Regulátor tepelných
solárnych systémov DX4303.
(Ing. Dutko Marián, DUEL
Námestovo s.r.o.)
Cieľom príspevku je
informovať odbornú technickú verejnosť, hlavne organizácie, ktoré sa zaoberajú
montážou solárnych systémov o novej rade regulátorov solárnych systémov, ktoré
využívajú ako štartovací prvok snímač tlaku.
Použitie takejto
automatickej regulácie má niekoľko výhod, ktoré zvyšujú spoľahlivosť a ekonomiku
prevádzky solárnych systémov:
-
nie je potrebný snímač teploty
v kolektore (odstraňuje sa problém montáže dlhého vedenia, jeho
tepelnej ochrany a v neposlednom
rade aj protibleskovej
ochrany)
- pretože
snímač teploty je v tomto systéme umiestnený na potrubí v tesnej
blízkosti inštalačnej jednotky, je meranie
teploty výstupného média z kolektora dostatočne presné,
čo sa nedá tvrdiť pri klasickom meraní teploty v kolektore, hlavne pri vákuových
systémoch (lepšie využitie doby, kedy je slnečná energia dostupná v dostatočnom
množstve)
- spoľahlivý
štart systému na základe nastaveného tlakového gradientu (nedochádza k úvodnému
prehriatiu teplonosného média)
- ochrana
regulátora pred atmosférickým výbojom, indukovaným na trase kolektorového
snímača teploty
- indikácia
zníženia, resp. straty hydraulického tlaku v systéme
Kvôli
zabezpečeniu primeranej ceny zariadenia vzhľadom na príliš drahé priemyselné
snímače tlaku bol pre tieto účely vyvinutý snímač tlaku DX5500.
V ďalšom
detailne popíšem činnosť regulátora ktorá spočíva v klasickom zabezpečení jeho
základných úloh:
- využiť
dostupné solárne teplo na priame využitie, resp. jeho akumuláciu
- v prípade
nedostatku solárnej energie zabezpečiť optimálne pripojenie náhradných zdrojov
tepla
- chrániť
solárny systém proti nežiadaným vplyvom (prehriatie a pod.)
- zabezpečiť
náhradnú činnosť systému pri poruchách snímačov
Je potrebné podotknúť, že
optimálnu prevádzku solárneho systému nezaručuje iba jeho regulátor, ale tá
závisí aj na kompletnom systémovom riešení a použití vhodných konštrukčných
komponentov.
Konštrukcia regulátora,
ovládacie a indikačné prvky.
1
2
3
4
5
6
7 8
Obr. 1
Regulátor DX4303 je
umiestnený v plastovej skrinke podľa obr. 1 so sklopným vekom (8), po uzavretí ktorého je
vidieť iba indikátor prítomnosti napájacieho napätia (3) a indikátor chybového
stavu (4). Pri odklopenom veku je
k dispozícii tlačítko “F” pre vstup do menu (6), enkóder umožňujúci listovanie v menu
a potvrdenie vybranej položky (5) a displej zobrazujúci stav procesu (2). Pod krytom (1) sú
umiestnené konektory pre pripojenie senzorov a PC, pod krytom (7) sa nachádzajú konektory pre
pripojenie sieťového napätia a akčných členov a taktiež poistka 230V T2A. Prístroj je konštruovaný
pre umiestnenie na stenu, na ktorú je ho potrebné upevniť skrutkami.
Spôsoby a stratégie
prevádzky solárnych systémov.
1. Štart činnosti solárneho
systému.
Regulátor DX4303 umožňuje
štyri spôsoby naštartovania solárneho systému
- použitím externého snímača svetelného
žiarenia, ktorý pri určitej nastavenej intenzite slnečného svitu zopne bezpotencialový kontakt relé, ktorý je privedený na vstup regulátora a zabezpečí
štart systému
- použitím snímača teploty, ktorý je umiestnený
priamo v kolektore solárneho systému a snímača teploty vo výmenníku
(ak nastane
požadovaný nastavený rozdiel týchto teplôt, dochádza k štartu systému)
- použitím snímača teploty, ktorý nie je
umiestnený v kolektore, ale na potrubí vedúcom z výstupu kolektora a snímača
teploty vo výmenníku – v tomto prípade je kvôli zisteniu rozdielu týchto teplôt
potrebné v dobe slnečného svitu periodicky prečerpávať teplonosnú kvapalinu –
štart systému nastane ako v predchádzajúcom prípade po dosiahnutí požadovaného
rozdielu teplôt
- použitím snímača hydraulického tlaku v systéme
– uvažuje sa dosiahnutie nastaveného nárastu tlaku v dôsledku zvýšenia teploty
v kolektore, čo spôsobí naštartovanie systému
2. Regulácia ovládaním
otáčok čerpadla.
Regulátor DX4303 umožňuje
obslúžiť pomerne širokú škálu rôznych hydraulických zapojení solárnych systémov.
Možnosť regulácie prietoku zmenou otáčok čerpadla zaraďuje takéto systémy do
triedy matched-flow
(s prispôsobovaním prietoku) ktoré sa vyznačujú zjednotením
výhod systémov s vysokým prietokom a nízkym prietokom t.j. zachovanie najvyššej
účinnosti kolektora a solárneho zisku. Interval zmeny otáčok čerpadla je možné
nastaviť od 100% (otáčky nie sú regulované) až po minimálnu hodnotu 20%.
Obr. 2
Doporučená minimálna hodnota otáčok je 50%
(default), pri práci čerpadla pod 30% medzou sa výrazne zníži jeho účinnosť.
Pri dostatočnom slnečnom žiarení je
prekročený potrebný teplotný rozdiel medzi kolektorom a výmenníkom (DeltaON)
a čerpadlo pracuje na plný výkon. Pri poklese teplotného rozdielu pod
hranicu DeltaON sa začnú otáčky proporcionálne znižovať až po hodnotu (DeltaON-DeltaOFF)/2,
kedy dosiahnu minimálnu hodnotu. Pri ďalšom znižovaní teplotného rozdielu už
výkon čerpadla ostáva na minimálnej úrovni až po vypínací rozdiel DeltaOFF, pri
ktorom je činnosť čerpadla ukončená.
3. Voľba hydraulickej schémy.
Možnosť zvoliť si konkrétnu hydraulickú
schému solárneho systému je jednou z dobrých vlastností regulátora DX4303.
Voľba pozostáva z definovania
-
počtu okruhov (1,2 alebo 3)
-
spôsobu prepínania jednotlivých okruhov (bar,
point, twins)
-
činnosti pomocných okruhov (timer, circul, heating,
sec.pump, wood)
Obr. 3
Výstupné konektory regulátora sú rozdelené do
dvoch skupín
- triakové (P1, P2 a P3) – je možné na ne priamo
pripojiť čerpadlá, resp. prepínacie trojcestné ventily konštruované na
sieťové napätie 230V/50Hz (obr. 3a)
- bezpotencialové (X1X2, Y1Y2 a Z1Z2) tieto výstupy
sú určené na spínanie pomocných okruhov – fázové napätie sa na ne pripojí
iba v prípade potreby pri montáži zariadenia v závislosti na hydraulickom
zapojení systému (obr. 3b)
Podľa konkrétneho hydraulického zapojenia je
teda možné zvoliť počet okruhov, napr. ak solárny systém je určený iba na
prípravu TV, zvolí sa jeden okruh. Ak systém okrem prípravy TV ohrieva aj
vodu v bazéne, zvolia sa dva okruhy. V prípade, že solárny systém napr.
okrem ohrievania TV a bazénu slúži aj na akumuláciu tepla vo vykurovacom
systéme, zvolí sa počet okruhov tri.
Podobne je možné regulátor použiť pri rôznych
spôsoboch prepínania toku teplonosného média do jednotlivých okruhov púhym
nastavením požadovaného spôsobu. Uvažujme trojokruhový hydraulický systém.
Na nasledujúcich obrázkoch sú schematicky znázornené akčné členy (čerpadlá,
trojcestné prepínacie ventily) pomocou ktorých je prepínaný tok teplonosného
média v solárnom systéme.
Na obr. 4 je znázornený spôsob prepínania
toku pomocou trojcestných ventilov (BAR). V takomto systéme sa používa jedno
obehové čerpadlo P1 a dva trojcestné prepínacie ventily P2 a P3. V pravej
časti obrázku je vidieť, ktoré akčné členy sú zapnuté pri požadovanom smere
toku do okruhov A, B a C.
Na obr. 5 je nakreslený spôsob prepínania
toku pomocou čerpadiel (POINT). V takomto hydraulickom systéme sú použité
čerpadla P1, P2 a P3 so spätnými klapkami.
Obr. 4
Podobne, ako v predchádzajúcom príklade
sú v pravej časti obrázku farebne znázornené, ktoré akčné členy sú pri
požadovanom smere toku zapnuté. Tento spôsob prepínania toku je v
súčasnosti kvôli spoľahlivosti a taktiež dobrej cenovej bilancii
najrozšírenejší.
Obr. 5
Kvôli
kompletnosti ešte na obr. 6 uvediem hydraulický systém s dvoma
kolektorovými poľami (TWINS). V tomto prípade môžu čerpadlá P1 a P2
čerpať kvapalinu súčasne, avšak smer
toku do okruhu A, resp. B je prepínaný trojcestným prepínacím ventilom
P3.
Obr. 6
Tento spôsob sa používa v praxi
zriedkavo, ale niekedy nevhodná orientácia strechy objektu na ktorom
budú kolektory umiestnené inú optimálnu možnosť nedovolí.
V ďalšom vysvetlím činnosť pomocných
okruhov. Regulátor má k dispozícii tri pomocné okruhy X, Y a Z ktoré je
možné nastaviť na niektorú z nasledujúcich alternatív:
- časovač
(timer) – pomocný výstup, ktorý je nastavený do funkcie časovača je
zopnutý v užívateľom definovaných časových úsekoch (max. 8) v ostatnom
čase je rozopnutý,
využíva sa napr. pri spínaní pomocného ohrevu vrchnej časti bojlera TV
- cirkulačné
čerpadlo (circul) –
pomocný výstup je periodicky spínaný v zadaných časových intervaloch
na nastavenú dobu, napr. každú štvrťhodinu je zopnutý na 2 minúty
- pomocný
ohrev (heating) – ak je
pomocný výstup nastavený na túto funkciu tak zabezpečuje zopnutie
pomocného zdroja energie na ohrev v prípade, že nie je dostatok slnečnej
energie a teplota v uvažovanej úrovni poklesla pod nastavenú zapínaciu
hodnotu, pomocný výstup sa vypne, ak teplota v ohrievanej nádobe
dosiahne vypínaciu teplotu, alebo je k dispozícii dostatok slnečnej
energie
- čerpadlo
sekundárneho okruhu (sec.
pump) – takto nastavený pomocný výstup je závislý na činnosti primárneho
okruhu (A, B, alebo C) a je zopnutý paralelne s ním, umožňuje ale naviac
časový presah čerpania a periodickú cirkuláciu kvôli zisteniu správnej
teploty média sekundárneho okruhu v prípade, že je snímač teploty
umiestnený na potrubí – táto funkcia sa využíva napr. v systémoch s protiprúdovými
výmenníkmi
- diferenčný
ohrev (wood) – výstup
zapína ak vznikne kladná diferencia medzi teplotou ohrievanej nádoby
(bojler, akumulátor) a zdrojom tepla, napr. drevosplyňovací kotol,
krbová vložka a pod.
Obr. 7
Na obr. 7 je znázornený príklad
nastavenia pomocných výstupov X a Y na konkrétnej hydraulickej schéme
pozostávajúcej zo solárnych kolektorov, bojlera na prípravu teplej vody
TV a bazéna B vyhrievaného cez protiprúdový výmenník V.
Drevosplyňovací kotol K zabezpečuje
ohrev teplej vody v hornej časti bojlera a hlavne vykurovanie objektu.
V tomto prípade je pomocný výstup X
nastavený ako WOOD pre zabezpečenie ohrevu TV v prípade, že je kotol
K v činnosti a teplota Sw je väčšia, ako teplota Sh.
Pomocný výstup Y je nastavený ako
SEC.PUMP a zabezpečuje cirkuláciu sekundárneho okruhu bazénového ohrevu
keď je čerpadlo P2 v prevádzke.
4. Stratégie prevádzky solárneho
systému.
Rozdeľovanie získanej tepelnej energie
do jednotlivých okruhov (spotrebičov) solárneho systému je možné
viacerými spôsobmi. Regulátor umožňuje nasledovné stratégie:
-
prioritné rozdeľovanie
-
rozdeľovanie podľa prírastkov teploty
-
časové rozdeľovanie
-
rozdeľovanie podľa energetických kvánt
Prioritné rozdeľovanie
je charakteristické určením priorít jednotlivých okruhov, ktoré sú potom
podľa týchto priorít postupne obsluhované (nabíjané) až do dosiahnutia
nastavených teplôt. Systém štartuje okruhom s najnižšou teplotou
a využíva algoritmus zotavenia, t.j. prechod z nižšej teplotnej hladiny
na vyššiu v prípade dostatku slnečnej energie. Taktiež pri nedostatku
slnečného žiarenia prepína na okruh, kde je okamžitá intenzita ešte
postačujúca.
Rozdeľovanie podľa teplotných prírastkov
sa vykonáva postupným prepínaním cez všetky okruhy. Akonáhle sa v prvom
okruhu dosiahne nastavený teplotný prírastok, regulátor prepína na ďalší
okruh v poradí a to sa deje neustále dookola pokiaľ je dostatok
slnečného žiarenia.
Časové rozdeľovanie
je analogické s rozdeľovaním podľa teplotných prírastkov, len s tým
rozdielom, že sa pre okamih prepnutia na ďalší okruh nesleduje teplota,
ale nastavený časový interval. Samozrejme prepnú sa iba tie okruhy pre
ktoré je dostatok slnečného žiarenia.
Rozdeľovanie
podľa energetických kvánt
je taktiež bezprioritné a na ďalší okruh sa prepína po odovzdaní
určeného množstva tepelnej energie (kvanta) predchádzajúcemu okruhu.
Doplnkové funkcie regulátora.
-
ochrana proti prehriatiu kolektorov
-
prechod z nižšej na vyššiu teplotnú hladinu
(zotavenie systému)
-
ochrana proti vzniku legionely
-
nočné vychladzovanie
-
letná/zimná prevádzka
-
správanie sa regulátora pri chybách snímačov
teploty
-
manuálna prevádzka
Ochrana proti prehriatiu kolektorov
zabezpečuje činnosť solárneho systému aj po uspokojení všetkých
tepelných požiadavok jednotlivých okruhov. Ak teplota na kolektoroch
vystúpi nad hranicu 105°C spustí sa čerpanie do okruhu s najvyššou
prioritou a ten sa dobíja až pokým nedosiahne nastavenú (náhradnú)
teplotu, alebo pokým neklesne teplota v kolektoroch pod 100°C. Naopak,
ak by teplota v kolektoroch vystúpila nad 120°C, čerpanie sa zastaví.
Prechod z nižšej na vyššiu teplotnú
hladinu (zotavenie – recovery)
je algoritmus, pomocou ktorého sa zabezpečuje automatický prechod
z nižšej teplotnej hladiny, kedy je obyčajne záťaž kolektorov vysoká
(napr. bazén) na vyššiu hladinu (napr. bojler TV). Tento prechod pri
veľkom rozdiele teplôt medzi hladinami sa prirodzenou cestou obyčajne
nemôže uskutočniť, preto sa každú hodinu testuje jeho potreba
(neuspokojený okruh s vyššou prioritou a vyššou teplotnou hladinou
a taktiež dostatok slnečnej energie). Ak tieto podmienky nastanú
a funkcia zotavenia je zapnutá, uvedie sa proces prechodu do činnosti.
Ochrana proti vzniku legionely.
Ak teplota v bojleri TV nevystúpi počas dňa ani raz na 60°C, tak pri
zapnutej funkcii ochrany proti vzniku legionely sa automaticky zapne
pomocný ohrev, ktorý zabezpečí ohriatie vody v bojleri TV na 60°C.
Nočné vychladzovanie.
Pri aktivácii tejto funkcie je zabezpečené ochladenie systému pri jeho
predchádzajúcom prehriatí, napr. z dôvodu činnosti systému pri ochrane
proti prehriatiu kolektorov. Počas noci sa zapnú jednotlivé okruhy,
ktoré sa vychladia z vyššej teploty na štandardne nastavenú.
Letná/zimná prevádzka.
Je možné zmeniť priority nabíjania jednotlivých okruhov v letnom období
a v zimnom období napr. v lete sa nabíja najskôr bojler TV a potom bazén
a v zimnom období najskôr bojler TV a potom vykurovací výmenník.
Prepínanie prevádzky je možné buď automaticky (leto od 1.5 do 30.9),
alebo externe využitím digitálneho vstupu.
Správanie
sa regulátora pri chybách snímačov teploty.
Prevádzka solárneho systému pri chybách snímačov teploty je zabezpečená
náhradným spôsobom, pričom je tento stav indikovaný blikaním červenej
led diódy ERR.
- pri
chybe kolektorového snímača sa postupne prepínaju jednotlivé okruhy
podľa priorít až do ich nabitia
- pri
chybe snímača v niektorom okruhu je tento okruh vyradený z prevádzky,
taktiež aj pomocný ohrev, ak bol k tomuto okruhu priradený
- pri
chybe snímača spätného toku nie je zaznamenávaná dodaná energia
- pri
chybe snímača pomocného ohrevu sa berie do úvahy snímač príslušného
okruhu
Manuálna prevádzka.
Manuálne zapínanie a vypínanie jednotlivých akčných členov sa odporúča
robiť iba pri prvom uvádzaní systému do prevádzky kvôli otestovaniu
správnej funkcie jednotlivých okruhov. V bežnej prevádzke je si potrebné
uvedomiť možné dôsledky manuálne prepnutého akčného člena na činnosť
systému. Manuálna prevádzka je indikovaná blikaním červenej led diódy
ERR.
5. Záver.
Dôvodom pre vývoj inteligentných
regulátorov solárnych systémov je prianie úplne vyťažiť a uplatniť, ak
je to možné, tepelnú energiu získanú v kolektoroch. Naším cieľom je
poskytnúť zákazníkom cenovo dostupné a pritom dostatočne sofistikované
regulačné jednotky, ktoré môžu podstatne zlepšiť účinnosť solárnych
systémov. Regulátor DX4303 je predstaviteľ tejto myšlienky.
© DUEL Námestovo
s.r.o., máj 2008.
|
