Работа двухступенчатой горелкой по пид закону. Тепловая автоматика экономит нам деньги. По способу подготовки газовоздушной смеси

Производители современных котлов, постоянно совершенствуя свою продукцию, наделяют ее новыми функциями и одновременно усложняют выбор нужного котла и его наладку. Это и немудрено, ведь система отопления современного загородного дома состоит не только из котла, труб, радиаторов под окнами, но так же в нее входит множество отопительных контуров, управление которыми следует поручить автоматическим контроллерам.

В противном случае домовладельцам придется постоянно регулировать отдельные элементы вручную, чтобы обеспечить достаточный уровень комфорта. Однако, более сложная система управления — это всегда и более высокая цена. «А нужно ли это мне?» — задает риторический вопрос покупатель.

В этой небольшой статье мы попытаемся донести до читателей физику процессов в рабочей системы отопления, что присуще всем системам отопления, включая и сложные. Иметь представление о том, что ты имеешь или собираешься приобрести очень важно при выборе системы отопления, ее эксплуатации или модификации. В структуру современных систем отопления уже заложены функции, предполагающие ее модификацию и усовершенствование.

Итак, на котловую автоматику возложены две важнейшие функции: система безопасности и тепловой комфорт. Разумеется, обеспечение безопасности имеет высший приоритет среди прочих задач. Например, верхний предел регулирования котловой воды устанавливается таким образом, чтобы из-за выбега температуры она никогда не превышала бы предельный уровень. Величина возможного выбега температуры зависит от конструкции и материала котла и учитывается производителем автоматики при установлении верхнего предела регулирования температуры в котле.

В нашей статье мы сосредотачиваемся на работе автоматики по обеспечению комфортной температуры в отапливаемых помещениях.

Ощущение температурного комфорта в значительной мере субъективно. В этой связи специалисты в области климатических систем оперируют понятием индекс комфортности по Фагнеру. Он предусматривает семь позиций, соответствующих субъективным ощущениям

• -3 «холодно»
• -3 «прохладно»
• -1 «легкая прохлада»
• 0 «нейтрально»
• 1 «легкое тепло»
• 2 «тепло»
• 3 «жарко»

Та или иная температура в помещении устанавливается, когда достигается равновесие между тепловыми потерями и теплоотдачей приборов. При этом для поддержания заданного значения температуры любое изменение теплопотерь, вызванное изменением погоды, должно компенсироваться соответствующей коррекцией температуры теплоносителя либо его объемного потока через отопительные приборы.

Рассмотрим вначале второй случай, а именно регулирование температуры помещения путем изменения объемного потока через отопительные приборы.

Эта задача легко решается с помощью термостатических вентилей , установленных на радиаторах или конвекторах. В этом случае задача котловой автоматики поддерживать температуру теплоносителя на заданном уровне (просто повернуть ручку потенциометра на пульте котла, задавая нужную температуру). В большинстве котлов так все и происходит и не предполагает ничего большего. Алгоритм работы котла различается в зависимости от горелки: модуляционной, одно или двухступенчатой.

При работе с одноступенчатой горелкой регулятор температуры работает как пороговый переключатель, который включает и выключает горелку при достижении температурной подачи пороговых значений. Между порогами включения и выключения задана некая разница — «гистерезис включения». Как правило, пороги включения и выключения расположены симметрично относительно заданной температуры подачи, так чтобы среднее значение температуры за продолжительный период совпадало с заданным.

Проблема возникает, когда объем теплоносителя невелик, а теплопотребление существенно меньше мощности горелки, температура горелки будет расти слишком быстро. Имеет место опасность слишком частых включений горелки , что может сказаться на ее ресурсе. Проблема преодолевается различными способами. Например, при помощи, изменяющейся во времени величины гистерезиса.

При низких тепловых нагрузках и, соответственно, коротких периодах разогрева котла, действует увеличенное значение гистерезиса. Если за заданное время гистерезиса порог выключения не был достигнут, величина гистерезиса автоматически линейно уменьшается до стандартных 5 гр. Цельсия. Фирма «Будерус» использует другой алгоритм, названный «динамическим переключением» — когда температура подачи, возрастая или уменьшаясь, сравнивается с заданной температурой и система начинает вычислять интеграл функции изменения рассогласования во времени.

Включение и выключение горелки происходит по достижении интегралом заданного значения, что при быстром разогреве котла температура переключения выше, чем при медленном. Таким образом, порог переключения автоматически подстраивается под характеристики системы отопления и величину теплопотребления

Для двухступенчатой горелки процесс принципиально не отличается от того, что рассмотрен выше — только порогов переключения в два раза больше.

Модуляционная горелка дает возможность постоянного пропорционального регулирования температуры подачи, когда величина мощности горелки линейно зависит от величины рассогласования температуры. Однако такое регулирование возможно не всегда, поскольку у многих модуляционных горелок мощность плавно изменяется не от нуля, а от 30-40% максимального значения. Если же теплопотребление в контуре отопления ниже этой границы, то мы сталкиваемся опять с пороговым регулированием. До сих пор мы рассматривали процессы, когда заданная температура котла устанавливалась вручную потенциометром на пульте котла, а задача котловой автоматики была поддержать эту температуру.

Поддержание комфортной температуры в помещении путем регулирования температуры котловой воды. Происходит это путем внедрения в систему автоматики комнатного термостата.

Заметим, что комнатный термостат обычно не входит в стандартную комплектацию котла. Управление работой котла с целью поддержания заданной температуры в помещении может осуществляться одним из двух видов регулирования: двухпозиционным (включить/выключить) или непрерывным. В первом случае алгоритм управления такой же, как для котла с одноступенчатой горелкой. Однако, по сравнению с температурой котловой воды, температура в помещении изменяется значительно медленнее и это может привести ее к большим выбегам за пороговые значения. Поэтому двухпозиционное регулирование не рекомендуется обычно для систем отопления с котлами более 25-30 кВт.

При непрерывном регулировании управляющим воздействием служит температура подачи, изменяемая в зависимости от отклонения температуры в помещении. Датчик температуры должен располагаться в каком-то определенном помещении (назовем его эталонным) и температура в других помещениях выставляется относительно температуры этого эталонного помещения. Комфортная температура в разных помещениях отличается друг от друга. В спальне, к примеру, она ниже. Днем помещения обычно пустуют и поддерживать комфортную температуру — бессмысленно, пустая трата денег.

Само собой напрашивается функция задания и выполнения суточного графика температуры в помещениях. Суточное программирование температуры часто возможно для разных дней недели (будни, праздники, вечеринки, отпуск). Большой проблемой при таком способе управления становится регулирование температуры в помещениях относительно эталонного, путем увязки в единый контур.

Кроме того, повышая комфорт в эталонном помещении, мы рискуем снизить его в других комнатах, завязанных на тот же контур управления. Кроме того, в эталонном помещении нельзя применять терморегуляторы на отопительных приборах, поскольку они представляют собой независимые системы управления с теми же входными параметрами, что и у котельной автоматики.

Для управления котлом, греющим воду сразу для нескольких отопительных контуров с разными характеристиками, требуется некий общий для этих контуров входной параметр. Простое и эффективное решение было найдено.

Использование в качестве входного параметра температуру воздуха снаружи здания

Действительно, температура подачи любого отопительного контура, необходимого для компенсации теплопотерь в помещениях, связана с температурой наружного воздуха хорошо известными соотношениями, которые в графическом представлении обычно называются отопительными графиками или отопительными кривыми. Остается только заложить эти соотношения для каждого конкретного контура в алгоритм работы системы управления котельной. В автоматике большинства производителей для этого необходимо выбрать одну из предлагаемых кривых. Есть и другие подходы к этой проблеме, например наладчику котлов «Будерус» достаточно задать две точки, по которым автоматика сама построит всю кривую. Заметим, что крайне важно располагать датчик температуры на северной стороне дома в отдалении от таких источников тепла, как окна и дымовые трубы. В этом случае погодозависимая автоматика работает максимально корректно.

А, что будет, если открыть форточку? Система, управляющая котлом иотопительными контурами по внешней температуре, может реагировать на непредвиденные изменения теплового баланса в отапливаемых помещениях. В большинстве случаев такая возможность заложена в виде автоматической корректировки (чаще всего — параллельного переноса) отопительной кривой соответствующего контура на основе показаний датчика комнатной температуры.

Более того, многие производители предлагают дополнительно к погодозависимой автоматике еще и комнатный терморегулятор. При совместном использовании внешних и комнатных датчиков тепловой режим может быть скорректирован с учетом дополнительных источников тепла в помещении. Проще говоря, если на кухне включена плита, и за счет этого стало там теплее, контроллер «учтет» этот факт и скорректирует показатели внешних датчиков или же комната находится на солнечной стороне и требует нагрева только, когда солнце «уйдет».

По мере удорожания автоматики к ее возможностям добавляется способность управлять более сложными горелками (со ступенчатым, ступенчато-прогрессивным и модуляционным регулированием), узлом приготовления горячей воды, одним или несколькими (число радиаторных контуров растет), низкотемпературными (теплый пол) контурами, реализовывать различные другие программы (подключение солнечных водонагревателей) и т.д.

Подведем итоги: к чему все эти сложности с погодозависимым управлением? Чем оно лучше элементарной схемы «котел на постоянке» плюс терморегуляторы на всех батареях?

Сторонники погодозависимого управления говорят, что в основную часть отопительного сезона потребность в тепле намного меньше расчетной, поэтому постоянно греть теплоноситель до максимальной температуры — напрасная трата денег. Особенно эффективно оно работает в период заморозков и оттепелей, тем самым достигается наиболее комфортная комнатная температура и значительная экономия ресурсов, поскольку снижается инерционность системы и котлу не приходится совершать лишнюю работу, сжигая топливо. Кроме того, в случае работы с постоянной температурой теплоносителя, а она практически всегда высокая, растут теплопотери, которые тем больше, чем больше температура теплоносителя. Вообще, КПД котла уменьшается с ростом средней температуры котловой воды.

Большинство западных производителей (« Buderus » , «Viessmann») делают ставку на выпуск низкотемпературных котлов.

Противники погодонезависимого управления апеллируют к тому то, что цена подобной автоматики чересчур высока. А цена топлива пока вполне компенсирует издержки.

Обратимся к специалистам. на форуме сайт однозначно говорит, что погодонезависимая автоматика экономит деньги и это не считая комфорта, который она приносит в дом и обеспечивает более долгую безаварийную работу.

Компания «Тайм» предлагает в качестве погодозависимой автоматики программируемый контроллер calorMATIC 430 West . Фактически он работает как дистанционный пульт от котла. Домовладельцу не приходится бегать в котельную, чтобы сделать потеплее или похолоднее, если он установит панель с дисплеем в удобном месте.

Производители бытовых отопительных котлов, постоянно совершенствуя свою продукцию и наделяя ее новыми функциями, одновременно усложняют выбор нужного котла и его наладку. В наибольшей степени это касается котельной автоматики - вот уже и настенные котлы, управлявшиеся раньше с помощью одного потенциометра, теперь нередко поставляются со встроенной погодозависимой автоматикой. Однако более сложная система управления - это всегда и более высокая цена. Возникает резонный вопрос: «Нужно ли это?». Чтобы помочь потребителям ответить на него, попытаемся разобраться в основных функциях котельной автоматики.

Назначение систем управления бытовых котлов - это обеспечение безопасности, правильной эксплуатации оборудования и комфорта для проживающих в доме или квартире. Комфорт в нашем случае - это комфортная температура и отсутствие необходимости предпринимать какие-то действия для ее обеспечения (например, пойти в котельную, покрутить регулятор и т.д.).
Наиболее просто и понятно обстоит дело с безопасностью: встроена ли в котел система управления, или она поставляется отдельно - в ней всегда есть предохранительный ограничитель температуры. Это устройство представляет собой термореле, размыкание контактов которого приводит к прекращению подачи топлива в котел при превышении безопасного значения температуры котловой воды. Срабатывание предохранительного ограничителя температуры - серьезная нештатная ситуация, и ее устранение, т.е. замена или переустановка предохранительного устройства и запуск котла требуют вмешательства специалиста по техническому обслуживанию.
Само собой разумеется, обеспечение безопасности имеет наивысший приоритет среди прочих задач, поэтому верхний предел регулирования температуры котловой воды устанавливается таким образом, чтобы из-за выбега температура она никогда не превышала предельный уровень. О каком выбеге температуры идет речь?
Представьте себе ситуацию внезапного прекращения электроснабжения: горелка отключилась, циркуляционный насос котлового контура остановился. Котел превращается в изолированную систему. В процессе установки в этой системе теплового равновесия температура металла снижается, а температура воды повышается на несколько градусов. Если до этого повышения она была близка к предельно допустимой, то авария котла при отключении электроэнергии гарантирована. Величина возможного выбега температуры зависит от конструкции и материала котла и учитывается производителем автоматики при установлении верхнего предела регулирования температуры воды в котле.
Перейдем к основному назначению котловой автоматики: обеспечению комфортной температуры в отапливаемых помещениях. Как известно, та или иная температура в помещении устанавливается, когда достигается равновесие между тепловыми потерями и теплоотдачей отопительных приборов. При этом для поддержания заданного значения температуры любое изменение теплопотерь, вызванное переменой погоды, должно компенсироваться соответствующей коррекцией температуры теплоносителя либо его объемного потока через отопительные приборы. Наиболее просто эта задача решается с помощью термостатических вентилей, установленных на радиаторах или конвекторах при том, что температура теплоносителя остается постоянной. В этом случае функция котловой автоматики сводится к поддержанию заданной температуры подачи.
Надо сказать, что у большинства бытовых котлов встроенный блок управления и не предполагает ничего большего: температура подачи задается вручную, хотя и поддерживается автоматически. Алгоритм регулирования при этом различается в зависимости от того, какой горелкой снабжен котел: модуляционной, одно- или двухступенчатой. В котлах с одноступенчатой горелкой регулятор температуры работает как пороговый переключатель, который включает и выключает горелку по достижении температурой подачи пороговых значений. Между порогами включения и
выключения задана некая разница - гистерезис включения (рис. 1). Как правило, пороги включения и выключения расположены симметрично по отношению к заданной температуре подачи θ уст так, чтобы среднее значение температуры за продолжительный период совпадало с заданным.
Если объем теплоносителя в системе отопления невелик, а теплопотребление существенно меньше мощности горелки, температура после включения горелки будет расти слишком быстро. Соответственно, возникает опасность слишком частых включений горелки, что может сказаться и на ее ресурсе. Эта проблема преодолевается различными способами. Например, при помощи изменяющейся во времени величины гистерезиса (Ariston): в течение 1-й минуты после включения она равна 8, в течение 2-й минуты - 6, и начиная с 3-й минуты - 4 К.
Алгоритм изменения величины гистерезиса в зависимости от ситуации заложен в автоматике фирмы Kromschröder: на сервисном уровне настройки системы управления можно задать увеличенный гистерезис (до 20 К) и время его действия (до 30 мин). При низких тепловых нагрузках и, соответственно, коротких периодах разогрева котла действует увеличенное значение гистерезиса. Если за заданное время гистерезиса порог выключения не был достигнут, величина гистерезиса автоматически линейно уменьшается до стандартных 5 К.

Принципиально другой подход использован в котельной автоматике Buderus, где применяется алгоритм, названный разработчиками «динамическим переключением». Когда температура подачи, возрастая или уменьшаясь, сравнивается с заданной температурой θуст, система начинает вычислять интеграл функции изменения рассогласования во времени (на рис. 2 - заштрихованная область). Включение или выключение горелки происходит по достижении интегралом заданного значения. Очевидно, что при быстром разогреве котла температура переключения оказывается выше, чем при медленном. Таким образом, порог переключения автоматически подстраивается под характеристики системы отопления и величину теплопотребления.
Алгоритм управления котлом с двухступенчатой горелкой принципиально не отличается от того, что рассмотрен выше, - только порогов переключения, соответственно, в два раза больше (рис. 3).

Наконец, модуляционная горелка дает возможность постоянного пропорционального регулирования температуры подачи, когда величина мощности горелки линейно зависит от величины рассогласования температуры. Однако такое регулирование возможно не всегда, поскольку у многих модуляционных горелок мощность плавно изменяется не от нуля, а от 30-40 % максимального значения. Если же теплопотребление в контуре отопления ниже этой границы, то мы снова сталкиваемся с пороговым регулированием.
До сих пор мы имели в виду, что температура подачи задается вручную потенциометром на панели управления котла и автоматически поддерживается его системой управления. Однако назначение системы отопления - поддержание комфортной температуры в помещении, и логично было бы, чтобы именно эта температура являлась регулируемой величиной. Устройство, поддерживающее заданную температуру в помещении, - комнатный термостат - чаще всего привязано к самому помещению и в основной комплект поставки котла не входит. Однако поскольку регулирование происходит через управление работой котла, будем считать комнатный термостат также элементом котловой автоматики.
Управление работой котла с целью поддержания заданной температуры в помещении может быть осуществляться одним из двух видов регулирования: двухпозиционным (включить-выключить) или непрерывным. В первом случае алгоритм управления такой же, как и для котла с одноступенчатой горелкой. Однако, по сравнению с температурой котловой воды, температура в помещении при включении-выключении котла изменяется значительно медленнее, что может приводить к ее большим выбегам за пороговые значения. Поэтому двухпозиционное регулирование не рекомендуется обычно для систем отопления с котлами высокой (более 25-30 кВт) мощности. Во избежание таких выбегов в автоматике Kromschröder, например, на сервисном уровне может быть задан временной интервал запаздывания включения 2-й ступени (рис. 3), и таким образом, 2-я ступень включается не сразу по достижении порога θвкл.2 , а по прошествии заданного времени. Это дает дополнительную возможность настройки регулятора температуры под характеристики конкретной системы отопления.

При непрерывном регулировании управляющим воздействием служит температура подачи, изменяемая в зависимости от отклонения температуры в помещении от заданного значения (рис. 4). Заданное значение температуры в помещении - это температура, комфортная для пользователя, и она не всегда одинакова - скажем, комфортная температура для сна под одеялом на несколько градусов ниже, чем для утренних или вечерних часов, а днем помещение может пустовать, и поддерживать в нем высокую температуру также не имеет смысла. Само собой напрашивается функция задания и выполнения суточного графика температуры в помещении. Суточное программирование температуры часто возможно для разных - будних или выходных - дней недели, а также для особых случаев, таких как вечеринка или отпуск.
Действительное значение температуры измеряется датчиком, расположенным в одном из помещений дома, которое является эталонным и определяет режим отопления во всех остальных помещениях дома. Однако чем больше остальных помещений, тем менее выполнимой становится задача комфортного отопления путем увязки их в единый отопительный контур, управляемый по температуре в эталонном помещении. Для управления же котлом, греющим воду сразу для нескольких отопительных контуров с разными характеристиками, требуется некий общий для этих контуров входной параметр. Он мог бы вычисляться на основе показаний температуры в эталонных помещениях всех контуров. Однако распространение получило более простое и эффектное решение: использовать в качестве такого параметра температуру воздуха снаружи здания.

И действительно: температура подачи любого отопительного контура, необходимая для компенсации теплопотерь в помещениях, связана с температурой наружного воздуха хорошо известными соотношениями, которые в графическом представлении обычно называются отопительными графиками или отопительными кривыми (рис. 5). Остается только заложить эти соотношения для каждого конкретного контура в алгоритм работы системы управления котельной. В автоматике большинства производителей для этого необходимо выбрать одну из предлагаемых на выбор отопительных кривых, но есть и другие подходы: например, наладчику системы управления Buderus достаточно задать две точки, по которым автоматика вычисляет всю кривую.
Может ли система, управляющая котлом и отопительными контурами по внешней температуре, реагировать на непредвиденные изменения теплового баланса в отапливаемых помещениях, например, из-за открытой форточки, или зажженного камина? В большинстве случаев такая возможность заложена в виде автоматической корректировки (чаще всего - параллельного переноса) отопительной кривой соответствующего контура на основе показаний датчика комнатной температуры. Более того, идя навстречу запросам дотошных пользователей, желающих принимать более активное участие в управлении климатом в доме, многие производители предлагают дополнительно к погодозависимой автоматике еще и комнатный терморегулятор. Заметим только, что при этом всегда есть риск, повышая комфорт в эталонном помещении, снизить его в других комнатах, завязанных на тот же контур отопления. Кроме того, в эталонном помещении нельзя применять терморегуляторы на отопительных приборах, поскольку они представляют собой независимые системы управления с теми же входными и выходными параметрами, что и у котельной автоматики.
К чему все эти сложности? Чем погодозависимое управление лучше элементарной схемы, рассмотренной нами в самом начале - котел «на постоянке» плюс терморегуляторы на всех отопительных приборах?

Сторонники погодозависимой автоматики обычно ссылаются на то, что основную часть отопительного сезона потребность в тепле намного меньше расчетной, поэтому постоянно греть теплоноситель до максимальной температуры - напрасная трата денег. Но ведь денег стоит не температура, а произведенное тепло, и если в двух случаях потребляется одинаковое количество тепла, то, может, и производится одинаковое его количество? К сожалению, нет, поскольку кроме потребления тепла всегда есть еще и его потери, которые тем больше, чем выше температура теплоносителя (рис. 6). Кроме того, КПД котла уменьшается с ростом средней температуры котловой воды. Вот из этих процентов и складывается экономический аргумент в пользу погодозависимой автоматики. Впрочем, при наших внутренних ценах на энергоносители этот аргумент легко бьется аргументом значительно более высокой цены самой автоматики.
Рассмотрим также некоторые функции котловой автоматики, назначение которых - не создавать комфорт, а обеспечивать как можно более долгую безаварийную работу оборудования. Кроме уже описанных способов предотвращения слишком частых пусков горелки, к этой группе функций можно отнести поддержание минимальной температуры котловой воды. Наиболее простой, но, тем не менее, эффективный способ реализации этой функции - так называемая логика насоса, согласно которой при включенной горелке циркуляционный насос котлового контура останавливается всякий раз, когда температура воды в котле оказывается ниже допустимого порога и не запускается до тех пор, пока этот порог не превзойден.
Но не только о котле может заботиться котловая автоматика. Так, некоторые системы управления снабжены функцией предотвращения блокировки насосов и трехходовых клапанов: раз в сутки (пример - котлы Vaillant) или в неделю (Buderus) все насосы в системе включаются на короткое время, и все трехходовые клапаны также на короткое время полностью открываются, после чего возвращаются в состояние, предшествовавшее этой процедуре.
При чтении документации фирм-изготовителей создается впечатление, что разработчики систем управления котлов действуют по принципу: «больше функций - хороших и разных!». Правда, часто оказывается, что под разными названиями кроются одни и те же функции, отличия - только в деталях.

С. Зотов, к. т. н.
Журнал «Аква-Терм» №2 (54), 2010

Чтобы выбрать оптимальный газовый котел, необходимо разобраться в его особенностях.

Самое широкое распространение в быту получили водогрейные котлы малой мощности.

Эти агрегаты экономичны и удобны в эксплуатации, а также имеют множество конфигураций и моделей, каждая из которых обладает своими преимуществами.

Одним из основных элементов газового котла является его горелка. Это специальное оборудование, которое производит подготовку горючего к сжиганию и подачу его в камеру сгорания, где струя газовоздушной смеси воспламеняется и выделяет тепло. Правильный выбор горелки обеспечит получение максимальной эффективности сжигания топлива, увеличит общий КПД (коэффициент полезного действия) котла и сократит финансовые расходы на топливо.

Классификация газовых горелок

Существуют различные виды газовых горелок. Чтобы сделать правильный выбор горелки, нужно учитывать вид сжигаемого газа, его калорийность, давление, назначение и конструкцию котла.

По избыточному давлению газа

• Высокого давления – более 30 кПа. (кило Паскаль);
• Среднего давления – от 5 до 30 кПа;
• Низкого давления – до 5 кПа.

По виду сжигаемого топлива

Бытовые и промешенные водогрейные газовые котлы обычно работают на двух видах топлива:

• сжиженная пропан-бутановая смесь;
• природный газ (метан) в газообразном состоянии.

Физические характеристики этих газов отличаются друг от друга, поэтому и горелочные устройства для их сжигания имеют свои отличия. Но вид сжигаемого топлива не ограничивает выбор агрегата. Любой газовый котел на природном газе можно переоборудовать под сжигание пропана и наоборот.