EKVITERMICKÁ KRIVKA II.

Ekvitermická regulácia s adaptívnou korekciou na referenčnú teplotu

Pri použití ekvitermickej regulácie s korekciou na referenčnú teplotu sa požadovaná teplota vo vykurovaných priestoroch pri prechode z útlmového do komfortného režimu dosiahne po určitom čase danom zotrvačnosťou sústavy a výkonom zdroja tepla. Skrátenie doby regulácie je riešené zvýšením zosilnenia regulátora, čo však môže mať za následok zväčšenie preregulovania v sústave. Tento problém bol riešený doplnením algoritmov o prvky adaptivity, a to adaptivitou na predstih prechodu z útlmu na vykurovanie a adaptivitou na korekciu ekvitermickej krivky.

 

Ekvitermická regulácia s korekciou na referenčnú teplotu

Klasická ekvitermická regulácia je nepriamou reguláciou vnútornej teploty, keďže regulácia prebieha podľa vopred stanovenej závislosti výkonu na vonkajšej teplote a nie je riadená hodnotou vnútornej teploty. Preto sa menších objektoch doplňuje ekvitermická regulácia ešte reguláciou podľa vnútornej teploty. Takáto regulácia sa nazýva ekvitermická regulácia s korekciou na referenčnú teplotu. Klasická ekvitermická regulácia zabezpečí rovnováhu medzi dodávaným tepelným výkonom do vykurovaného priestoru a tepelnou stratou objektu, pričom ekvitermická regulácia s korekciou na referenčnú teplotu naviac zabezpečí kompenzáciu na ostatné tepelné zisky alebo straty vo vykurovanom priestore.
Princíp korekcie na referenčnú teplotu môže byť založený na tom, že sa okrem vonkajšej teploty sníma aj vnútorná teplota miestnosti. Rozdiel medzi žiadanou a skutočnou vnútornou teplotou koriguje na základe určitých kritérií vypočítanú hodnotu teploty vykurovacej vody podľa navolenej ekvitermickej krivky a vonkajšej teploty tak, aby skutočná teplota v referenčnej miestnosti odpovedala žiadanej. Sú možné viaceré teoretické možností výpočtu korekcie.

z8o1.jpg
Obr. 1. Bloková schéma modelu ekvitermickej regulácie s korekciou na referenčnú teplotu. 
 
Na základe teoretického rozboru bol navrhnutý model ekvitermickej regulácie vykurovania s korekciou na referenčnú teplotu, pričom sa použil princíp korekcie založený na tom, že klasická ekvitermická regulácia sa doplnila o nadriadenú regulačnú slučku, pričom na reguláciu referenčnej teploty bol použitý PI regulátor. Bloková schéma modelu je znázornená na obr. 1.

Model má tri hlavné časti:
• PI regulátor, ktorý v závislosti na regulačnej odchýlke ei medzi žiadanou teplotou Tiž a skutočnou teplotou Ti v referenčnej miestnosti koriguje ekvitermickú teplotu vykurovacej vody Túke (vypočítanú z nastavenej ekvitermickej krivky a vonkajšej teploty Te) na žiadanú teplotu vykurovacej vody Túkž žiadanú pri vzatí do úvahy Ti
• blok ekvitermickej krivky, pozostávajúci z bloku naprogramovaných ekvitermických kriviek a blokov voľby čísla a posuvu krivky
• blok vykurovacej sústavy s reguláciou skutočnej teploty vykurovacej vody Túk zmiešavaním (regulačná odchýlka teploty vykurovacej vody eúk = Túkž – Túk, kotol, zmiešavací ventil, servopohon, trojpolohový regulátor pre reguláciu polohy servopohonu, radiátor, miestnosť)

Z výsledkov simulácie navrhnutého modelu vyplynulo, že použitím PI regulátora je možné dosiahnuť nulovú regulačnú odchýlku medzi žiadanou a skutočnou teplotou v miestnosti a že PI regulátor dokáže vyregulovať teplotu v referenčnej miestnosti na žiadanú aj pri čiastočne nesprávnom nastavení základnej ekvitermickej krivky.
Z nameraných výsledkov overovania tejto ekvitermickej regulácie na reálnej vykurovacej sústave a požiadaviek na komfort ovládania systému na používateľskej úrovni vyplynula požiadavka na skrátenie doby regulácie a dosiahnutie požadovanej teploty v naprogramovanom čase. Dlhú dobu regulácie možno skrátiť väčším proporcionálnym zosilnením PI regulátora, avšak za cenu väčšieho prekmitu časového priebehu skutočnej teploty v referenčnej miestnosti.

Adaptívna ekvitermická regulácia

Problém skrátenia doby regulácie a dosiahnutie požadovanej teploty v naprogramovanom čase najmä pri prechode z útlmov do vykurovania bol riešený doplnením algoritmov ekvitermickej regulácie o prvky adaptivity, a to adaptivitou na predstih prechodu z útlmu na vykurovanie a adaptivitou na korekciu ekvitermickej krivky.
Základnou myšlienkou adaptivity na predstih bolo navrhnúť jednoduchý algoritmus pre meranie doby potrebnej na dosiahnutie požadovanej teploty v miestnosti pri prechode z útlmu do vykurovania. Jednoduchý algoritmus bol potrebný z dôvodu možnosti jeho zakomponovania do programového vybavenia komerčného regulátora, ktorý má zvyčajne k dispozícii iba obmedzenú výpočtovú kapacitu. Princíp výpočtu adaptivity na predstih je na obr. 2.

z8o2.jpg
Obr. 2. Princíp výpočtu adaptivity na predstih. 
 
Algoritmus adaptivity na predstih zistí dobu potrebnú na vykúrenie miestnosti na požadovanú teplotu od prechodu z útlmu do vykurovania po dosiahnutie žiadanej teploty pre vykurovanie. Táto zmeraná aktuálna doba cez váhový koeficient ovplyvňuje adaptívnu dobu predstihu, ktorá sa v potom používa pre predstih pre nasledujúci prechod z útlmu do vykurovania. Je zabezpečené odfiltrovanie nekorektných nameraných dôb (napr. neúmerne dlhé doby spôsobené poruchou, ako je napr. dlhodobé otvorenie okna).

Základná myšlienka adaptivity na korekciu ekvitermickej krivky je založená na overenom postupe pre správne zoradenie klasickej ekvitermickej regulácie pri jej použití v praxi, t. j. nastavení vhodného posuvu krivky pre komfortnú teplotu a útlmov pre útlmové režimy. Princípom adaptivity na korekciu je zistenie požadovanej korekcie pre doby vykurovania a útlmu na základe skutočných korekcií z PI regulátora pre tieto režimy vykurovania v minulosti. Táto adaptivita sa potom pripočíta ku korekcii z PI regulátora a vlastne pomáha regulátoru na začiatku prechodu do príslušného režimu vykurovania. Princíp výpočtu adaptivity na korekciu je na obr. 3.

z8o3.jpg
Obr. 3. Princíp výpočtu adaptivity na korekciu. 
 
Algoritmus adaptivity na korekciu zisťuje hodnotu korekcie na konci príslušného časového úseku vykurovania alebo útlmu. Táto zmeraná aktuálna korekcia cez váhový koeficient ovplyvňuje adaptívnu korekciu, ktorá sa potom používa pre korekciu vykurovacej vody pre nasledujúci časový úsek vykurovania alebo útlmu.

Overenie adaptívnej ekvitermickej regulácie

Pre overenie ekvitermickej regulácie s adaptívnou korekciou na referenčnú teplotu bol vytvorený regulačný algoritmus pre naprogramovanie v regulačnom systéme Diras [2]. Využila sa výhodná vlastnosť tohto regulačného systému, a to jeho voľná programovateľnosť. Vývojový diagram algoritmu je na obr. 4.

z8o4.jpg
Obr. 4. Vývojový diagram algoritmu ekvitermickej regulácie s adaptívnou korekciou na referenčnú teplotu.
 
Navrhnutý algoritmus má tieto základné možnosti na používateľskej úrovni:
• reguláciu vykurovania v časovom režime na tri rôzne vykurovacie hladiny (vykurovanie, útlm1, útlm2) s možnosťou individuálneho nastavenia teplôt pre jednotlivé hladiny,
• možnosť nastavenia dvoch časových úsekov vykurovania počas dňa,
• možnosť nastavenia čísla a posuvu vykurovacej krivky,
• možnosť nastavenia strmosti rampy nábehu vykurovacej vody pri skokoch jej požadovanej hodnoty.

Merania boli vykonané na ústrednom vykurovaní rodinného domu, ktorý bol po rekonštrukcii s priemernými tepelno-technickými vlastnosťami a tepelnou stratou asi 25 kW. Na reguláciu teploty vykurovacej vody bol použitý zmiešavací ventil Duomix AO DN25 so servopohonom MK CN riadený trojpolohovým regulátorom implementovaným v regulačnom systéme. Pre reguláciu boli nastavené tieto parametre:
• požadovaná teplota v miestnosti 21 °C pre vykurovanie, 20 °C pre útlm1 a 19 °C pre útlm2
• doby vykurovania na teplotu pre vykurovanie od 5:00 do 10:00 h (1. časový úsek pre vykurovanie) a od 14:00 do 21:00 h (2. časový úsek pre vykurovanie)
• medzi 1. a 2. časovým úsekom pre vykurovanie bol časový úsek pre útlm1 (10:00 až 14:00 h) a medzi 2. a 1. časovým úsekom pre vykurovanie časový úsek pre útlm2 (21:00 až 05:00 h)
• žiadaná teplota vykurovacej vody bola z praktických dôvodov zdola obmedzená na hodnotu žiadanej teploty v miestnosti
• PI regulátor: proporcionálne zosilnenie KP = 4, integračná časová konštanta tI = 1 200 s
• trojpolohový regulátor: zosilnenie spätnej väzby rsv = 25, časová konštanta spätnej väzby tsv = 25 s, hodnoty hysterézií –1,1; –0,3; 0,3; 1,1

z8o5.jpg
Obr. 5. Vybrané priebehy ekvitermickej regulácie s adaptívnou korekciou: obdobie 13. až 15. 3. 2006

Záver

Jednoduchý algoritmus adaptivity na predstih prechodu z útlmu na vykurovanie po niekoľkých dňoch adaptovania zabezpečil dosiahnutie požadovanej teploty v naprogramovanom čase, a to pri prechode z hladiny útlm2 do hladiny vykurovanie s presnosťou niekoľkých minút. Pri prechode z hladiny útlm1 do hladiny vykurovanie bola táto presnosť menšia. To bolo pravdepodobne spôsobené tepelnými ziskami z priameho osvitu referenčnej miestnosti slnečným žiarením v tomto čase. Vzhľadom na jednoduchosť algoritmu je však možné konštatovať, že dosiahnuté výsledky vyhovujú pre použitie v praxi.
Použitím adaptivity na korekciu po niekoľkých dňoch adaptovania systému bol prekmit regulovanej teploty menší ako 0,2 °C, čo je menej než 1 %. Táto hodnota značí pri regulácii tepelných sústav podľa skúsenosti autorov veľmi dobrý výsledok. Adaptivita na korekciu zabezpečuje pri prechode na útlm skokové zníženie žiadanej teploty vykurovacej vody, čo má priaznivý vplyv na zníženie energetickej náročnosti vykurovania.

 

Zdroj: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=31424