Fűtés, hűtés, légkezelés vezérlése KNX/EIB rendszerrel
2008/7-8. lapszám | Balogh Zoltán | 6075 |
Figylem! Ez a cikk 17 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Több tanulmány is bizonyította, hogy az épületek működési energiaköltségének legnagyobb részét a fűtési/hűtési rendszerek fogyasztása teszi ki. Pontosabban az épületek megfelelő hőmérsékletének tartására felhasznált energia költsége az összes kiadás akár több mint 70%-a is lehet. Ez egy átlagos háztartásra vetítve azt jelenti, hogy minden 100 Ft költségből 70 Ft-ot költünk az épület fűtésére és hűtésére, míg a fennmaradó 30% fedezi a TV-készüléktől a kert világításig a többi fogyasztó üzemköltségeit. Ebből egyenesen következik, hogy ha sikerül a fűtés, a hűtés, a légkezelés megfelelő vezérlésével az energiafelhasználást csökkenteni, akkor az jelentős épület-üzemeltetési költségcsökkentést is eredményezhet.
Természetesen számos passzív megoldás van a költségek csökkentésére, mint például több és jobb hőszigetelés kiépítése vagy gazdaságosabb kazán vásárlása, de mi most az épületvillamosság és az automatizálás szemszögéből fogjuk ezt a kérdéskört végigjárni. Azt vizsgáljuk meg, hogyan lehet egy megfelelően kialakított KNX/EIB rendszerrel energiát megtakarítani úgy, hogy közben a komfortfokozat a maximális szintet érje el. Mielőtt részleteznénk az EIB/KNX rendszerre jellemző megoldásokat, vegyünk át néhány alapfogalmat, amelyek alkalmazása szükséges a könnyebb érthetőség érdekében.
Elsőként azt kell kiemelni, hogy a fűtés és hűtés esetében a hőleadást biztosító eszköz teljesítményét a fűtő- vagy hűtőfolyadék áramlási mennyiségével szabályozzuk, más szóval a tömegáramot határozzuk meg. Azaz, a radiátoron elhelyezkedik egy szelep, amelynek nyitásával, zárásával állíthatjuk be a kívánt hőfokot. Ilyenkor a szelepet háromféle módon szokták szabályozni.
Az első és legegyszerűbb eset az úgynevezett 2 pont szabályzás. Ebben az esetben a szelepet vagy nyitjuk, vagy pedig zárjuk. Nincsen köztes állapot, csak a teljes nyitás vagy zárás állapotai, s ehhez általában elektro-termikus szelepmozgatókat használnak. Ennek működési elve igen egyszerű. Ha a mozgató feszültséget kap, egy termoelem elkezd benne melegedni, amelynek hatására a szelep kinyit. Amikor megszűnik a feszültség, akkor egy rúgó visszahúzza a szelepet a zárási állásba. Ezért ezt a megoldást egy „kommersz” szobatermosztáttal is megoldhatjuk, aminek a kimenetén egy relé van, s ez rákapcsolja vagy éppen elveszi a feszültséget a szelepmozgatótól.
A következő, kifinomultabb módszer a folyamatos vagy PI-szabályozás. Ebben az esetben a szelepnek nem csak két állása (zárt és nyitott) van, hanem ez a két végállás között tetszőleges helyzetbe állítható. Ilyen szelepállítóművet láthatunk az 1. ábrán.
1. ábra
2. ábra
Ez nem más, mint egy 255 lépéses léptetőmotor. Ennek segítségével lehetőség nyílik a finomabb szabályzásra is. Így elkerülhetővé válik az a probléma, ami a 2 pont szabályzás esetében fellép, hogy tudniillik a ki- bekapcsolások miatt a szelepek „rángatják” a rendszert, amely megterhelheti a keringető szivattyúkat. Természetesen PI-szabályzáshoz nem elegendő egy olyan termosztát, amely csak kapcsol egy relét. Ehhez már egy kifinomultabb készülékre van szükség, amely képes a (0-255) lépéseket 1 Byte-os információként elküldeni a szelepmozgatónak. Egyetlen hátránya ennek a megoldásnak a viszonylag magasabb beszerzési ár.
A harmadik megoldás az előző kettő kombinációjából áll elő. Ez az úgy nevezett PWM (Pulse Width Modulation), azaz pulzusszélesség-moduláció. Ennek a lényege az, hogy a vezérlőelem nem relé kimenetet tartalmaz, hanem egy triakos szabályzás segítségével a kimeneti feszültséget változtatja. Egészen pontosan a kimeneten a pulzusszélesség változtatásával a kitöltési tényező is változik. Ennek eredményeképpen pedig, ha a kimenetére egy elektrotermikus szelepállítóművet kapcsolunk, akkor az úgy fog viselkedni, mintha folyamatos szabályzásunk lenne. Történetesen amennyiben az elektrotermikus szelep feszültséget kap, úgy nem azonnal nyit, hanem ehhez bizony időre van szüksége. Ez akár percekben is mérhető. Így tehát ha a teljesítményt szabályozzuk, akkor a PWM-módszerrel a szelepet a két végállás közé is beállíthatjuk. Ezzel megvalósíthatjuk a folyamatos vagy PI-szabályzást egy egyszerű elektrotermikus szelepmozgatóval. Tehát költséghatékony módon, de „professzionális” módon szabályozhatjuk a fűtési vagy épen hűtési rendszerünket.
Mint ahogy az a fentiekből talán már kiderült, azoknál a fűtő- vagy hűtőkészülékeknél, amelyeknél a leadott hőmennyiség az átfolyó folyadék mennyiségétől függ, jobb, ha folyamatos szabályzást választunk. Tehát ha padló-, radiátor-, vizes fal-, mennyezetfűtési, -hűtési rendszerünk van, akkor ez a módszer ajánlott.
Természetesen egy split-klíma vagy egy fan-coil esetében a 2 pont szabályozás bőven elegendő, hiszen ezeknél a készülékeknél a hőleadást a beépített ventilátor forgási sebessége határozza meg. Ugyancsak elegendő a 2 pont szabályzás elektromos fűtések esetében, amikor például a fürdőszobába elektromos padlófűtést szerelnek.
A fan-coil készülékek alkalmazása egyre elterjedtebb, elsősorban azonban főleg középületek esetében, lakóházaknál ritkán alkalmazzák. Ez a készülék egy autó hűtőjéhez hasonló hőleadó elemet és egy ventillátort tartalmaz. Ebben az elemben keringtetik a szükségleteknek megfelelően a meleg- vagy éppen a hidegvizet. Ebből következik, hogy ez a készülék fűteni és hűteni is tud, attól függően, hogy milyen vizet (folyadékot) keringetnek benne. Ha azonban nem megy a ventilátor, akkor szinte nem is ad le hőt (kb. 2-4%). A ventillátornak rendszerint 3 fokozata van, valamint a kikapcsolt állapot. A folyadék oldalon elegendő 2 pont szabályzást alkalmazni. Azonban ezen túlmenően a ventilátor fokozatát is állítania kell, annak függvényében, hogy a beállított és a mért hőmérséklet között mennyire nagy a különbség. Tehát automatikusan kell kiszámolnia a szoba-termosztátnak, hogy nyitni vagy zárni kell-e a szelepet, illetve ha nyitni szükséges, akkor a ventilátor hányadik fokozatban járjon. Természetesen mondanom sem kell, hogy a ventilátornak mindig csak az egyik fokozata kaphat feszültséget, mert különben tönkremegy. Tehát nem használhatok a vezérlésére közönséges relé-kimeneteket, hiszen meg kell oldani az egyes fokozatok reteszelését. Soha, semmilyen körülmények között nem lehet egy pillanatra se több kimeneten is feszültség, mindig csak az egyik fokozaton.
Létezik 2- és 4-csöves fan-coil berendezés. A 2-csöves esetében létezik egy bejövő és egy elmenő ág. Ebben vagy hideg, vagy meleg folyadékot keringtetnek. A 4-csöves esetében egy időben a hideg és a meleg ág is rendelkezésre áll. Tehát megtehetem, hogy az egyik helyiségben fűtök, míg a másikban a hűtést üzemeltetem. Ez konkrét igényként jelentkezhet egy nagy, észak-déli fekvésű épületnél, ahol előfordulhat, hogy tavasszal és ősszel a déli oldalt már hűteni kell, míg az éjszaki oldalon még fűtési funkcióra van szükség.
Az előzőekből már következik, hogy egy olyan megoldásra van szükség a fűtés/hűtés vezérlésére, amely képes a fent bemutatott alapelvek szerint működni. Természetesen a KNX/EIB rendszerhez számtalan szobatermosztátot és beavatkozó elemet találunk a legkülönbözőbb vezérlési feladatok ellátására.
A tipikusabb termosztátok képesek a fűtés és hűtés egyidejű kezelésére. Az intelligens készülékeknek külön kimenete van a fűtési és a hűtési szelepekhez. Beállíthatjuk, hogy 2 pont vagy folyamatos szabályozást akarunk alkalmazni, természetesen kimenetenként külön-külön. Tehát ha például van egy radiátoros fűtésünk és egy split- klímánk a nappaliban, a fűtési kimenetet folyamatos-, míg a hűtési kimenetet 2 pont szabályozásra állítjuk. Bizonyos termosztátok képesek 3 független kör egyidejű szabályzására is.
Képzeljük el, hogy a nappaliban a radiátor és a split-klíma mellett még padlófűtésünk is van. Ekkor 3 berendezést is szükséges szabályoznunk. Tehát a szobatermosztátnak önállóan el kell tudnia dönteni, hogy éppen melyiket és hogyan szabályozza. Beáll&´tható például az, hogy a padlófűtés legyen az elsődleges és a radiátor csak a kisegítő fűtés. Vagyis a szobatermosztát mindaddig a padlófűtést részesíti előnyben, amíg az képes kielégíteni a kívánt igényt. Ha azonban kevés a teljesítménye, akkor elkezdi a radiátoros kört is egyre jobban bevonni a fűtésbe.
A következő ábrákon láthatunk példákat a KNX/EIB szobatermosztátokra. Az 2. ábra egy „hagyományos” szobatermosztátot mutat. Ilyenek voltak az első sorozatok megoldásai még 1992-ben. A 3. ábrán egy fan-coil vezérlésére alkalmas szobatermosztát látható, míg a 4. ábrána jelenleg kapható, legkomplexebb szolgáltatásokat nyújtó készülék, amely még esztétikailag is kitűnik a termékek tömegéből.
3. ábra
4. ábra
A legtöbb KNX/EIB termosztát 5 üzemmóddal rendelkezik. Ezek a komfort, a készenléti (standby), az éjszakai (csökkentett), a fagyvédő és a túlmelegedés ellen védő módok. A többféle üzemmódnak köszönhetően igen egyszerű az épületek hőmérsékletszabályozása és könnyedén megvalósíthatunk látszólag bonyolult, összetett vezérlési feladatokat is. Az egyes üzemmódok között ugyanis a buszon érkező jelekkel átválthatjuk a termosztátok működését.
Az egyszerűség kedvéért képzeljünk el egy nappalit, amiben a termosztátunknak a fűtést és a hűtést egyaránt szükséges vezérelnie. Amikor otthon vagyunk, akkor a készülék készenléti vagy standby üzemmódban van. Például télen 21 °C-ot kell tartania. Ha azonban leülünk a tévé elé, kevesebbet mozgunk, ezért a TV-nézés világítási kép előhívásakor (erről már egy korábbi cikkben részletesebben írtunk) a termosztát kap egy jelet, hogy kapcsoljon komfort üzemmódba. Ehhez az üzemmódhoz például 23 °C tartozik. Tehát most már melegebben kell tartania a helyiség hőmérsékletét. A standby és a komfort fokozat között egy jelenlét-érzékelő is kapcsolhat. Tehát ha azt akarom, hogy amikor valaki tartózkodik a szobában, akkor a hőmérséklet legyen magasabb, nem kell mást tennem, mint a standby és a komfort üzemmódok közötti váltást a jelenlét-érzékelőre bízom (5. ábrán).
Éjszakára vagy éppen nappalra, amikor dolgozunk és nincs senki otthon, a kapcsolóóra csökkentett üzembe kapcsolja a termosztátunkat és ettől fogva egy alacsonyabb (pl. 17 °C) hőmérsékletet kell csak tartani. Mire hazaérek, a termosztát üzemmódot vált és kellemes hőmérséklet fogad.
5. ábra
6. ábra
A fagyvédett üzemmódot két esetben is szokták alkalmazni, ennek hőmérséklete ugyanis általában 5-7 °C között van. Az egyik alkalmazás az, hogy ha hosszabb időre megyünk el otthonról (pl. síelni), akkor elegendő a lakást éppen csak annyira fűteni, hogy a berendezések és a növények ne fagyjanak el: azaz feleslegesen ne fűtsük túl a lakást. Mielőtt hazaérünk, „csak felhívjuk a házat” és a fagyvédett üzemmódból készenlétibe kapcsoljuk a termosztátokat, ami azonnal elkezdi felfűteni a helyiségeket.
Másik alkalmazás az, amikor összekapcsolják a KNX/EIB rendszert a vagyonvédelemmel. Ekkor az egyes helyiségekben lévő külső nyílászárókról kaphatunk jeleket, hogy történetesen azok nyitott vagy zárt állapotban vannak-e. Ha az adott szobában kinyitjuk valamelyik ablakot vagy a teraszajtót, akkor a riasztótól érkező jel alapján az adott szobában lévő termosztátunk fagyvédett üzembe kapcsol. Tehát azonnal lezárja a szelepet és mindaddig nem fűt a rendszer, amíg a szellőztetést be nem fejeztük. Akik ismerik a termosztatikus szelepek működését, azok láthatják, hogy ez a megoldás pont ellenkezően működik. A KNX/EIB rendszer ugyanis ahelyett, hogy a nyitott ablakok miatt még jobban fűtene, mint ahogy azt a termoszelepek teszik, energiát takarít meg azzal, hogy nem engedi az utcát fűteni, hiszen a szellőztetés idejére lezárja a szelepeket. A túlmelegedés elleni védelem üzemmódja hasonló a fagyvédettéhez, csak éppen nyáron alkalmazzák, amikor a termosztát nem a fűtést, hanem a hűtést vezérli. A működési logika azonos a fűtés esetében bemutatottal.
Természetesen egy házban több szobatermosztátot is lehet telepíteni. Vannak olyan feladatok, amikor az összes együttesen működik: például hosszabb távollét esetén fagyvédett üzemben működnek. De amikor csak a nappaliban szellőztetünk, értelemszerűen csak abban a helyiségben zárjuk el a fűtést vagy éppen kapcsoljuk ki a légkondicionálást.
Egy komfortos és energiatakarékos családi házban nem alkalmazhatunk csak egy termosztátot. Az egyes légtereket külön-külön célszerű szabályozni. Biztosan mindenki találkozott már azzal a problémával, hogy egy többszintes családi ház esetén, amikor csak egyetlen termosztát van a lakásban, hatalmas hőmérséklet-különbség lehet az emeleti és a földszinti szobák között. Hiszen egy termosztát nem képes valamennyi helyiség hőmérsékletét megfelelően szabályozni! Nem beszélve arról, hogy más-más időszakokban használjuk az egyes helyiségeket és ennek megfelelően a fűtés-, hűtésvezérlés is eltérő az egyes szobákban. Gondoljuk csak bele a következőbe: a nappalit délután és este használjuk, amikor hazaértünk a munkából, a hálószobát csak este. A fürdőszobába reggel és este tartózkodunk leginkább. Ezért az időprogramnak is ehhez kell alkalmazkodnia. Ez pedig csak akkor lehetséges, ha az egyes helyiségekbe külön-külön szobatermosztátot szerelünk fel.
Az előző számban olvashattak a redőnyvezérlésről. Abban a cikkben bemutattuk, hogy a fűtés-, hűtésvezérlés, valamint a redőnyök összehangolt vezérlése energiát takaríthat meg. Képzeljük el, hogy a nappalin hatalmas üvegfelületek találhatók. Ez télen jó nekünk a fűtés szempontjából, hiszen napközben, amikor napsütéses az idő, a Nap sugarai segítenek a szobát melegíteni. Éjszaka azonban ezek a nagy üvegfelületek, amelyeknek lényegesen rosszabb a hőszigetelő képessége, mint a falaknak, nagyon sok energiát engednek ki a szabadba. Ha viszont ilyenkor a KNX/EIB rendszer leereszti a redőnyöket, akkor azok és az üvegfelületek között lévő levegőréteg, mint egy természetes hőszigetelő, segít csökkenteni a hőveszteséget.
Nyáron, amikor a szobát hűtjük, célszerű napközben a redőnyöket olyan pozícióba állítani, hogy azok a közvetlen napsugárzástól óvják a szobát. Ezáltal nem kell egy „üvegházat” hűtenünk, és kevesebb energia is elegendő a szoba klimatizálásához.
Ahogy egyre „passzívabbak” lesznek a házak, tehát ahogy a hőszigetelés egyre magasabb színvonalú lesz, úgy egyre fontosabbá válik a megfelelő mesterséges szellőztetés. Egy jól szigetelt házba szinte egyáltalán nem kerül természetes úton friss levegő. Márpedig az elhasznált levegőt pótolni kell. Ha nem akarunk az ablakon át szellőztetni (ami nem is célszerű), akkor mindenképen gondoskodnunk kell a mesterséges szellőztetésről. Az ablakon keresztüli szellőztetésnek azonban megvannak a hátrányai. Egyrészt nagyon sok por és szennyeződés jut be a lakásba, másrészt pedig az energia, amit az épület fűtésére vagy hűtésére használunk, igen könnyen távozhat (tetemes hőveszteség). Ráadásul vannak, akik nem is szívesen alszanak nyitott ablakok mellett, attól félve, hogy valaki éjszaka bemászik az ablakon. Mindezeket figyelembe véve látható, hogy igen is van létjogosultsága a mesterséges szellőztetésnek.
Ennek vezérlésére kiválóan alkalmas a KNX/EIB rendszer. Ahhoz, hogy megfelelő legyen a vezérlés, nyilvánvalóan össze kell hangolnunk a termosztátokat, az ablaknyitás érzékelőket, a CO2-érzékelőket (a levegőminőség mérésére használják, 6. ábra), hogy a legmegfelelőbb és gazdaságosabb legyen a szabályzás. Nem egyszerűen csak szellőztetni kell, de az elhasznált levegőben lévő energiát ki kell nyerni és a befújt levegőt ezzel az energiával kell előmelegíteni (fűtés esetén) vagy előhűteni (hűtés esetén).
Amint ez az előzőekből már kiderült, a KNX/EIB rendszer elsősorban a helyi fűtés és hűtés szabályzásra fókuszál. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a gépházakat, légkezelő központokat ne lehetne bevonni a vezérlésbe. Az ilyen feladatok megoldásához további speciális érzékelő, beavatkozó és vezérlő készülékekre van szükség. Egy későbbi cikkben részletesebben kitérünk erre a témakörre és megvizsgáljuk az ilyen vezérlések részleteit is. Ugyancsak fontos témakör a napkollektorok vezérlése, hiszen ahogy az energiaárak nőnek, egyre nagyobb létjogosultságra tesz szert a „tiszta” energiák alkalmazása. Ezeket a rendszereket azonban megfelelő módon kell vezérelni a kívánt hatás elérése érdekében, amire kitűnő megoldás a KNX/EIB rendszer alkalmazása.
Látható, hogy milyen szoros kapcsolat van az egyes feladatkörök között. Ezért egy professzionális, komplex rendszer esetében az egyes részfeladatok szinergikusan kiegészítik egymást.
Ha az olvasóban kérdés merülne fel az ismertetett témával kapcsolatban, kérjük jelezze a szerkesztőség felé. Ígérem, hogy minden kérdésre válaszolni fogok.
