Niewłaściwa regulacja temperatury powoduje wzrost kosztów energii, obniża komfort i wpływa negatywnie na niezawodność systemów HVAC. Siłowniki termiczne rozwiązują te problemy, umożliwiając precyzyjne, automatyczne sterowanie zaworami.
Siłownik termiczny przekształca energię cieplną lub elektryczny sygnał sterujący w ruch mechaniczny. W instalacjach HVAC służy on zazwyczaj do sterowania zaworami regulującymi przepływ ciepłej lub schłodzonej wody. Do głównych typów należą siłowniki termoelektryczne, woskowe, bimetaliczne, pneumatyczne, hydrauliczne i silnikowe, z których każdy jest dostosowany do różnych wymagań sterowania i warunków pracy.
Zrozumienie zasad ich działania oraz różnic między nimi ułatwia dobór odpowiedniego siłownika do systemu HVAC.
Czym jest siłownik termiczny?
A siłownik termiczny jest urządzeniem sterującym, które wytwarza ruch mechaniczny w odpowiedzi na ciepło, zmiany temperatury lub sygnał elektryczny powodujący wytworzenie ciepła wewnątrz urządzenia.
W instalacjach HVAC siłowniki termiczne są zazwyczaj montowane na zaworach regulacyjnych stosowanych w:
- Konwektory
- Układy chłodzenia
- Systemy ogrzewania podłogowego
- Rozdzielacze ogrzewania i chłodzenia
- Systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji z podziałem na strefy
- Systemy sterowania budynkami komercyjnymi
Ich głównym zadaniem jest regulowanie przepływu ciepłej lub schłodzonej wody w zależności od aktualnego zapotrzebowania na ogrzewanie lub chłodzenie.
Na przykład, gdy termostat wykryje, że w pomieszczeniu konieczne jest ogrzewanie, wysyła sygnał do siłownika. Siłownik otwiera odpowiedni zawór, umożliwiając przepływ gorącej wody przez punkt grzewczy. Po osiągnięciu wymaganej temperatury w pomieszczeniu sygnał sterujący ulega zmianie, a zawór zamyka się.
Ten zautomatyzowany proces pozwala utrzymać bardziej stabilną temperaturę w pomieszczeniach, jednocześnie ograniczając niepotrzebne zużycie energii.
Jak działa siłownik termiczny?
Zasada działania zależy od konstrukcji siłownika.
Typowy siłownik termoelektryczny składa się z trzech głównych elementów:
- Elektryczny element grzejny
- Materiał rozszerzający się pod wpływem temperatury
- Mechanizm tłokowy lub wrzecionowy
Po podłączeniu zasilania element grzejny podnosi temperaturę wewnętrznego materiału rozszerzalnego.
W miarę nagrzewania się materiału rozszerza się on i wytwarza siłę mechaniczną. Siła ta popycha trzpień siłownika, który następnie otwiera lub zamyka podłączony zawór systemu HVAC.
Po wyłączeniu sygnału elektrycznego materiał stopniowo się ochładza i kurczy. Sprężyna lub mechanizm powrotny powoduje powrót siłownika do pierwotnego położenia.
Siłowniki termiczne zazwyczaj działają wolniej niż tradycyjne silniki elektryczne. Jednak w instalacjach hydraulicznych systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji szybkie ruchy zazwyczaj nie są konieczne.
Ich stopniowy ruch może pomóc w utrzymaniu stabilnego przepływu wody i ograniczeniu nagłych zmian w systemie.
Jakie są główne rodzaje siłowników termicznych?
Siłowniki termiczne można klasyfikować według mechanizmu działania i źródła energii.
1. Siłowniki termoelektryczne
Siłowniki termoelektryczne należą do najczęściej stosowanych typów siłowników w instalacjach HVAC.
Wykorzystują energię elektryczną do podgrzania wewnętrznego elementu rozprężnego. Gdy materiał się rozszerza, wywołuje ruch liniowy, który uruchamia zawór.
Do typowych zastosowań należą:
- Zawory strefowe
- Konwektory
- Zawory grzejnikowe
- Rozdzielacze ogrzewania podłogowego
- Systemy dystrybucji ogrzewania i chłodzenia
Siłowniki termoelektryczne są zazwyczaj kompaktowe, ciche i nadają się do automatycznego sterowania włączaniem i wyłączaniem.
W zależności od wymagań systemowych są one zazwyczaj dostępne w normalnie zamknięty oraz normalnie otwarty konfiguracje.
2. Siłowniki termiczne z woskiem
Termiczne siłowniki woskowe wykorzystać rozszerzanie się i kurczenie specjalnie opracowanego wosku do wytworzenia ruchu mechanicznego.
Gdy wosk się nagrzewa, jego objętość wzrasta i wypycha tłok na zewnątrz. Gdy temperatura spada, wosk kurczy się, a tłok wraca na swoje miejsce.
Do najważniejszych cech należą:
- Kompaktowa konstrukcja
- Stosunkowo prosty mechanizm działania
- Duża wytrzymałość mechaniczna w stosunku do rozmiarów
- Płynny i stopniowy ruch
Siłowniki woskowe znajdują zastosowanie w zaworach systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), termostatycznych urządzeniach regulacyjnych, samochodowych układach chłodzenia oraz innych urządzeniach wrażliwych na temperaturę.
3. Bimetaliczne siłowniki termiczne
A siłownik bimetaliczny składa się z dwóch różnych metali połączonych ze sobą.
Ponieważ te dwa metale charakteryzują się różnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej, zmiany temperatury powodują wygięcie połączonego paska.
Ruch ten można wykorzystać do sterowania:
- Przełączniki elektryczne
- Małe zawory
- Tłumiki
- Termostatyczne mechanizmy regulacyjne
Siłowniki bimetaliczne mają stosunkowo prostą budowę i mogą działać bez skomplikowanych elektronicznych układów sterowania.
Jednak ich zakres ruchu i dokładność pozycjonowania mogą być bardziej ograniczone w porównaniu z siłownikami sterowanymi elektronicznie.
4. Siłowniki pneumatyczne
Siłowniki pneumatyczne wykorzystać sprężone powietrze do wytworzenia ruchu mechanicznego.
Ciśnienie powietrza oddziałuje na membranę lub tłok, co powoduje zmianę położenia podłączonego zaworu lub przepustnicy.
Siłowniki pneumatyczne są od dawna stosowane w:
- Duże budynki komercyjne
- Obiekty instytucjonalne
- Przemysłowe systemy wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania
- Starsze systemy automatyki budynkowej
Chociaż technologie sterowania elektronicznego są obecnie powszechnie stosowane, w wielu istniejących instalacjach nadal wykorzystywane są siłowniki pneumatyczne.
Mogą one również okazać się przydatne tam, gdzie istnieje już infrastruktura sprężonego powietrza.
5. Siłowniki hydrauliczne
Siłowniki hydrauliczne należy stosować ciecz pod ciśnieniem zamiast sprężonego powietrza.
Ciśnienie hydrauliczne porusza tłokiem lub innym elementem mechanicznym, wytwarzając siłę służącą do sterowania urządzeniami.
Do ich głównych cech należą:
- Duża siła robocza
- Stabilny mechanizm mechaniczny
- Przeznaczenie do większych obciążeń
- Doskonała wydajność w wybranych zastosowaniach przemysłowych
Jednak siłowniki hydrauliczne wymagają dodatkowych elementów i układów zarządzania płynami.
Z tego powodu są one rzadziej stosowane w standardowych instalacjach wentylacyjno-klimatyzacyjnych na poziomie pomieszczeń niż siłowniki termoelektryczne.
6. Siłowniki zaworów z napędem silnikowym
Siłowniki z napędem silnikowym nie zawsze są klasyfikowane jako siłowniki czysto termiczne, ale pełnią podobne funkcje regulacji temperatury w systemach HVAC.
Urządzenia te wykorzystują silnik elektryczny do ustawiania położenia zaworu zgodnie z sygnałami pochodzącymi z:
- Termostaty
- Czujniki temperatury
- Sterowniki systemów HVAC
- Systemy zarządzania budynkami (BMS)
Siłowniki z napędem silnikowym mogą zapewniać albo sterowanie włączaniem/wyłączaniem lub regulacja modulacyjna.
Dzięki regulacji modulacyjnej zawór może pozostawać częściowo otwarty, a nie tylko całkowicie otwarty lub całkowicie zamknięty.
Dzięki temu można precyzyjniej regulować przepływ wody w zależności od aktualnego zapotrzebowania na ogrzewanie lub chłodzenie.
Siłowniki termiczne typu „normalnie otwarte” a „normalnie zamknięte”
Kolejnym ważnym kryterium klasyfikacji jest domyślna pozycja robocza siłownika.
Normalnie zamknięty (NC)
A siłownik normalnie zamknięty utrzymuje zawór w pozycji zamkniętej, gdy nie jest podłączone zasilanie elektryczne.
Po podłączeniu zasilania siłownik otwiera zawór.
Konstrukcje typu „normalnie zamknięte” są zazwyczaj wybierane w sytuacjach, gdy przepływ wody powinien automatycznie ustać w przypadku przerwania sygnału sterującego lub zasilania elektrycznego.
Normalnie otwarty (NO)
A siłownik normalnie otwarty utrzymuje zawór w pozycji otwartej w przypadku braku zasilania elektrycznego.
Po podłączeniu zasilania siłownik zamyka zawór.
Tę konfigurację można wybrać, gdy konstrukcja systemu wymaga zapewnienia ciągłego przepływu podczas przerwy w zasilaniu.
Wybór właściwej opcji zależy od:
- Konfiguracja systemu HVAC
- Wymagania bezpieczeństwa
- Strategia sterowania
- Wymagania dotyczące zarządzania energią
- Działanie z zabezpieczeniem przed awarią
Jak dobrać siłownik termiczny
Wybór odpowiedniego siłownika to coś więcej niż tylko wybór między modelami normalnie otwartymi a normalnie zamkniętymi.
Do ważnych czynników technicznych należą:
- Kompatybilność z zaworami
- Napięcie robocze
- Długość skoku siłownika
- Siła zamykająca lub siła uruchamiająca
- Czas reakcji
- Typ sygnału sterującego
- Konfiguracja normalnie otwarta lub normalnie zamknięta
- Warunki otoczenia podczas pracy
- Wymiary połączeń
- Zgodność z systemem BMS
Inżynierowie powinni również ustalić, czy dane zastosowanie wymaga prostego sterowania typu „włącz/wyłącz”, czy też regulacji proporcjonalnej.
W przypadku projektów komercyjnych i przemysłowych dobór siłowników powinien być skoordynowany z ogólną strategią sterowania systemem HVAC, a nie traktowany jako decyzja dotycząca pojedynczego elementu.
Firma Jinyi HVAC oferuje przemysłowe i komercyjne rozwiązania w zakresie systemów HVAC, obejmujące dobór sprzętu, dostosowane do potrzeb strategie sterowania, wsparcie przy uruchomieniu oraz integrację z systemem zarządzania budynkiem (BMS) w zależności od wymagań danego projektu.
Wnioski
Siłowniki termiczne zapewniają niezawodne automatyczne sterowanie zaworami, przyczyniając się do poprawy regulacji temperatury, efektywności energetycznej, stabilności działania oraz ogólnej wydajności operacyjnej systemów HVAC.
