e-gépész online szaklap

Mitől intelligens egy termosztát?

| | |  0 | |

Mitől intelligens egy termosztát?

A TPI algoritmussal működő, digitális szobatermosztát kapcsán tapasztalható némi kétkedés az eszköz működését illetően. Nézzük hát, mi is az a TPI, mitől öntanuló, miért intelligens szabályzásúak ezek a termosztátok.

Olyan készülékről lesz szó, amely a régi, mechanikus termosztátokhoz hasonlóan csak egy kapcsolókimenettel rendelkezik, be-ki módon vezérli a rá kapcsolt berendezést, ami lehet kazán, szivattyú, szelep stb. Két bemenő paraméter, a beállított kívánt hőmérséklet és a mért helyiséghőmérséklet alapján dolgozik. Nincs kétirányú kommunikáció, programozhatóság, rendszerintegráció, hálózati működés, okosotthon-rendszer. Csak a misztikus TPI algoritmus. Hogy lesz ebből intelligencia? Mindjárt kiderül.

Kezdjük azzal, miért is van szükség intelligens működésre egy termosztátnál. Miért nem elég az állítható hőérzékelő és kapcsoló egyszerű összekötése, amit a legrégebbi mechanikus kütyük is tudtak. Ha a kívántnál hűvösebb volt, bekapcsolták a kazánt, ha melegebb, kikapcsolták. Egyszerűen, megbízhatóan, automatikusan. Mi ezzel a baj?

Energiahatékonyság

Az egyszerű kapcsoló termosztátnak van egy ún. hiszterézis (pontatlansági) sávja, amely a készülék felépítéséből és a rendszer hőtehetetlenségéből adódik, általában ±0,5…3 °C (1. ábra). Jellemzően a kazán átlagos előremenő hőmérséklete magas, az előremenő és visszatérő hőmérséklete, valamint a helyiséghőmérséklet is jelentősen ingadozik. Ciklusonként nagy a túlfűtés aránya, a megvalósult átlagos helyiséghőmérséklet érezhető mértékben a beállított érték fölött van.

1. ábra: az egyszerű kapcsoló termosztát jellemző működése

A: bekapcsolási küszöbhőmérséklet, B: beállított, kívánt helyiséghőmérséklet, C: kikapcsolási küszöbhőmérséklet, A–C: kapcsolási hiszterézis

Ne feledjük; olyan univerzális esetről van szó, amelyben a szabályzó és a szabályozott készülék nem alkot egységes rendszert. A termosztát nem tudja, hogy mit vezérel (kazánt, szivattyút stb.), nem tudja, hogy a kazán képes-e lángmodulációra, kondenzációs-e vagy nyílt égésterű, a hőleadók radiátorok-e, vagy felületfűtés van kiépítve – hogy csak néhány dolgot említsünk. Ilyen helyzetben is jó lenne az energiapazarlásnak véget vetni, és szükség lehet az épületenergetikai besorolás javítására. Nem lehetetlen, és itt jön képbe a TPI.

Extrém mértékben, akár nulla körülire nem csökkenthetjük a hiszterézist, mert rendkívül instabil rendszert kapnánk. Alkalmazhatunk arányos-integráló (PI) vagy arányos-integráló-differenciáló (PID) szabályzókört, de ezek csak integrált rendszerben alkotnak stabil, méretezhető, energiahatékony megoldást. Ha a termosztát nem „tudja”, milyen berendezést vezérel, nem kapcsolgathatja tetszőleges gyakorisággal ki-be, a károsodás, az élettartam-csökkenés, az instabilitás veszélye nélkül.

Adva van tehát a feladat; váltsuk ki a régi, mechanikus termosztátot korszerűbb, energiahatékonyabb, az ErP szerint is tanúsítható vezérlőeszközre. A TPI algoritmussal működő digitális készülék az integráló jelfeldolgozást és az impulzusszélesség-modulációt házasítva oldja meg a feladatot, azaz rögzített időciklusokban, váltakozó kapcsolási időtartamokat alkalmaz (2. ábra). Innen az elnevezés: TPI = Time Proportional & Integral (időarányos és integráló).

2. ábra: TPI szabályzós elektronikus termosztát jellemző működése

B: beállított, kívánt helyiséghőmérséklet

Egy tipikus TPI termosztát rögzített periódusokat használ (ez általában óránként 6, azaz a ciklushossz 10 perc). A mért és a kalkulált adatokból kiszámítja, hogy hány percre van szükség az egyes periódusokon belül a szükséges hőigény kielégítéséhez. Nemcsak a hőmérsékletet méri, hanem a hőmérsékletváltozás nagyságát és sebességét is, ezekből jó közelítéssel kalkulálható a rendszer hőtehetetlensége. Az adatokat tárolja és folyamatosan frissíti, így alkalmazkodik a fűtés (vagy a hűtés) vezérlése a körülményekhez.

Összegezve; a TPI algoritmus a ki-be kapcsolások vezérléséhez a mért, a beállított és a változásokból számított adatokat használja. Mindenhol más-más, az adott helyhez legjobban illeszkedő vezérlési karakterisztika fog kialakulni a készülék mikroprocesszorában. Ez valóban öntanulás, egyfajta gépi intelligencia. A termosztát nem fog extrém sűrűn kapcsolgatni, ciklusonként egyszer dönt, mennyi ideig kell működnie például a kazánnak. Ez a kíméletes, de energiahatékony működés szinte bármilyen berendezéshez illeszthető, akár egy elavult, öreg, nyílt égésterű kazánhoz is.

Természetesen erősen rendszerfüggő, helyspecifikus az energiahatékonyság várható javulása a hagyományos, kétpont-vezérlésű termosztát TPI algoritmussal működő készülékre cserélése esetén. A szakirodalomban fellelhető tesztek, hosszútávú mérések 6 és 30 (!) % közötti javulásról számolnak be, általánosan 8–10 % közötti energiamegtakarítás várható azonos vagy jobb helyiségkomfort mellett.

Megmértük, mi történik

Ellenőrzésképpen végeztünk egy egyszerű méréssorozatot egy régi, elektromechanikus és egy új, TPI algoritmussal működő termosztáttal. A készülékeket hőszigetelt edényben mértük, melyet kívülről ciklikusan, lassan hűtöttünk-fűtöttünk. Jegyzeteltük a digitális hőmérővel mért hőmérsékletet, az időt és a termosztát kapcsolóállapotát (1. és 2. kép). Minkét készüléknél 20 °C elvárt hőmérsékletet állítottunk be és 15 °C környezeti hőmérséklettől kezdtük a méréssorozatot.

1. és 2. kép: ellenőrző méréssorozat egy régi, elektromechanikus és egy új, TPI algoritmussal működő termosztáttal

Az öreg, mechanikus készüléknél – talán a használt állapotából adódóan – elég nagy, ±2 °C hiszterézist mértünk, egyébként a szerkezet jó közelítéssel az 1. ábra szerinti működést mutatta.

Az új TPI-s termosztátot gyári alapbeállítással (10 perces ciklusidő) és szoftverreset után teszteltük. Mint várható volt, itt nem volt elég egy-két fűtés-hűtés periódus. A készüléknél induláskor jól láthatóan az öntanuló (azaz adatgyűjtő) üzemmód érvényesült. Az első menetben egy fokkal a kívánt hőmérséklet elérése előtt lekapcsolt, majd fél fokkal alatta 3 percre, és fél fokkal felette 2 percre újra bekapcsolt (nyilván mérte a változásokat, számította a hőtehetetlenséget). A második menettől ilyen ingadozás már nem volt, ±0,5 °C-on belül stabilizálódott a hőmérséklet, óránként két-két ciklusban 2-3 perces bekapcsolásokkal.

Egy ilyen mérés természetesen nem alkalmas arra, hogy valós rendszert modellezzen, csupán a működésmódot tudja demonstrálni. Tapasztalhattuk: a mechanikus termosztát nagy hőlengésekkel, jelentős túl- és alulfűtésekkel, átlagosan ±2–4 °C pontossággal tartotta a hőmérsékletet. A TPI-s készülék induláskor az adatgyűjtésből, mérésből, öntanulásból következően szintén produkált kilengéseket, később a rendszer beállt és ±0,5 °C pontossággal, túl- és alulfűtések nélkül, egyenletesen tartotta a hőmérsékletet. A kapcsoló (azaz a képzeletbeli kazán) összességében kevesebbet üzemelt.

A cikk a VGF&HKL szaklap 2020/9. számában jelent meg, közlése a kiadó engedélyével történt.

Termosztát

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul