Sterowanie pogodowe i krzywe grzewcze

Jeden z moich czytelników przysłał do mnie ostatnio bardzo ciekawe i dość złożone pytanie dotyczące ogrzewania domu, sterowania pogodowego i krzywych grzewczych.

Chciałbym dziś zacytować Wam to pytanie i odpowiedzieć na łamach mojego serwisu. Bo zagadnienie sterowania pokojowego i krzywych grzewczych jest bardzo ciekawe. Sądzę, że zainteresuje również i Was.

Dla porządku tylko dodam, że budynek, o którym mowa, posiada ogrzewanie podłogowe zasilane kotłem na pellet, co ma pewne (niewielkie) znaczenie dla zrozumienia tematu.

Z punktu widzenia nauki i ciepłowniczej praktyki, co najlepiej jest zrobić w systemie sterowania ogrzewaniem, jeśli chce się zmniejszyć zużycie paliwa (sterowalne/ustawialne są: żądana temperatura wody zasilającej c.o., żądana temperatura c.w.u, żądana temperatura powietrza w pomieszczeniach):

  1. zmniejszyć żądaną temperaturę powietrza w pomieszczeniach;
  2. zmniejszyć żądaną temperaturę wody zasilającej c.o.;
  3. zmniejszyć żądaną temperaturę c.w.u.;
  4. zmniejszyć wszystko co się da 🙂 .

Czemu służy, w sytuacji kiedy sterowalne są elementy jak wyżej, tzw. sterowanie pogodowe?

Na co ma wpływ, również sterowalna/ustawialna, krzywa grzewcza? Aktualnie mam ją zadaną na 1,8 – co się stanie, kiedy ją zmniejszę albo zwiększę? Czy to może ona odpowiada za to, że przy żądanej temperaturze wody zasilającej c.o., wynoszącej powiedzmy 60 stopni, woda w kotle jest dogrzewana do powiedzmy 65 stopni, a kocioł się załącza przy temperaturze wody zasilającej c.o. , wynoszącej np. 50 stopni?. Czy ten rozrzut pomiędzy żądaną temperaturą wody zasilającej c.o., a temperaturami stop i start dla kotła, można zmniejszyć i co mogłoby to dać (w odniesieniu do zużycia paliwa)?

Na co ma wpływ, również ustawialne, przesunięcie krzywej grzewczej (aktualnie mam je ustawione na „0”)?

Zacznijmy od początku…

Temperatury a zużycie ciepła

Zużycie energii i paliwa w domu jednorodzinnym jest tym większe, im większe straty ciepła. Jedno z drugim się musi bilansować. Aby utrzymać żądaną temperaturę w pomieszczeniach, kocioł musi pokryć straty ciepła. To jest oczywiste.

Straty ciepła z kolei zależą praktycznie liniowo od różnicy temperatur między wnętrzem budynku, a świeżym powietrzem. Im ta różnica większa, tym większe straty ciepła. Przykładowo, 1 m2 ściany o współczynniku przenikania ciepła wynoszącym 0,3 W/m2K (czyli tylko spełniającym aktualne przepisy) przy różnicy temperatur 40°C (wewnątrz +20°C, na zewnątrz -20°C) traci 12 W ciepła. Czyli aby wyrównać stratę ciepła przez tę ścianę, kocioł musiałby pracować z mocą 12 W. Oczywiście w domu mamy znacznie więcej, niż tylko 1 m² ścian (bo to przecież nie dom dla lalek) i strata ciepła przez ściany może sięgać kilku kW.

A mamy przecież jeszcze okna (o gorszym współczynniku przenikania ciepła), dach, podłogę, ściany fundamentowe, mostki cieplne, wentylację…

Łatwo jednak wykazać, że gdybyśmy przy tym samym mrozie na zewnątrz obniżyli temperaturę w pokoju do 15°C (różnica wynosiłaby 35°C), straty ciepła spadłyby do 10,5 W/m² powierzchni ściany. A zatem kocioł musiałby pracować z mniejszą mocą, zużywając mniej paliwa.

Prawdą jest zatem stwierdzenie, że im niższa temperatura w domu, tym mniejsze zużycie paliwa w kotle.

Podobnie wygląda sytuacja w przypadku przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Co oczywiste, jeśli trzeba ją nagrzać do niższej temperatury, zużywa się mniej ciepła. To tak, jakby zgasić palnik pod garnkiem wcześniej, niż doprowadzimy do wrzenia znajdującą się w nim zupę. Temperatura zupy będzie niższa, podobnie jak zużycie gazu w kuchence.

W ślad za tym idzie jeszcze drugi zysk. Mianowicie, jak zauważyliśmy powyżej, im niższa temperatura „czegoś cieplejszego”, tym mniejsze straty ciepła. A każdy zasobnik ciepłej wody użytkowej traci to ciepło do wnętrza budynku. Zatem jeśli będziemy mieć mniejszą temperaturę wody, mniej ciepła zużyjemy również na utrzymanie tej temperatury.

Można zatem powiedzieć, że im niższa temperatura ciepłej wody użytkowej, tym mniejsze zużycie energii na jej podgrzanie.

W praktyce trudniej jest wykazać taki związek. O ile latem strata ciepła z zasobnika CWU stanowi wyłącznie stratę, o tyle zimą dodaje się ona do bilansu energetycznego budynku. Płacimy za ogrzanie wody więcej, ale na ogrzewanie wydajemy mniej. Jeśli obie wody (grzewczą i użytkową) ogrzewa to samo źródło (jak tutaj), nie zauważymy różnicy.

No i dochodzi jeszcze druga kwestia — jeśli ciepła woda użytkowa ma mniejszą temperaturę, zużyjemy jej więcej. Bo w praktyce nikt nie kąpie się w ciepłej wodzie o temperaturze 60*C, tylko raczej 40-45*C. Jeśli więc obniżymy temperaturę CWU do 50*C, zużyjemy tej ciepłej wody więcej, mieszając z nią mniejsze ilości wody zimnej. Bo ilość zużywanej wody o temperaturze 40-45*C pozostanie przecież bez zmian.

Temperatura wody zasilającej instalację centralnego ogrzewania ma mniejsze znaczenie dla zużycia ciepła i zużycia paliwa, ale to też zależy.

W przypadku urządzeń wymagających niskotemperaturowych instalacji (np. pompa ciepła, kocioł kondensacyjny) to znaczenie jest kluczowe. Jeśli do pompy podłączymy grzejnik a nie ogrzewanie podłogowe, będzie ona musiała podnieść temperaturę wody wyżej, zużywając więcej energii, pogarszając swój współczynnik wydajności. Kocioł kondensacyjny przy zbyt wysokiej temperaturze wody nie będzie skraplać pary wodnej ze spalin, co znacząco pogorszy jego sprawność.

W przypadku kotłów na paliwo stałe, wysokotemperaturowych z natury, nie będą one widzieć większej różnicy w swojej pracy w zależności od tego, czy wytworzą wodę o temperaturze 60 czy 90*C. Różnica pojawi się co najwyżej na ściankach komory spalania, gdzie przy zbyt niskich temperaturach będą się osadzać smoły i sadze. Zwłaszcza będzie to nieistotne w instalacjach ogrzewania podłogowego, w których występują trzydrogowe zawory mieszające, co umożliwia połączenie kotła wysokotemperaturowego i niskotemperaturowej instalacji ogrzewczej.

Oczywiście, im wyższa temperatura wody wychodzącej z kotła, tym więcej ciepła ucieka przez komin, ale przy naszych domowych instalacjach można to uznać za pomijalne (wyjąwszy kotły kondensacyjne, o czym już wcześniej wspomniałem).

Dlatego ośmielę się podsumować, że temperatura wody na kotle ma nieznaczny wpływ na zużycie paliwa.

Sterowanie pokojowe i pogodowe

Pomijając czas, gdy instalacje grzewcze były praktycznie niesterowalne (można było włożyć więcej drewna do pieca, albo mniej), początkowo do sterowania domowych systemów grzewczych wykorzystywaliśmy sterowanie pokojowe. Instalacja centralnego ogrzewania z grzejnikami wyposażona była w zawory na grzejnikach. Mogliśmy je zakręcić lub odkręcić, zmieniając ilość gorącej wody, która przez grzejniki przepłynęła. W ślad za tym zmienialiśmy ilość ciepła docierającego do danego pomieszczenia.

Później technika poszła krok dalej i doczekaliśmy się zaworów z głowicami termostatycznymi, które same regulują ilość ciepła tak, by w pokoju utrzymać odpowiednią temperaturę. Gdy na dworze zrobi się zimniej i straty ciepła wzrosną, pokój się najpierw schłodzi, później zareaguje głowica termostatyczna, otwierając zawór, co pozwoli na powrót temperatury do żądanego poziomu.

A teraz to już w ogóle mamy bardzo nowoczesne głowice termostatyczne, ze zdalnym sterowaniem albo programowalne. Ale wciąż mówimy o sterowaniu pokojowym.

W przypadku ogrzewania podłogowego, sterowanie następuje poszczególnymi obwodami (pętlami) wychodzącymi z rozdzielacza. Mamy możliwość zdalnego przydławienia przepływu wody w każdym obwodzie, co zmniejsza ilość ciepła dostarczonego przez podłogę (bo zmniejsza temperaturę podłogi).

Sterowanie pokojowe może nie być dość wydajne w przypadku nagłych zmian temperatury na zewnątrz. Nagła zmiana temperatury to nagła zmiana strat ciepła, czyli nagła zmiana temperatury w pokoju (przy tej samej wydajności ogrzewania). A ponieważ podłoga zmienia temperaturę wolno, reakcja ogrzewania podłogowego też może być wolna.

Trochę tu pomaga duża zdolność podłogówki do samoregulacji. Ale w budynku o niewielkiej zdolności akumulacji ciepła, taki sposób sterowania może nie być wydajny.

I tu pojawia się sterowanie pogodowe.

Sterowanie pogodowe wyposażone jest w czujnik temperatury zewnętrznej. Na jego podstawie (i zadanej temperatury, która ma być wewnątrz) określa straty ciepła z budynku. I w oparciu o tę temperaturę dostosowuje temperaturę wody w obiegu centralnego ogrzewania.

Czyli procedura jest taka:

  • robi się zimniej,
  • zauważa to sterownik,
  • podnosi więc temperaturę zasilania instalacji,
  • co skutkuje większą wydajnością grzejników czy ogrzewania podłogowego,
  • dzięki czemu większe straty ciepła z budynku są zrównoważone.

Ale skąd sterownik wie, jak podnieść temperaturę wody zasilającej w zależności od temperatury na zewnątrz? Ano temu właśnie służy tak zwana krzywa grzewcza.

Krzywa grzewcza (oraz jej nachylenie i przesunięcie)

To właśnie krzywa grzewcza wskazuje regulatorowi, jaką ma zastosować temperaturę dla danej temperatury zewnętrznej. Tych krzywych jest całe mnóstwo, można je sobie prawie dowolnie wybierać. Aby to zilustrować, posłużę się poniższym obrazkiem.

krzywa grzewcza

Krzywa grzewcza, a w zasadzie jedna krzywa grzewcza wybrana spośród całego zestawu krzywych. Źródło: http://www.heizungsbetrieb.de/en/def-hzg.html

Jak widać na obrazku, sterownik ma wybraną krzywą grzewczą 1,2. Gdy więc na dworze panuje temperatura -15°C, sterownik ustawi temperaturę wody opuszczającej kocioł na poziomie 68°C.

Gdybyśmy wybrali krzywą 1,5, temperatura wyniosłaby ok. 76°C. I na tym właśnie polega zmiana pochylenia krzywej grzewczej.

Co ciekawe, dla ogrzewania podłogowego zazwyczaj wybiera się krzywe grzewcze 0,2…0,6 a dla grzejników do 1,5. Ciekawe jest zatem, dlaczego w domu czytelnika ustawione jest 1,8?

Nieco inaczej wygląda sytuacja, gdy krzywą grzewczą przesuwamy. Tu nie mam dobrej ilustracji, by to pokazać, będziecie musieli użyć wyobraźni. Ta krzywa na obrazku jest właściwa dla zadanej temperatury 20°C, ale gdybyśmy mieli ochotę na 24°C, musielibyśmy tę krzywą przesunąć do góry i nieco w lewo. Otrzymamy w ten sposób drugą krzywą, równoległą do tej pierwszej, nachyloną pod tym samym kątem, ale przesuniętą.

Temperatury na kotle i histereza

Jeszcze inną rzeczą jest sterowanie włączaniem i wyłączaniem kotła w zależności od tego, jaka jest temperatura wody w instalacji.

Aby kocioł nie włączał się nieskończenie często, stosuje się tak zwaną histerezę, którą można byłoby określić jako margines zadziałania sterowania. Pisał o tym czytelnik.

Mianowicie, jeśli zadamy kotłowi utrzymywanie temperatury 60°C i pozbawimy go tego marginesu, będzie działał jak szalony. Gdy temperatura tylko odrobinę spadnie poniżej 60°C (np. 59,9°C) kocioł się włączy. Ale tylko na chwilkę, bo zaraz później temperatura wyniesie 60,1°C i kocioł od razu się wyłączy.

Dlatego pozwalamy mu na nieco mniejszą precyzję w pilnowaniu tej temperatury. Każemy mu utrzymywać daną temperaturę z pewnym marginesem. Dzięki temu uruchamia się dopiero wtedy, gdy temperatura spadnie poniżej 50°C i pracuje tak długo, aż woda nie osiągnie temperatury 65°C.

Dzięki temu zyskujemy na trwałości kotła, który musi się rzadziej uruchamiać i wygaszać. Zużycie paliwa też będzie nieco mniejsze. Przypominam, że cały czas mowa o kotle na paliwo stałe, którego moc trudniej zmieniać, niż w przypadku kotła gazowego z modulowanym palnikiem, czy pompy ciepła z inwerterową sprężarką.

Histereza, pogodówka i pokojówka, czyli domowe szaleństwo

W pewnym sensie te trzy systemy sobie nawzajem przeszkadzają, choć można byłoby powiedzieć, że mają przecież uzupełniać swoje działanie.

Jeśli mamy ogrzewanie podłogowe  i sterowanie przepływem wody przez ten duży grzejnik (termostatem pokojowym), to uruchomienie regulatora pogodowego niewiele nam zmieni. No, może przesadziłem, bo pewna zmiana będzie widoczna.

W momencie, gdy obniży się temperatura na zewnątrz, zauważy to sterownik pogodowy, zwiększając (nieznacznie) temperaturę wody zasilającej. Dlaczego nieznacznie? Bo niewielka zmiana temperatury wody zasilającej ogrzewanie podłogowe znacznie zmienia (na plus) wydajność tego ogrzewania, taka jest jego specyfika. A więc woda płynąca przez podłogę będzie cieplejsza, podłoga zacznie się powoli ogrzewać. Dopiero po jakimś czasie spadek temperatury zauważy sterownik pokojowy, odkręcając zawór w danej pętli ogrzewania, jeszcze zwiększając wydajność ogrzewania podłogowego. Czyli reakcja na zwiększenie się strat ciepła będzie bardziej gwałtowna.

Ktoś może zapytać, po co sterownik pokojowy, skoro pogodowy powinien sobie z tym doskonale poradzić?

Ano sterownik pogodowy widzi tylko wpływ temperatury zewnętrznej na straty ciepła. Czujnik temperatury montuje się na północnej, nieoświetlonej słońcem ścianie. Ale łatwo sobie wyobrazić zimny, ale słoneczny dzień, gdy w pokoju z oknami na południe zrobi się za ciepło. Na to zareaguje sterownik pokojowy. Podobnie to on właśnie poradzi sobie z większymi, niż spodziewane, zyskami ciepła z innych źródeł — np. od pieczenia kilku ciast czy intensywnej konwersacji na przyjęciu w grupie znajomych.

Teoretycznie można sterownik pogodowy wyposażyć też w czujnik temperatury wewnętrznej, ale nawet gdyby każdy pokój miał swój własny czujnik temperatury wewnętrznej, sterownik pogodowy nie zapewni we wszystkich komfortu. On może zmieniać tylko jeden parametr, wspólny dla całego budynku — temperaturę wody trafiającej do instalacji centralnego ogrzewania.

I dlatego na grzejnikach czy pętlach ogrzewania podłogowego można zainstalować dodatkowo zawory termostatyczne.

Pozostaw komentarz

Subscribe without commenting