«Έξυπνο σπίτι» KNX και αντλίες Θερμότητας (Α/Θ)

Στα παρακάτω αναδημοσιεύεται ένα πολύ ενδιαφέρον άρθρο με τίτλο:  «Έξυπνο σπίτι» KNX και αντλίες Θερμότητας (Α/Θ), το οποίο μου διέθεσαν οι συνάδελφοι κ κ Νεκτάριος Βρυώνης και Γιάννης Κονίδης* και τους οποίους ευχαριστώ.


Το συνεχώς αυξανόμενο κόστος θέρμανσης, η μη εξασφάλιση της προσδοκώμενης ενεργειακής απόδοσης των κλασικών συστημάτων θέρμανσης / ψύξης (λέβητας - καυστήρας / αντλίες θερμότητας on-off), η μη αποφυγή ρύπων που δημιουργεί η παρουσία μικροσωματιδίων στις αέριες μάζες γύρω από τα αστικά κυρίως κέντρα με συνακόλουθα προβλήματα στην υγεία των κατοίκων και η επιτακτική ανάγκη μείωσης ενεργειακού κόστους που θα οδηγήσει σε σημαντικότατη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης  έχουν οδηγήσει στην αναζήτηση εναλλακτικών τεχνολογιών τόσο για την κάλυψη αναγκών θέρμανσης όσο και ψύξης.

Οι αντλίες θερμότητας (Α/Θ) αποτελούν ένα από τα οικο­νομικότερα και πιο προηγμένα τεχνολογικά συστήματα με τον υψηλότερο ενεργειακό βαθμό απόδοσης για τέτοιες εφαρμογές, καθώς εξαιτίας του μεγάλου ενεργειακού βαθμού απόδοσης τους, απαιτούν αισθητά λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία τους,ενώ ταυτόχρονα αποτελούν μια απόλυτα φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία (Directive 2009/28/EC).

Η εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας οφείλεται στο ότι χρησιμοποιούν ηλε­κτρική ενέργεια μόνο για την κίνηση των ηλεκτρικών τους μερών. Κατά τη διάρκεια του χειμώνα (θέρμανση), η αντλία θερμότητας αντλεί θερμότητα από το εξωτερικό περιβάλλον  την οποία αξιοποιεί (αύξηση της θερμοκρα­σίας) και τη διοχετεύει σε ένα εσωτερικό περιβάλλον (οικία/κτίριο), ενώ αντίθετα το καλοκαίρι (ψύξη / δροσισμός) αντλεί θερμότητα μέσα από το εσωτερικό περιβάλλον και την απορρίπτει στο εξωτερικό. 

Για να γίνουν πιο κατανοητά τα οφέλη αυτής της τεχνολογίας  αρκεί να ληφθεί υπόψη ότι για την παραγωγή 4 kW  θερμικής ενέργειας χρειάζεται η κατανάλωση μόλις 1 kW ηλε­κτρικής ενέργειας (ένα τέτοιο σύστημα έχει βαθμό απόδοσης COP = 4), δηλαδή εξοικονό­μηση ενέργειας έως και 75%. 

Συνδυάζοντας μια Α/Θ με ένα κύκλωμα κτιριακού αυτοματι­σμού όπως το KNX, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε στο έπακρον τις δυνατότητες λειτουργίας των αντλιών, επιτυγχάνο­ντας την απόλυτη εξοικονόμη­ση ενέργειας για ψύξη και θέρμανση αλλά και πολύ υψηλά επίπεδα άνεσης για τους χρήστες.

Στο παρακάτω διάγραμμα, το οποίο είναι ένα τυπικό διάγραμμα συνδυασμού Α/Θ με KNX, παρατηρούνται δύο ανεξάρτητα κυκλώματα νερού τα οποία τροφοδοτούν δυο ανεξάρτητες ζώνες ενδοδαπέδιου συστήματος θέρμανσης / δροσισμού με δυνατότητα ταυτόχρονης παραγωγής ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ),  η αποθήκευση του οποίου γίνεται σε ένα δοχείο ζεστού νερού χρήσης (boiler ΖΝΧ) το οποίο είναι τοποθε­τημένο στο μηχανοστάσιο πλησίον της εσωτερικής μονάδας της Α/Θ. 

Η εσωτερική μονάδα της αντλίας είναι συνδεδεμένη μέσω KNX Gateway με το σύστημα KNX.

Κύκλωμα που συνδυάζει το σύστημα κτιριακού αυτοματισμού ΚΝΧ και αντλία θερμότητας

Τοπολογία συστήματος KNX - αντλίας θερμότητας

Διακρίνονται δύο βασικές κατηγορίες κυκλωμάτων που συνδυάζουν Α/Θ με KNX, με:

1.  Μια μονάδα Α/Θ (stand alo­ne)

2.  Πολλαπλές μονάδες Α/Θ (group control / cascade).

Πιο συγκεκριμένα:
1.  Κυκλώματα  με μια μονάδα

Σε κάθε υλοποίηση stand alo­ne, είναι διαθέσιμα τέσσερα διαφορετικά προφίλ χρήσης:

-- Local mode 
-- Air mode

-- Water mode

-- Full mode

Κύκλωμα με μία μονάδα Α/Θ

Για το καθένα από αυτά έχουμε:
Local mode

Σε αυτή την περίπτωση υπάρχει μόνο η δυνατότητα λήψης στοιχείων λειτουργίας (π.χ. λειτουργία ψύξης / θέρμανσης, κατώφλι θερμοκρασίας / setpoint, εξωτερική θερμοκρασία,  θερμοκρασία νερού κ.ά.) από την αντλία θερμότητας για τη χρήση τους στο δίκτυο KNX. 

Συνήθως το σύστημα μπαίνει σε αυτό το προφίλ μόνο για λόγους συ­ντήρησης ή ελέγχου βλαβών, και είναι δυνατός ο διαγνω­στικός έλεγχος της αντλίας και του συστήματος.

Air mode

Σε προφίλ airmode, το gateway της αντλίας θερμότητας μπορεί να δεχθεί από το KNX δύο διαφορετικές τι­μές: την επιθυμητή θερμοκρασία του χώρου (setpoint) και τη μετρούμενη θερμοκρασία του χώρου (ambient). Οι εντολές που αποστέλλονται στην Α/Θ είναι:

•    Εντολή στάσης / εκκίνησης (μεμονωμένα σε κάθε ένα α­πό τα 2 κυκλώματα ή συνολικά σε 
     όλη τη μονάδα).

•    Εναλλαγή λειτουργίας ψύξης / θέρμανσης.

•    Θέρμανση πισίνας (on / off και έλεγχος θερμοκρασίας).

•     Ζεστό νερό χρήσης ΖΝΧ (on / off και έλεγχος θερμο­κρασίας).

•     Προστασία από δημιουργία συμπυκνωμάτων (on / off και έλεγχος θερμοκρασίας).
Water mode

Παρέχονται ακριβώς οι ίδιες λειτουργίες με το προφίλ Air mode, ενώ παρέχεται επιπλέον δυνατότητα ενσωμάτωσης δοχείου αδράνειας.

Full mode

Στο προφίλ full mode  παρέχονται συνδυαστικά όλες οι παραπάνω λειτουργίες ταυτόχρονα.

2.  Κυκλώματα  με πολλαπλές μονάδες

Σε αυτή την περίπτωση, με τη χρήση πολλαπλών KNX gateways (ένα για κάθε αντλία θερμότητας), μπορεί να γίνει ταυτόχρονος έλεγχος όλων των μονάδων.

Κύκλωμα με πολλαπλές μονάδες Α/Θ

Υλοποίηση και λειτουργίες συστήματος KNX - αντλίας θερμότητας

Με την πλήρη ενσωμάτωση των αντλιών θερμότητας σε ένα σύστημα KNX, μπορούμε να πετύχουμε τα παρακάτω:

α. Επιπλέον εξοικονόμηση ενέργειας έως και 10% σε σχέση με την αυτόνομη λειτουργία ενός συμβατικού συστήματος θέρμανσης με αντλία θερμότητας on / off. Αυτή η επιπλέον εξοικονόμηση προέρχεται από τον έλεγχο της θερμοκρασίας εισόδου / εξόδου του νερού της αντλίας μέσω συστήματος εσωτερικής / εξωτερικής αντιστάθμι­σης, δυνατότητα την οποία

μας δίνει το σύστημα KNX (μέσω του KNX Gateway). Αναλυτικότερα, σε ένα κλασικό σύστημα θέρμανσης συνδυασμού αντλίας θερμότητας on / off και ενδοδαπέδιου συστήματος θέρμανσης που δεν χρησιμοποιείται σύστημα KNX, η έξοδος του νερού είναι σταθερά ορισμένη σε μια θερμοκρασία (π.χ. 43^oC για ενδοδαπέδια θέρμανση . Σε αυτή την περίπτωση  ο επιμέρους θερμοστατικός έλεγχος σε διαφορετι­κούς χώρους επιτυγχάνεται με έλεγχο PWM (pulse width modulation) σε ηλεκτροβάνες, καθώς μια Α/Θ on - off δεν διαθέτει σύστημα ελεγ­χόμενης αντιστάθμισης.

Το σύστημα KNX μέσω του KNX gateway μας δίνει τη δυνατότητα να μειώσουμε τεχνητά αυτή τη θερμοκρασία εξόδου του νερού (ελέγχοντας παράλληλα τη θερμοκρασία εισόδου προς το κύκλωμα του ενδοδαπέδιου συστήματος , διακόπτοντας τη συνεχή ροή νερού προς το ενδοδαπέδιο σύστημα χωρίς όμως να μεταβληθεί η ενέργεια που απορροφάει η αντλία από το εξωτερικό περιβάλλον, αποτέλεσμα του οποίου είναι η εξοικονόμηση ενέργειας.

β. Υψηλή απόδοση θέρμανσης / υψηλά επίπεδα άνεσης. 

Ο συνδυασμός Α/Θ με KNX επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας κλιματιστι­κών συστημάτων μεγάλης αδράνειας (το χαρακτηριστικότερο σύστημα κλιματισμού μεγάλης αδράνειας είναι οι ενδοδαπέδιες). Πιο συγκεκριμένα, μια τυπική ενδοδαπέδια χρειάζεται ένα χρόνο της τάξης των 330 min για να αυξήσει τη θερμοκρασία του χώρου κατά 3^oC (αδράνεια). 

Η ενσωμάτωση της Α/Θ στο KNX επιτρέπει στον ίδιο θερμοστάτη να ελέγχει την ενδοδαπέδια, αλλά και ένα δεύτερο συμπληρωματικό κλιματιστικό σύστημα μικρής αδράνειας όπως fancoil ή VRV.

Στην πράξη αυτό σημαίνει ότι έως ότου η ενδοδαπέδια μπορέσει να επιτύχει την αύξηση της θερμοκρασίας των 3^oC, θα δουλεύει παράλληλα το δεύτερο σύστημα (fancoil ή VRV) για να υπάρχει διαρκώς η επιθυμητή θερμοκρασία στο χώρο μέχρι η ενδοδα­πέδια να μπορέσει να καλύψει μόνη της τις θερμικές ανάγκες του χώρου.

Ο κλιματισμός λειτουργεί μόνο όταν υπάρχει πραγματικά ανάγκη, εξοικονομώντας περαιτέρω ενέργεια. 

Ένα σύστημα KNX μπορεί να προσφέρει εξοικονόμηση ενέργειας με τη δημιουργία λειτουργιών αυτοματισμού, καθώς η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται μόνο όταν υπάρχει πραγματικά ανάγκη. Η ενσωμάτωση του συστήματος κλιματισμού στο KNX μπορεί να επιφέρει περαιτέ­ρω εξοικονόμηση ενέργειας με τους παρακάτω ενδεικτι­κούς τρόπους:

•    Εκμετάλλευση ηλιακής α­κτινοβολίας

Έχοντας ηλεκτρικά ρολά που ελέγχονται μέσω KNX και εξωτερικούς αισθητήρες φωτεινότητας στην πρόσοψη του κτιρίου, στις ημέρες με υψηλή ηλιοφάνεια το χειμώνα ανεβαίνουν αυτόματα τα ρολά (εφόσον είμαστε σπίτι) για να αυξηθεί η εσωτερική θερμοκρασία του χώρου, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση. Αντίστοιχα το καλοκαίρι, με την αντίστροφη διαδικασία, τα ρολά κατεβαίνουν αυτόματα για να μειώσουν τα θερμικά φορτία των εσωτερικών χώρων του κτιρίου, ε­ξοικονομώντας ενέργεια στην ψύξη.

•    Χρονοπρογράμματα

Δυνατότητα ακόμα και για τον τελικό χρήστη να δημιουργήσει χρονοπρόγραμμα στο θερμοστάτη KNX με τις ώρες που θα απουσιάζει καθημερινά από το σπίτι. Έτσι, την περίοδο αυτή αποστέλλεται αυτόματα στους θερμοστάτες χαμηλότερη επιθυμητή θερμοκρασία χώρου, μειώνοντας δραστικά την ενέργεια που καταναλώνει το σύστημα κλιματισμού.

•     Ανίχνευση παρουσίας ανθρώπων

Κάθε θερμοστάτης KNX μπορεί να ρυθμιστεί σε ένα προκαθορισμένο κατώφλι επιθυμητής θερμοκρα­σίας (π.χ. 21^oC). Για συστήματα κλιματισμού μικρής  αδράνειας  (fancoil, VRV), όταν δεν ανιχνεύεται η παρουσία ανθρώπου σε ένα χώρο (με τη χρήση ανιχνευτών κίνησης ή παρουσίας KNX), η επιθυμητή αυτή θερμοκρασία μπορεί να μεταβάλλεται αυτόματα σε μια άλλη τιμή η οποία απαιτεί λιγότερα ποσά ενέργειας (π.χ. 19^oC αντί για 21^oC το χειμώνα και 23^oC αντί για 21^oC το καλοκαίρι).

Θερμοστάτες KNX

Η λειτουργία της αυτόματης μεταβολής της επιθυμητής θερμοκρασίας που αναφέρ­θηκε παραπάνω γίνεται με χρήση της δυνατότητας που έχουν οι θερμοστάτες KNX για αποθήκευση έως και τεσσάρων επιθυμητών θερμο­κρασιών ταυτόχρονα, που α­ποθηκεύονται σε ξεχωριστές θέσεις μνήμης (modes). Τα διαθέσιμα modes είναι:

•    Comfort mode

     Αποθήκευση επιθυμητής θερμο­κρασίας κατά την παρουσία ανθρώπων στο χώρο.

•    Stand-by mode
     Επιθυμητή θερμοκρασία χώρου για μι­κρά διαστήματα απουσίας.

•    Night mode
     Επιθυμητή θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της νύχτας.

•    Anti-frost mode
     Προστασία του κυκλώματος νερού σε πολύ χαμηλές εξωτερικές θερμοκρασίες.

Μορφή θερμοστάτη ΚΝΧ

Οι παραπάνω λειτουργίες (modes) ενεργοποιούνται και από απλά μπουτόν KNX, δημιουργώντας μεγαλύτερη ευελιξία ελέγχου της θερμο­κρασίας χωρίς τη χρήση πολλών διαφορετικών θερμοστατών που αυξάνουν το κόστος της εγκατάστασης. Π.χ. κατά την έξοδό μας από το κτίριο, στο ίδιο πλήκτρο διακόπτη που δίνει μια κεντρική εντολή απενεργοποίησης όλων των φορτίων, μπορούμε ταυτόχρονα να δώσουμε εντολή για stand by mode στο θερμοστάτη.

*

Ο κ. Νεκτάριος Βρυώνης είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός, MSc, ABB i-bus® KNX product manager στον τομέα Βιομηχανικών Προϊόντων

Ο κ. Γιάννης Κονίδης είναι μηχανολόγος - μηχανικός, Heatpumps product manager στον τομέα της Συστημάτων Κλιματισμού, ABB AE.