systemach zasilania w instalacjach ciepłowniczych i grzewczych. Polega najczęściej na zmianie pozycji zaworu 3-drogowego co powoduje modyfikację proporcji strumienia wlotowego A i bajpasu B. Reakcja w wyniku korekty położenia grzybka zaworu jest natychmiastowa w postaci zmiany temperatury strumienia wody zmieszanej na porcie AB. Szybka odpowiedź układu pozwala na niewielkie korekty w ustawieniu zaworu. Przy regulacji temperatury cieczy podawanej na instalację np. w oparciu o krzywą grzewczą, regulacja trójstawna zapewnia dużą dokładność, która określana bywa jako quasi-ciągła. Regulacja 3-punktowa nie jest natomiast zalecana do regulacji obwodów, w których może pojawić się opóźnienie reakcji mierzonej wielkości, po zmianie pozycji zaworu. Układ ten wymaga szybko reagujących systemów, w przeciwnym razie będzie działać, jak system ON/OFF. Przykładem błędnej pętli regulacyjnej z użyciem regulatora 3-stawnego jest bezpośrednia regulacja temperatury w pomieszczeniu np. z wykorzystaniem klimakonwektora.

Rys. 2. Oscylacja temperatury pomieszczenia przy regulacji ON/OFF. Przyczyny dużej amplitudy

Regulacja ciągła
Większe żądania i/lub większy stopień skomplikowania sterowania wymagają regulacji, która daje możliwość zmiany rezultatu w więcej niż kilku krokach. Regulacja modulacyjna działa poprzez ciągłe kroki, które czynią ją bardziej poprawną (rys. 3, C). Taka jakość regulacji jest ważna w wielu procesach, np. gdy powietrze nawiewane jest chłodzone za pomocą wymiennika w centrali wentylacyjnej. Regulacja ciągła jest pojęciem o szerokim znaczeniu, zawierającym zarówno raczej proste tryby regulacji, takie jak regulacja proporcjonalna (np. termostaty), jak również bardziej kompleksowe np. PID. Im większe są wymagania i/lub im ciężej jest regulować system hydrauliczny, tym bardziej wyszukana jest regulacja modulacyjna (ciągła), droższe wyposażenie regulacyjne, jego instalacja i rozruch. Przykładem regulacji ciągłej jest regulacja wydajności nagrzewnic oraz chłodnic w centralach wentylacyjnych w celu uzyskania zadanych parametrów powietrza nawiewanego.

Wybór rodzaju regulacji (...)

Podstawowe kryteria przy doborze siłownika związane z typem regulacji (...)

Podstawowe kryteria przy doborze siłownika związane z parametrami zaworu regulacyjnego (...)

Parametry konstrukcyjne siłownika z uwagi na warunki pracy (...)

Parametry konstrukcyjne siłownika z uwagi na proces równoważenia (...)

Programy doboru (...)

Podsumowanie
Bardzo ważnym etapem przy projektowaniu instalacji wodnych jest dobór zaworów regulacyjnych. Jednak jak pokazuje powyższy artykuł, na tym nie kończy się dbałość o zapewnienie odpowiedniej jakości regulacji. Aby proces ten móc uznać za zakończony musi zostać określony dokładny rodzaj regulacji uwzględniający charakter instalacji oraz stawiane przed nią wymagania. Należy także pamiętać o właściwym wyborze typu siłownika. Dobór taki powinien być sporządzony, uwzględniając:
• rodzaj przyjętej regulacji (płynna, 3-stawna, ON/OFF, PWM),
• wartość napięcia sygnału z regulatora,
• skok zaworu,
• maksymalne ciśnienie różnicowe na zaworze regulacyjnym,
• charakterystykę zaworu,
• rozdzielczość regulacyjną,
• IP – mówiące o odporności na zapylenia oraz wilgoć,
• dopuszczalną temperaturę otoczenia,
• odporność konstrukcji na wysokie temperatury czynnika,
• możliwość pracy w trybie ręcznym i automatycznym.

Warto także w tym miejscu pamiętać o narzędziach, które taki dobór ułatwiają: programy doborowe (TA Select), karty katalogowe o komplecie danych, instrukcje montażu i użytkowania.

LITERATURA
[1] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 1. CHiK 11/2011
[2] Hydrauliczne równoważenie obwodów regulacyjnych. Zeszyt nr 3.TA Hydronics
[3] Robert PETITJEAN: Total Hydronic Balancing. TA Hydronics
[4] Karoly VINKLER, Miklos JAVORI: Hydronic balancing. TA Hydronics
[5] RECKNAGEL, SPRENGER, SCHRAMEK: Kompendium wiedzy. Ogrzewnictwo Klimatyzacja Ciepła Woda Chłodnictwo [6] Hans ROOS: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego
[7] Materiały szkoleniowe TA Hydronics
[8] Równoważenie i regulacja małych odbiorników końcowych, Polski Instalator 10/2009