Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 114 TOPLOTNA TEHNIKA Radiatorsko komoro za testiranje grelnih elemen- tov sta leta 2020 nadgradila podjetje Danfoss in Fakulteta za strojništvo – Laboratorij za ogrevalno, sanitarno, solarno tehniko in klimatizacijo. V sklo- pu prenove je šlo za posodobitev regulacijskega in nato še hidravličnega dela komore. Tu je bila ključ- na vgradnja tlačno neodvisnih krmilnih ventilov in s tem tudi aktuatorjev, ki omogočajo lažje projekti- ranje, montažo in hidravlično uravnoteženje same- ga cevnega sistema. Zelo pomembna pridobitev je bila tudi centralna nadzorna enota, ki z dodatnimi zaznavali omogoča krmiljenje in analizo delovanja. Samo komoro lahko obravnavamo kot neke vrste pripomoček za določitev učinkovitosti ogreval in konvektorjev, karakteristik ventilov ter njihovih av- toritet itd. Komora ima dva načina obratovanja oziroma re- žima: »poletni režim« – komora obratuje tako, da imamo tople stene – jih segrevamo, prostor – v na- daljevanju komoro, pa hladimo s konvektorjem (Fan Coil). »Zimski režim« – komora obratuje tako, da imamo hladne stene, ki jih hladimo, komoro pa segrevamo s konvektorjem (Fan Coil). Tako ima sam sklop 6 sestavnih enot: Komora Komora ima dimenzije 4,3 m x 4,1 m x 2,9 m, nje- na površina tako znaša 17,6 m 2 , njena prostornina pa 51,1 m 3 . Na zunanji strani je izolirana z izolacijsko peno Armaflex, na notranji strani pa so nameščeni radiatorji, ki predstavljajo stene, strop in tla v re- alnem prostoru – z njimi tako simuliramo zunanje vplive. Konvektorska enota Konvekotrska enota je sestavljena iz ventilatorske- ga konvektorja, merilnika pretoka, ekspanzijske po- sode, regulacijskega ventila, šestpotnega ventila, merilnika razlike tlaka, obtočne črpalke. Tu ima glavno vlogo ventilatorski konvektor, ki de- luje na principu prisilne konvekcije zraka. Ta kroži skozi prenosnik toplote s pomočjo ventilatorja. T ako imajo v večini primerov ventilatorski konvektorji boljšo učinkovitost kot radiatorji, saj zaradi prisilne konvekcije učinkovito in prijetno oddajajo toploto. Pomembna elementa v tem sklopu pa sta tudi regu- lacijski ventil in njegov aktuator. Regulacijski ventil je tlačno neodvisen, saj ima možnost kontrole gi- bljivosti diferenčnega tlaka, ki vzdržuje konstanten padec tlaka. Aktuator, ki je primeren za uporabo s tlačno neodvisnim ventilom, pa skrbi za hidravlično uravnoteženje cevne mreže. Režimski del V tem delu so opisane naprave, ki ne obratujejo v obeh režimih, torej obratujejo samo v poletnem ali pa v zimskem režimu delovanja komore. Anastasija Jocić, izr. prof. dr. Matjaž Prek, univ. dipl. inž., Urška Mlakar, mag. inž., izr. prof. dr. Uroš Stritih, univ. dipl. inž., vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo d elovanje in uporaba komore za preizkušanje grelnih teleS Anastasija Jocić, Matjaž Prek, Urška Mlakar, Uroš Stritih Cilj članka je predstaviti delovanje in sestavne dele komore, ki se nahaja v Laboratoriju za ogrevalno, sanitarno, solarno tehniko in klimatizacijo (LOSK) na FS. V nadaljevanju članka bodo predstavljene tudi možnosti uporabe komore za izvajanje dinamičnih meritev v kontroliranih pogojih. Slika 1 : Zunanjost komore Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 Naprave, ki jih imamo v tako imenovanem režim- skem delu, so: pretočni hladilnik, grelec vode, kalo- rimeter, obtočne črpalke in toplotna črpalka. Voda, ki jo pošiljamo skozi konvektor, je hlajena s pretoč- nim hladilnikom – pretočni hladilnik deluje samo v »poletnem režimu«. Grelci vode so namenjeni pri- pravi tople vode tako v poletnem kot zimskem reži- mu. Kalorimeter je kompakten ultrazvočni merilnik za merjenje toplote. Poleg tega pa z njim merimo tudi temperaturo in pretok vode. Toplotna črpalka obratuje samo v zimskem režimu. Uporablja se za pripravo hladne vode, ki jo pošiljamo v radiatorske stene za hlajenje komore. Poleg toplotne črpalke imamo zalogovnik hladne vode, katerega volumen znaša 500 litrov. Potrebujemo ga, saj toplotna čr- palka ne bi zmogla sproti hladiti tolikšne količine vode. Zaznavala V sklopu komore je nameščenih 16 temperaturnih zaznaval in dve zaznavali vlage. V celotnem meril- nem sklopu se uporabljajo trije tipi zaznaval:  naležni – kovina zunaj ohišja nalega neposredno na toplotni oziroma hladilni vir;  hitroreakcijski – imajo boljšo odzivnost na spre- membe;  potopni – za merjenje temperature medija. Druga oprema Temperaturna zaščita je namenjena zaščiti pred to- plotno obremenitvijo. Če zazna višjo temperaturo od 70 °C, izklopi električno energijo za vse grelce. Ventilator je namenjen razpihovanju zraka po ko- mori, njegova jakost pa se nastavlja ročno. Sklop štirih žarnic je namenjen segrevanju komore in se obravnava kot dodaten notranji toplotni vir. Centralna nadzorna enota Program centralne nadzorne enote deluje na prin- cipu programa, napisanega v programskem okolju LabVIEW. Upravljalni panel je za uporabnika najbolj pomemben, saj z njim upravljamo celotno komoro. Sestavljen je iz petih glavnih zavihkov:  za vihek Home je glavni oziroma osnovni zavi- hek. Tu upravljamo večino naprav v sklopu ko- TOPLOTNA TEHNIKA 115 Slika 2 : Konvektorska enota in njeni sestavni deli Slika 3 : Režimski del in njegovi sestavni deli Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 116 TOPLOTNA TEHNIKA more: vključujemo črpalke in nastavljamo režim in jakost obratovanja. Omogoča nam tudi na- stavljanje števila grelcev, nastavljanje odprtosti ventilov, temperaturo v prostoru in jakost ven- tilatorja;  za vihek Settings (ki je razdeljen še v podzavih- ke);  za vihek Diagnostics je namenjen vklopu in iz- klopu skoraj vseh naprav v sklopu komore;  za vihek Graphs je namenjen prikazu grafov;  za vihek File Viewer je namenjen prikazovanju datotek, ki so v obliki tabele. Primer uporabe komore kot učnega pripomočka za dinamične meritve Na temo uporabe komore je bilo napisanih šest di- plomskih nalog, saj ta omogoča opravljanje meritev v kontroliranem okolju. V nadaljevanju bomo pri- kazali primer dinamičnih meritev PID-regulacije za sistem hlajenja. Regulacija ureja delovanje procesa tako, da ena ali več procesnih spremenljivk ostane na želeni vre- dnosti kljub spremenljivim vplivom okolja. Primer takšne regulacije je ohranjanje konstantne tempe- rature v prostoru pozimi. V principu poznamo dve glavni regulaciji: ročno, pri kateri spremembe in- tenzivnosti izvaja človek, in avtomatsko, pri kateri spremembe izvaja tehnična naprava. PID-krmilniki so nameščeni v številnih aplikacijah za nadzor industrijskih procesov. Kratica PID pomeni Proporcionalno-Integralno-Diferencialno. To pome- ni, da na krmilniku nastavljamo tri parametre: pro- porcionalno ojačenje (P oziroma Kc), integracijska časovna konstanta (I oziroma Ti) in diferencialna časovna konstanta (D oziroma Td). Značilnosti posameznih členov pri PID-regulaciji:  proporcionalno ojačenje (P oziroma Kc) – odziv na trenutno stanje: večja, kot je vrednost, bolj izrazita je sprememba – večji skoki in večje sto- pnice;  integracijska časovna konstanta (I oziroma Ti) – odziv na dogajanje v preteklosti: večja, kot je vrednost, počasnejši je odziv – slabo vpliva na stabilnost sistema; vedno v kombinaciji s P-čle- nom;  diferencialna časovna konstanta (D oziroma Td) – odziv na dogajanje v prihodnosti: večja, kot je Slika 4 : Centralna nadzorna enota Slika 5 : Posnetek zaslona upravljalnega panela Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 sprememba napake, večji je odziv; člen D ojači nenadne spremembe; vedno v kombinaciji s P- in I-členom. Na sliki 6 vidimo tri primere regulacije s PID. Prvi primer prikazuje uporabo samo člena P, drugi pri- mer uporabo členov P in I, zadnji primer pa upo- rabo vseh treh členov, torej P, I in D. Vidimo, da je najmanjši odstopek pri uporabi vseh treh členov in največji odstopek pri uporabi samo člena P. Pri me- ritvah bomo upoštevali regulacijo členov P in I. V sklopu meritev bomo z regulacijo PID uravna- vali pretok, ki posledično vpliva na temperaturo na izstopu iz ventilatorskega konvektorja v komo- ri. Meritve bomo spremljali prek hitroreakcijskega senzorja, ki je nameščen pred ventilatorskim kon- vektorjem. Pred meritvami je treba ogreti stene in zagnati pretoč- ni hladilnik za hlajenje vode za ventilatorski konvektor. Na upravljalnem panelu nastavljamo tri parametre: in sicer želeno temperaturo prostora, proporcionalni (člen P) in integracijski parameter (člen I). Meritve izvedemo tako, da sprednjo in desno steno segrevamo. Njuno temperaturo nastavimo na 29 °C, pri čemer uravnavamo temperaturo desne stene. V centralni nadzorni enoti je pomembno nastaviti tudi to, da bo privzeti senzor tisti, ki je pred ventila- torskim konvektorjem. Tako sta bili izvedeni dve meritvi: sprememba že- lene temperature prostora s 16 °C na 18 °C in spre- memba temperature prostora z 18 °C na 16 °C. Para- metra, ki smo ju merili, pa sta bila: čas delovanja in temperatura, ki jo je zaznal senzor na izhodu venti- latorskega konvektorja. Na grafu (slika 7) je prikazana prva meritev, in sicer sprememba temperature s 16 °C na 18 °C. Propor- cionalni člen P ima vrednost 2, integracijski člen I pa je 0,1. Na grafu (slika 8) je prikazana druga meritev, in si- cer sprememba temperature z 18 °C na 16 °C. Pro- porcionalni člen P ima enako vrednost kot prej, torej 2, integracijski člen I pa smo zmanjšali za polovico, in sicer na 0,05. Če primerjamo zgornja grafa, vidimo, da je razli- ka v spremembi integracijskega člena I očitna. Pri prvi meritvi je veliko več prenihajev kot pri drugi. Prvi prenihaj je sicer pri obeh enak (odstopanje za 1 °C), a se pozneje izkaže, da se sistem zaradi manjše vrednosti I hitreje odzove na spremembe, torej se hitreje izniha. Na koncu pa smo določili še čas, po katerem se temperatura ustali. Zaradi nenatančnosti senzorjev je bilo priporočeno, da upoštevamo, ko se tempera- tura ustali do 90 % natančnosti, torej da tempera- tura niha med 17,8 °C in 18,2 °C pri prvi meritvi, pri drugi pa med 15,8 °C in 16,2 °C. Pri prvi meritvi smo odčitali, da se temperatura ustali po 748 sekundah, pri drugi pa se ustali po 336 sekundah. Opazimo, da se z zmanjšanjem člena I občutno skrajša tudi čas ustalitve. Vidimo, da je treba pri PID-regulaciji skrbno izbrati člene P in I. S tema členoma namreč močno vplivamo na nihanje temperature in čas nje- ne ustalitve. Tako lahko zaključimo, da je v praksi komora za te- stiranje grelnih elementov kar uporaben pripomo- ček. Kot je bilo že omenjeno, lahko z njo opravimo praktično vse relevantne meritve v kontroliranih pogojih, ki se pojavijo pri snovanju nekega sistema za ogrevanje, hlajenje in klimatizacijo. V prihodnosti upamo, da se bo komora še nadgrajevala in poma- gala pri določenih izzivih, ki se pojavljajo v praksi. TOPLOTNA TEHNIKA 117 Slika 6 : Primeri regulacije s členom P, členoma P in I ter členi P, I in D Slika 7 : Graf temperature v odvisnosti od časa pri zvišanju temperature prostora s 16 °C na 18 °C Slika 8 : Graf temperature v odvisnosti od časa pri znižanju temperature prostora z 18 °C na 16 °C