Jak działa siłownik?

Już od początku postawmy sprawę jasno – siłownik w instalacji centralnego ogrzewania pełni bardzo ważną rolę. To właśnie przy jego pomocy możemy regulować zarówno moc grzewczą jak i chłodniczą dla odbiorników końcowych. To właśnie dzięki niemu, instalacje może działać efektywnie lub też w przypadku jego błędnego doboru – nieprawidłowo. Co więcej, nawet najlepszy zawór regulacyjny nie będzie działał prawidłowo, jeżeli zostanie podłączony do nieodpowiedniego siłownika.

To właśnie spotkało jednego z moich Inwestorów, który szybko po zakończeniu prac związanych związanych z modernizacją instalacji ciepła technologicznego zaczął narzekać na jakość powietrza wentylacyjnego. Chodziło przede wszystkim o temperaturę tego powietrza. Była ona albo zbyt wysoka, albo zbyt niska co powodowało duży dyskomfort. Co gorsza, przed rozpoczęciem prac taki problem nie występował co tylko spotęgowało frustrację Inwestora. W końcu wydał nie małe pieniądze na coś, co przynosi dużo gorszy efekt…

Nagrzewnica wodna pierwszym podejrzanym

Ponieważ problem dotyczył temperatury powietrza nawiewanego przez instalację wentylacji mechanicznej, rozpoczęliśmy poszukiwania od centrali wentylacyjnej, a konkretnie od umieszczonej w niej nagrzewnicy powietrza. Instalacja ciepła technologicznego, która ją zasilała pracowała ze stałym przepływem czynnika grzewczego, a moc urządzenia była regulowana przy pomocy zaworu trójdrogowego. Jeżeli chciałbyś dowiedzieć się więcej na temat wykorzystania takiego zaworu to kliknij tutaj.

Na pierwszy rzut oka wszystko wyglądało w porządku. Wymiennik ciepła w nagrzewnicy został podłączony do instalacji grzewczej zgodnie z projektem. Jednak po chwili, kiedy przyjrzałem się dokładnie przewodom oraz zamontowanej na nich armaturze, szybko znalazłem potencjalnego winowajcę…

Zauważyłem, że siłownik sterujący zaworem regulacyjnym jest inny niż ten, który został zaprojektowany. Oczywiście nie musiało to oznaczać, że to właśnie on, w stu procentach jest winny całemu zdarzeniu. Niemniej jednak, należało to dokładnie sprawdzić.

Zanim przejdę do dalszej części naszej historii, chciałbym, abyśmy na chwilę się zatrzymali i zastanowili się wspólnie jak w ogóle działa taki siłownik. Myślę, że nic się nie stanie, jeżeli już teraz zdradzę, że to on będzie głównym przedmiotem dalszych rozważań. 🙂

Wartość zadana, a wartość regulowana

Pomimo tego, że siłownik zazwyczaj przekracza kwotę jaką trzeba wydać za sam zawór regulacyjny, niestety często jego dobór jest bagatelizowany. Często wielu projektantów skupia się przede wszystkim na samym zaworze, a pomija element, który ma nim sterować. Czasami może mieć to mniejsze konsekwencje, innym razem mogą być już one dużo poważniejsze.

No dobra, ale jaka jest w ogóle zasada działania takiego urządzenia? Abyśmy mogli odpowiedzieć sobie na to pytanie, przeanalizujmy bardzo dokładnie wszystkie elementy, które wpływają na pracę takiego siłownika. Jako przykład weźmiemy sobie schemat, jaki został zaprojektowany do zasilenia nagrzewnicy powietrza w instalacji, na którą skarżył się Inwestor.

1 – zawór odcinający; 2 – zawór zwrotny; 3 – zawór regulacyjny trójdrogowy z siłownikiem; 4 – zawór równoważący; 5 – pompa; 6 – regulator z czujnikiem temperatury w pomieszczeniu

Na samym początku musimy określić dwie, najważniejsze rzeczy, które wchodzą w skład powyższej pętli regulacyjnej – wartość zadaną oraz wartość regulowaną.

Instalacja wentylacji mechanicznej, na którą ostatnio narzekał Inwestor była odpowiedzialna za ogrzewanie ogromnego pomieszczenia biurowego. Nie było tam żadnych grzejników, nie było tam również ogrzewania podłogowego, a wszystkie straty ciepła, które występowały w pomieszczeniu były bilansowane przez instalację wentylacji mechanicznej. Zatem głównym zadaniem takiej instalacji, było utrzymywanie w pomieszczeniu temperatury wewnętrznej na poziomie +20°C. Dlaczego Ci o tym mówię? Ponieważ to ten właśnie parametr, tzn. temperatura powietrza wewnętrznego była wartością zadaną w naszym przykładzie.

Ok, teraz przejdźmy do wartości regulowanej. Zastanówmy się, w jaki sposób możemy wpływać na temperaturę wewnętrzna pomieszczenia, jeżeli nawiewamy do niego stale tą samą ilość powietrza. Oczywiście możemy to robić poprzez zmianę temperatury tego powietrza. Im będzie ona wyższa, tym więcej energii cieplnej dostarczymy do pomieszczenia. Analogicznie, im temperatura powietrza nawiewanego będzie niższa, tym mniejsza będzie również ta energia. Zatem jak łatwo się domyślić, to właśnie temperatura powietrza nawiewanego będzie u nas wartością regulowaną, na którą będzie miał ogromny wpływ nasz siłownik.

Jak działa siłownik?

No dobra, wiemy już co to jest wartość zadana oraz regulowana, ale wciąż może pozostawać zagadką zasada działania samego siłownika. Zatem teraz, bardzo dokładnie prześledźmy jak nasza instalacja powinna działać, aby wszystko było w porządku. 🙂

Rzeczą od której zaczniemy to regulator z czujnikiem temperatury powietrza umieszczony w pomieszczeniu. Mierzy on temperaturę wewnętrzną, a następnie porównuje ją z temperaturą zadaną. Na potrzeby niniejszego przykładu przyjmijmy, że temperatura w pomieszczeniu wynosi np. +16°C i jest ona oczywiście mniejsza od temperatury zadanej, która z kolei wynosi +20°C.

Ok, zastanówmy się teraz wspólnie jakie będą tego konsekwencje. Siłownik steruje zaworem regulacyjnym, który wpływa z kolei na temperaturę czynnika grzewczego, zasilającego nagrzewnicę powietrza. Ponieważ temperatura w pomieszczeniu jest mniejsza od wartości zadanej, siłownik dostaje sygnał, że trzeba dostarczyć nagrzewnicy większej mocy, aby tym samym zwiększyć temperaturę powietrza nawiewanego.

W takim przypadku, siłownik przymknie by-pass, zwiększając jednocześnie przepływ wody powracającej z nagrzewnicy? Dlaczego tak? Ponieważ im więcej czynnika grzewczego będzie powracać z wymiennika ciepła bezpośrednio do instalacji, tym więcej czynnika o maksymalnej temperaturze będzie go zasilać (czyli będzie mniejszy przepływ wody przez by-pass). Dzięki temu, instalacja ciepła technologicznego będzie mogła dostarczyć nagrzewnicy więcej mocy, której potrzebuje. W rezultacie zwiększy się temperatura powietrza nawiewanego, a o to nam przecież chodzi. 🙂

Oczywiście w przypadku odwrotnym, tzn. w sytuacji, kiedy nagrzewnica będzie potrzebować mniejszej mocy, siłownik odpowiednio zwiększy przepływ przez by-pass, dzięki czemu również uzyskamy efekt, na którym nam zależy. Naturalnie na jakość regulacji bardzo duży wpływ ma jeszcze autorytet samego zaworu regulacyjnego (pod warunkiem, że mówimy o regulacji płynnej lub 3 punktowej), o którym więcej możesz przeczytać tutaj. Niemniej jednak, w tym artykule skupmy się przede wszystkim na siłowniku.

Siłownik i jego regulacja

Teraz, kiedy już wiemy jaka jest główna zasada działania siłownika, przejdźmy do konkretnych rodzajów regulacji. Na początek wymieńmy cztery, główne rodzaje takiej regulacji:

  • regulacja zamknij / otwórz
  • regulacja typu PWM
  • regulacja 3 punktowa
  • regulacja płynna

Regulacja zamknij / otwórz

Najprostszym sposobem regulacji jest regulacja zamknij / otwórz, czyli tzw. regulacja zero jedynkowa. W takim przypadku, siłownik steruje zaworem regulacyjnym tylko i wyłącznie na dwa sposoby. Albo całkowicie zamyka zawór, ograniczając przez niego przepływ wody do minimum, albo go całkowicie otwiera, przez co przepuszcza maksymalną ilość czynnika grzewczego.

Oczywiście takie rozwiązanie ma swoje plusy jak i minusy. Z jednej strony, regulacja taka jest mało awaryjna i stosunkowo tania w zakupie, tzn. siłownik który pracuje w ten sposób jest po prostu tańszy. Koszty automatyki sterującej pracą takiego urządzenia również będą mniejsze. Z drugiej strony, takie sterowanie zaworem regulacyjnym jest mało dokładne, czasami wręcz cholernie uciążliwe i jednocześnie droższe w samej eksploatacji.

Ponadto, dobierając siłownik, który pracuje właśnie w taki sposób, zawsze należy zwrócić uwagę na czas potrzebny do pełnego obrotu, tzn. do maksymalnego zamknięcia lub otwarcia przepływu przez zawór regulacyjny. Im czas ten będzie krótszy, tym szybciej widoczne będą rezultaty, ale również instalacja będzie bardziej narażona na uderzenia hydrauliczne. Innymi słowy, instalacje hydrauliczne wolą, kiedy zachodzące w nich zmiany są powolne.

No dobra, ale jak taka regulacja działa w praktyce? Za przykład weźmy sobie instalację, której głównym zadaniem jest utrzymywanie temperatury w pomieszczeniu na poziomie +20°C. Dodajmy, że powyższy system będzie wyposażony w zawór regulacyjny sterowany przez odpowiedni siłownik, a pomieszczenie będzie ogrzewane przy pomocy grzejników. Rozkład zmiany temperatury w czasie, dla omawianego przypadku został przedstawiony na poniższym wykresie.

Prześledźmy bardzo dokładnie pracę takiej instalacji. Na początku, kiedy temperatura w pomieszczeniu jest mniejsza od zadanej, tj. od +20°C, siłownik dostaje informację, że system potrzebuje więcej energii. Oczywiście w takim przypadku, zawór trójdrogowy będzie maksymalnie otwarty, aby dostarczyć największy, możliwy strumień ciepłej wody do grzejników.

Następnie, w okolicach 75 sekundy zgodnie z powyższym wykresem, temperatura powietrza w pomieszczeniu osiąga wartość zdaną. W takim przypadku regulator przesyła informację do siłownika, że parametr zadany został osiągnięty, a system nie potrzebuje już więcej ciepła. Ale… Zanim siłownik ruszy, tzn. zanim siłownik zacznie zamykać zawór regulacyjny upłynie pewien czas, który nazywany jest histerezą siłownika. Oczywiście czas ten jest związany zarówno z zastosowaną armaturą jak i samą automatyką.

Analizując nasz wykres możemy zauważyć, że dopiero w okolicach 105 sekundy, siłownik rozpoczyna zamykać zawór trójdrogowy. Co więcej, do tego czasu temperatura w pomieszczeniu zdąży już przekroczyć wartość +21°C.

Ok, jak już wcześniej powiedziałem, w końcu zawór rusza i zaczyna się zamykać. Oczywiście takie urządzenie nie zamyka się w przeciągu sekundy tylko potrzebuje nieco czasu, który w naszym przypadku wynosi 30 sekund. Ponownie spójrzmy na wykres i zobaczmy, co przez ten czas się stanie. Temperatura w pomieszczeniu wzrasta o kolejny stopień Celsjusza i w tym momencie w pomieszczeniu mamy już ponad +22°C.

Ale to oczywiście nie koniec. 🙂 Ponieważ nasza instalacja ogrzewana jest grzejnikami, posiada ona pewną bezwładność. Tzn. pomimo tego, że dopływ ciepłej wody do instalacji został już odcięty, w grzejnikach wciąż się ona jeszcze znajduje i zanim nie wystygnie, cały czas będzie oddawać ciepło do pomieszczenia. Taki proces nazywany jest bezwładnością instalacji lub też opóźnieniem czasowym.

Zauważmy, że w naszym przypadku czas ten trwa około 75 sekund, a temperatura powietrza w pomieszczeniu, zanim zacznie spadać, osiągnie wartość około +24°C. Jest to o 4°C więcej, niż nasza wartość zadana więc widzisz teraz, jak bardzo niedokładna jest regulacja zero jedynkowa.

Oczywiście analizując odwrotną sytuację, tzn. sytuację, kiedy zawór regulacyjny będzie zamknięty, aby temperatura w pomieszczeniu mogła wrócić do wartości zadanej, wszystko będzie się odbywać w analogiczny sposób. Tutaj również, temperatura po osiągnięciu wartości +20°C obniży się jeszcze do około +16°C, zanim zacznie wzrastać.

Regulacja ciągła

Ok, skoro przeanalizowaliśmy już bardzo dokładnie zasadę działania siłownika przy regulacji zamknij / otwórz, przejdźmy do regulacji ciągłej. Jest to regulacja, która zapewnia największą dokładność, ale tym samym pociąga za sobą największe nakłady inwestycyjne. Z drugiej jednak strony, koszty eksploatacyjne wtedy spadają, a sam komfort jest nieporównywalnie większy. Abyśmy mogli prześledzić dokładną zasadę działania takiej regulacji, ponownie posłużmy się odpowiednim wykresem, który znajduje się poniżej.

Tak jak widzisz na powyższym przykładzie, początkowo odchylenie pomiędzy wartością zadaną, a wartością osiąganą jest spore. Niemniej jednak, wraz z upływem czasu różnica ta się zmniejsza, aby ostatecznie precyzyjnie utrzymywać zadany parametr.

Dzieje się tak dlatego, że siłownik cały czas reaguje na zmiany w pomieszczeniu i ciągle koryguje odpowiednio przepływ czynnika grzewczego. Co więcej, w takim przypadku siłownik nie tylko może utrzymywać zawór regulacyjny w pozycji maksymalnie otwartej lub zamkniętej, ale może również osiągać stany pośrednie, zgodnie z aktualnym zapotrzebowaniem. Dlatego właśnie taki rodzaj regulacji jest bardzo precyzyjny i dokładny.

Pozostałe rodzaje regulacji

Powyżej omówiliśmy sobie regulację typu zamknij / otwórz oraz regulację ciągłą. Ponieważ zostały nam jeszcze dwa typy do przeanalizowania, tj. regulacja typu PWM oraz 3 punktowa, informacje o nich prześlę Ci na maila, aby artykuł nie wyszedł zbyt długi. Oczywiście jeżeli jesteś już zapisany na moją listę mailingową, to w ciągu najbliższych dni otrzymasz takie materiały. Jeżeli natomiast jeszcze się do niej nie zapisałeś to możesz to zrobić poniżej.

CHCESZ WIEDZIEĆ WIĘCEJ?
Już teraz zapisz się do darmowego newslettera i odbierz zestaw materiałów premium oraz dowiedz się o rzeczach, które niekoniecznie publikuję na stronie.
Chcę zapisać się do newslettera, a co za tym idzie wyrażam zgodę na otrzymanie na mój adres e-mail informacji o nowościach, promocjach, produktach i usługach oferowanych przez serwis swiadomyprojektant.pl oraz informuję, że zapoznałem się z treścią regulaminu i akceptuję jego treść. Wiem, że w każdej chwili mogę wycofać zgodę.

Pamiętaj, że lista ta służy mi tylko po to, aby dostarczyć Ci maksymalną ilość dodatkowej wiedzy i materiałów, których nie publikuję na stronie. Nie wysyłam na maila żadnych reklam, i nikomu nie udostępniam Twojego adresu e-mail więc możesz być o jego bezpieczeństwo całkowicie spokojny.

Zmieniony siłownik i część dalszy historii

Teraz, kiedy już wyjaśniliśmy sobie dokładnie zasadę działania siłownika, możemy wrócić do naszej historii. Tak jak Ci już wspomniałem, zauważyłem, że siłownik zastosowany przez wykonawcę nie zgadzał się z tym, co było zaprojektowane. Oczywiście pierwszą rzeczą jaką zrobiłem to sięgnąłem po telefon, a następnie odnalazłem to urządzenie w internecie. Interesowały mnie przede wszystkim jego parametry techniczne.

Na samym początku myślałem, że urządzenie to posiada zbyt małą siłę, aby poprawnie otwierać i zamykać zawór regulacyjny, który obsługuje. Ale już po pierwszych danych zauważyłem, że to nie to… Siłownik posiadał wystarczającą siłę. Zatem szukamy dalej. 🙂

Kolejną rzeczą, na którą zwróciłem uwagę to sposób jego zasilania, który był pochodną jego pracy. I w tym momencie byliśmy już w domu! Siłownik zastosowany w projekcie umożliwiał płynną regulację zaworu trójdrogowego. Siłownik, który zastosował wykonawca umożliwiał jedynie regulację zero jedynkową, czyli po prostu, albo otwierał zawór w pełni, albo go zamykał…

Ponieważ instalacja wentylacji mechanicznej zapewniała ogrzewanie ogromnej przestrzeni, a strumień powietrza wentylacyjnego był bardzo duży, taka regulacja nie mogła mieć tutaj miejsca. A przynajmniej nie w sytuacji, kiedy mówimy o poprawnej pracy. Dlatego też siłownik ten wymagał bezwzględnej zamiany na takie urządzenie, które jest przystosowane do regulacji ciągłej. Oczywiście wiązało się to również w ingerencję w automatykę.

W ciągu następnych kilku dni Inwestor zadzwonił do Wykonawcy i zapytał się dlaczego zastosował urządzenie inne niż było w projekcie. Odpowiedź, jak można byłoby się domyślić, była standardowa – ponieważ nie było żadnej potrzeby, aby zamontować, aż tak drogi siłownik. Czyli po prostu chodziło o pieniądze.

Nie mniej jednak, po dość długich oraz zaciętych bojach udało się w końcu wymusić na Wykonawcy wymianę siłownika. Kupił dokładnie ten, który był zaprojektowany, a następnie dostosowano do niego układ automatyki, który miał nim sterować. Dzięki czemu temperatura powietrza nawiewanego mogła byś płynnie regulowana. Oczywiście efekty były widoczne niemalże od razu.