Strategie řízení kaskády kotlů regulátorem Albatros 2 společnosti Siemens

V tomto článku se seznámíme s několika základními strategiemi pro řízení kaskády kotlů, ale i jiných zdrojů tepla. Aby nám bylo jasné k čemu je strategie řízení kotle dobrá, objasníme si nejprve, jakým způsobem by měly fungovat jednotlivé zdroje tepla. Následně se budeme věnovat strategii kaskád a příkladům strategie kombinovaných kaskád.

Nejdůležitější podmínkou pro řízení zdrojů tepla je poměrně jednoduchá informace o souhrnné hodnotě žádané teploty. V některých případech je důležitá i informace o typu žádané teploty, například požadavek na přípravu teplé vody.

Jednostupňový kotel

Jednostupňový kotel získá od spotřebičů informaci o žádané teplotě, na kterou začne vytápět. Kolem této teploty si regulace vytvoří tzv. spínací hysterezi, nebo-li určitý povolený teplotní interval, aby nedocházelo k cyklování kotle. K vypnutí nebo zapnutí kotle v ideálním případě dojde při překročení nebo podkročení této hystereze. V případě, že kotel nesplnil minimální dobu chodu, je spínací hystereze zdvojnásobena, aby nedocházelo k cyklování nebo k přehřátí zdroje (viz obr. 1).

Dvoustupňový kotel

U dvoustupňového kotle je strategie obdobná. Kotel přiřadí první stupeň stejným způsobem jako u jednostupňového. Druhý stupeň se přiřazuje následovně: Pokud teplota kotle klesne pod spínací hysterezi, začne se počítat uvolňovací integrál (tvoří jen součin teploty a času a odpovídá mu plocha pod teplotou spínací hystereze) pro zapnutí druhého stupně (viz obr. 2).

Když se regulátor dopočítá nastavené hodnoty uvolňovacího integrálu, spustí druhý stupeň kotle. Jeho rychlost uvolnění tedy závisí na deficitu teploty. Pokud je rozdíl teplot malý, bude dlouho trvat, než se uvolní druhý stupeň kotle. (V praxi je vhodné podmínku dosažení velikosti integrálu omezit ještě časově. Pokud do cca 8 až 10 minut uvolňovací integrál nedosáhne nastavené hodnoty, spustí se druhý stupeň bez ohledu na hodnotu uvolňovacího integrálu). Bude-li deficit velký, uvolní se druhý stupeň velmi rychle. Stejným způsobem probíhá i opačný proces zablokování druhého stupně. Jeho integrál nazýváme blokovací (viz obr. 3).

Modulovaný hořák

Přiřazení prvního stupně probíhá stejně jako u jednostupňového kotle. Modulace je uvolňována opět podle uvolňovacího integrálu postupně podle žádané teploty kotle (viz obr. 4).

Tříbodová modulace

Po uvolnění základního stupně bude řízena vzduchová klapka plynového kotle a tím kotle moduluje podle potřeby. Pro uvolňování a blokaci je opět využíváno blokovacích a uvolňovacích integrálů.

Modulace 0 až 10 V

U kotlů s modulovaným vstupem 0 až 10 V musíme dále rozlišovat, zda se jedná o kotel s výkonovým nebo teplotním požadavkem na teplo. Pokud máme požadavek na výkon, tak regulátor navyšuje výstupní signál podle toho, jaký je deficit tepla. To znamená, že při vysokém požadavku na teplotu a nízké teplotě na výstupu z kotle požadavek pomocí uvolňovacího integrálu vystoupá na 100 % (10 V). Při snížení rozdílu teplot výkonový požadavek klesá. Pokud jako kritérium zvolíme žádanou teplotu, musíme nastavit teplotu odpovídající 10 V. Tato hodnota musí odpovídat jak v kotli, tak v regulátoru.

Strategie kaskád

Základní a jednou z nejdůležitějších funkcí kaskády je střídání zdrojů po určitém počtu provozních hodin a přiřazení dalšího zdroje v případě deficitu tepla. Další důležitý parametr je možnost volby priority zdrojů vzhledem k provozním nákladům.

V tomto článku se omezíme na řízení kaskády pomocí Bus komunikace LPB (Local process bus), která je určena pro řízení kaskády pomocí teplotních požadavků. Předpokládejme tedy, že každý ze zdrojů má komunikaci LPB, nebo-li vy­užívá regulátor Siemens Albatros 2 nebo řídicí automatiku kotle Siemens. V tomto systému zvolíme, který regulátor bude kaskádním masterem. Master dostane adresu 1 a připojíme mu společné čidlo kaskády. Dále nastavíme strategii řízení podle typu zdrojů. Kaskádní master se pak automaticky stará o přiřazování a odpojování dalších zdrojů tepla v případě deficitu nebo přebytku tepla.

Podívejme se nyní na jednotlivé strategie řízení kaskád. Do kaskády lze zapojit libovolné zdroje tepla. Ovšem je důležité, aby byly zapojeny paralelně. V některých případech je možné využít i sériové zapojení, ale to jen jako elektro-bivalenci tepelného čerpadla.

A) První strategie: Zapni co nejpozději jak je možné, Vypni co nejdříve jak je to možné.

Při této strategii se kaskáda chová tak, že zapne první kotel, který vyjede s výkonem na 90 % (10 %) výkonová rezerva. A pak, po dopočítání uvolňovacího integrálu, spustí druhý kotel. V žádném případě ale přitom nesmí první kotel snížit svůj výkon pomocí modulace. Pokud by tak učinil, došlo by k deficitu tepla jak vlivem snížení výkonu, tak rozběhem studeného kotle. Tento deficit by u velikých kotlů mohl vést k uvolnění dalšího kotle a po chvíli k přebytku tepla a opětovnému zablokování obou kotlů, což by způsobilo značnou nestabilitu a kmitání výstupní teploty na hydraulické výhybce. Druhý kotel opět podle požadavku uvolňuje modulaci. Pokud i druhý kotel dosáhne 90 % výkonu, uvolní tím další zdroj a tak by se to opakovalo u všech zdrojů v kaskádě. Odpojování probíhá tak, že poslední kotel v kaskádě sníží modulací výkon na minimum – a pokud je neustále přebytek tepla, odepne se tento kotel. Tato strategie má vždy nejmenší počet kotlů v běhu, ale je naprosto nevhodná pro kondenzační kotle (viz obr. 5).

B) Druhá strategie: Zapni co nejpozději jak je možné, Vypni co nejpozději jak je to možné.

Při této strategii připínání dalšího zdroje probíhá stejným způsobem jako předchozí. To znamená, že první kotel vyjede na 90 % výkonu a pak se připne další zdroj. Ovšem odpojování zdrojů probíhá tak, že nejprve všechny kotle sníží modulovaný výkon na minimum, a teprve pak se kotle postupně vypínají. Při této strategii mají kotle nejmenší počet cyklů (viz obr. 6).

C) Třetí strategie: Zapni co nejdříve jak je možné, Vypni co nejpozději jak je to možné.

Při této strategii první kotel vyjede na základní výkon druhého kotle a hned, jak je to možné, jej zapne. Při odpojování zdrojů nejprve všechny zdroje sníží svůj výkon na minimum a teprve poté se postupně odpojují (viz obr. 7).

Při této strategii dosahujeme nejdelší dobu běhu kotle v nízkém stavu modulace. Tudíž to teoreticky vypadá tak, že tato strategie je vhodná pro kondenzační kotle. (Kotle běží teoreticky v nejlepším režimu z hlediska účinnosti). Pokud ale budeme měřit celkovou účinnost kaskády s touto strategií a porovnáme ji s předchozí strategií řízení, zjistíme, že strategie Zapni co nejpozději a Vypni co nejpozději pracuje s vyšší účinností. Důvodů je několik. Při požadovaném výkonu odpovídajícímu 90 % jednoho kotle běží jeden kotel, jedno kotlové čerpadlo. U třetí strategie už běží tři kotle, tři kotlová čerpadla a musí se ohřát tři kotlová tělesa. Takže účinnost celé kaskády klesá, nehledě na to, že se do kotle vrací, díky nadprůtoku primárním okruhem, teplejší zpátečka a klesá i účinnost kondenzačních kotlů.

Jako nejlepší strategie řízení kaskády kondenzačních kotlů se jeví „Zapni co nejpozději jak je možné, Vypni co nejpozději jak je to možné“.

D) Čtvrtá strategie: je určena speciálně pro tepelná čerpadla a lze ji nazvat Nabij akumulační zásobník.

Tato strategie funguje tak, že se spustí první tepelné čerpadlo a pokud nestačí výkonově (nedosáhne žádané teploty), tak se spustí další tepelné čerpadlo. Je důležité, že bivalence se připíná až v případě, kdy jsou v chodu všechna tepelná čerpadla a nedosahují na kaskádním čidle žádané teploty náběhu.

Popsané vlastnosti strategií odpovídají stavu, kdy jsou v kaskádě použity kotle stejných výkonů, což je nejběžnější stav.

Kombinované kaskády

Pro kombinované kaskády je důležité nastavit priority jednotlivých zdrojů. To znamená například jako první využít kotel na tuhá paliva, jako druhý zdroj tepelné čerpadlo – a až na konec plynový kotel. Je také důležité mít možnost nastavit od/do jaké venkovní teploty zdroj poběží.

První možností je chod tepelného čerpadla do teploty –5 °C a pod tuto teplotu uvolnění plynového kotle, což je takzvaný Bivalentní alternativní provoz (viz obr. 8).

Druhou možností je chod tepelného čerpadla do –5 °C a uvolnění plynového kotle od 5 °C, což je tak zvaný Bivalentní částečně paralelní provoz (viz obr. 9).

V tomto článku jsem se pokusil velmi zjednodušeně popsat chod kaskády pro některé zdroje tepla. Všechny tyto funkce umožňuje řada regulátorů označená jako Albatros2 a kotlové automatiky společnosti Siemens. Další výhodou je možnost celou otopnou soustavu (jak zdrojovou stranu, tak stranu spotřeby) sledovat pomocí webového serveru prostřednictvím internetu, ale o tom až někdy příště.