‫ובקרה‬
‫בשטח‬
‫חדשהינע‬
‫מערכות‬
‫בקרה של מערכת משאבות חום‬
‫רונן שחר*‬
‫משאבת חום היא מערכת אשר עובדת באופן‬
‫דומה לצי'לר בקירור‪ ,‬אולם מתוכננת ומיועדת‬
‫לחימום מים לטמפרטורה של עד ‪ 65‬מעלות‬
‫צלזיוס‪.‬‬
‫ביישומים תעשייתיים בהם נדרשת תפוקה‬
‫גדולה לחימום מים‪ ,‬יש צורך לשלב בין‬
‫המערכת הקיימת ומערך של מספר משאבות‬
‫חום הפועלות במקביל‪.‬‬
‫חיבור למערכת קיימת‬
‫*הכותב הינו מהנדס בחברת גדיר מערכות‬
‫התקנה בקיבוץ סעד‬
‫חימום והטמעה של משאבות חום במערכת‬
‫קיימת דורש תכנון הנדסי מקדים‪ ,‬תוך‬
‫שילוב נכון של התקנה נכונה ומערכת בקרה‬
‫חכמה היודעת לנתר עומסים‬
‫וטמפרטורות בנקודות שונות‬
‫במערכת חימום המים ולדאוג‬
‫להפעלה מדורגת של משאבות‬
‫חום‪ ,‬לזיהוי וחיווי תקלות‬
‫והפעלת גיבוי בעת הצורך‪.‬‬
‫הטמעה של מערך משאבות‬
‫חום במערכת קיימת‪ ,‬ניתן‬
‫לבצע במגוון אופנים‪ ,‬להלן‬
‫מספר אפשרויות לחיבור‪:‬‬
‫מערך‬
‫איור‪ 1‬מדגים חיבור של‬
‫איור ‪1‬‬
‫משאבות חום למערכת קיימת‪,‬‬
‫בשילוב תנור הסקה‪ .‬באיור‪ ,‬מערכת משאבות‬
‫החום המחוברת לקו החוזר לתנור (הקו הקר‬
‫יותר)‪ ,‬כך שמשאבות החום מקבלות עדיפות‬
‫ראשונה לחימום חוזר של המים‪ ,‬ואילו התנור נמצא‬
‫בעדיפות שנייה‪ .‬בקר הדרגות‪ ,‬המנהל את המערכת‪,‬‬
‫דוגם את הטמפרטורה היוצאת ממשאבות החום‬
‫ומפעיל בצורה מדורגת את משאבות החום‪ .‬במידה‬
‫וטמפרטורת האספקה במערכת יורדת (מכל סיבה‬
‫שהיא) מתחת לרף שנקבע מראש‪ ,‬בקר הדרגות מפעיל‬
‫את תנור ההסקה שנמצא בעדיפות שנייה למערכת‬
‫משאבות החום ומחמם את המים עד לטמפרטורה‬
‫הרצויה‪ .‬שיטת חיבור זו‪ ,‬מאפשרת אספקת מים‬
‫חמים בטמפרטורה הרצויה בשילוב התנור ושליטתו‬
‫באמצעי דיגיטלי (ולא אנלוגי‪ ,‬כנהוג בתנורי הסקה)‪,‬‬
‫תוך דיוק בהוצאת הטמפרטורה הרצויה וחסכון‬
‫בצריכת הדלק למבער התנור‪.‬‬
‫דגימה של טמפרטורת המים‬
‫דוגמא נוספת לבקרה של משאבות חום מובאת באיור‬
‫‪ :2‬האיור מדגים בקרה של חימום מאגר המיועד‬
‫לתהליך בתעשייה ( ‪ )Double Jacket‬באמצעות‬
‫משאבות חום (כעדיפות ראשונה) והפעלה של‬
‫תנור ההסקה (כעדיפות שנייה) כגיבוי‪ .‬מכיוון שאנו‬
‫מחממים כמות גדולה של מים‪ ,‬החיישן האופרטיבי‬
‫של המערכת מותקן בכניסה למערכת משאבות החום‬
‫וזאת כדי לדגום את הטמפרטורה של המאגר (לפני‬
‫חימום המים)‪ .‬תנור ההסקה מחובר כגיבוי למערכת‪,‬‬
‫ובקר הדרגות מפעיל את התרמוסטט הקיים של‬
‫תנור ההסקה בעת הצורך‪ .‬תרמוסטט התנור (הקיים)‬
‫נשאר פעיל במערכת‪ ,‬כדי למנוע מצב של חימום גבוה‬
‫מידי של מי המאגר ביציאה מתנור ההסקה‪ .‬איור ‪3‬‬
‫מדגים התקנה של משאבות חום במפעל תהליכי‬
‫לחימום מאגרים‪.‬‬
‫איור ‪3‬‬
‫‪10‬‬
‫מערכת השליטה והבקרה של מערכת משאבות החום‪,‬‬
‫המהווה חלק חשוב ממערכת החימום יכולה להיות‬
‫ממשפחת ה‪ D.D.C-‬או ‪ ,P.L.C‬אולם חשוב שתהיה‬
‫עם התכונות הבאות‪ :‬השהייה בהפעלה – כך נמנע‬
‫הפעלה מיותרת כתוצאה מירידה זמנית בטמפרטורה‬
‫הנדגמת (ריצוד); ‪ – Cycling‬החלפת משאבת חום‬
‫מובילה כול מספר שעות עבודה ידוע מראש; טווח‬
‫פרופורציונאלי (‪ – )Proportional Band‬המערכת‬
‫מפעילה בצורה מדורגת את משאבות החום‪ ,‬בהתאם‬
‫לטמפרטורה הנדגמת‪ ,‬ולא בתצורת ‪ ;ON/OFF‬הפעלת‬
‫התנור (שלא כחלק ממערכת משאבות החום) ורק‬
‫במידה והטמפרטורה הנדגמת יורדת מתחת לרף‬
‫שנקבע; הפעלת מצב "‪ – "Economy‬הגדרת בקר‬
‫המאפשרת הורדת הטמפרטורה היעד של המערכת‬
‫(‪ )Set point‬בשעות מסוימות‪ ,‬והעלאה שלה בשעות‬
‫הנדרשות; "דילוג" על דרגה תקולה‪ ,‬והמשך עבודה‬
‫מרץ ‪2012‬‬
‫ובקרה‬
‫בשטח‬
‫כותרת‬
‫חדשהינע‬
‫מערכות‬
‫איור ‪2‬‬
‫רציפה עם הדרגות התקינות; יציאת תקלה – במידה‬
‫ומתרחשת תקלה‪ ,‬הבקר ידע להתריע על כך; פרוטוקול‬
‫תקשורת פתוח כדוגמת ‪ RS485‬או ‪.ModBus‬‬
‫בקר דרגות פרופורציונאלי‬
‫לוח החשמל שמודגם באיור ‪ ,4‬מתוכנן להפעיל שלוש‬
‫משאבות חום ‪ 62‬קילו‪-‬וואט כל אחת‪ ,‬ומכיל‪ :‬בקר‬
‫דרגות פרופורציונאלי השולט על משאבות החום‬
‫ומאפשר שליטה עד רמה של עשיריות המעלה‪,‬‬
‫מבחינת אספקת מים חמים וחיבורו לתנור הסקה‬
‫כגיבוי וכן בקר מתוכנת המאפשר שליטה ובקרה‬
‫מרחוק על בקר הדרגות דרך מסכי ‪ ,HMI‬המאפשרים‬
‫צפייה נוחה בנתונים‪ ,‬סטטיסטיקות‪ ,‬וסטאטוס‬
‫המערכת (מסך תקלות) דרך רשת האינטרנט מכול‬
‫מקום בעולם‪ .‬למרות שניתן היה לשלב את שני‬
‫הבקרים בבקר ‪ P.L.C‬אחד‪ ,‬בלוח חשמל זה בוצע‬
‫שימוש בבקר פרופורציונאלי קיים (האלגוריתם שלו‬
‫כבר קיים‪ ,‬נוסה והוא בעל כול היתרונות שפורטו‬
‫בסעיף הקודם)‪ ,‬ביחד עם בקר מתוכנת המאפשר‬
‫גמישות רבה בהצגת פרמטרים ללקוח‪ ,‬במסכי ‪HMI‬‬
‫שונים ועל רשת האינטרנט‪ .‬איור ‪ 5‬מדגים הטמעת‬
‫מערכת משאבות חום בקיבוץ סעד‪.‬‬
‫לשאוב אנרגיה מקו זה‪ ,‬ולכן‬
‫באופן אוטומטי מפעילה‬
‫את המפוחים ושאיבת‬
‫החום נעשית מהאוויר‪.‬‬
‫עם חזרת הצי'לר לפעילות‬
‫רגילה‪ ,‬מערכת משאבות‬
‫החום מזהה את האפשרות‬
‫לשאיבת חום מהקו החוזר‪,‬‬
‫המפוחים מפסיקים את‬
‫פעולתם והמערכת מבצעת‬
‫‪ Heat Recovery‬מלא‬
‫מהצ'ילר‪ .‬מערכת הבקרה‪,‬‬
‫במשאבות החום‪ ,‬מבצעת‬
‫את המעבר בצורה אוטומטית‪ ,‬תוך אפשרות‬
‫של כיוון הפרמטרים בצורה ידנית‪ ,‬בהתאם‬
‫לאופי עבודת המערכת בשטח‪.‬‬
‫מערכת מניית אנרגיה‬
‫פן נוסף של מערכת הבקרה‪ ,‬הנו מערכת‬
‫המנייה‪ ,‬המאפשרת לעקוב אחר צריכת‬
‫איור ‪5‬‬
‫האנרגיה תוך השוואה למערכת הקודמת‬
‫שפעלה במקום ומעקב אחר אחוז החיסכון‬
‫שהושג‪ .‬איור מס' ‪ 5‬להלן‪ ,‬מדגים מערכת‬
‫מנייה במפעל בו הותקנו משאבות חום ואת‬
‫אחוז החיסכון שנחסך‪ :‬מערכת המנייה מהווה‬
‫סטנדרט בהתקנות של משאבות חום מרכזיות‪,‬‬
‫מאפשרת צפייה וניתור המערכת ברמה יומית‪/‬‬
‫חודשית‪/‬שנתית באמצעות האינטרנט ומהווה‬
‫אלמנט חשוב למעקב אחר‬
‫ביצועי המערכת והחיסכון‬
‫שהושג‪ .‬מערכת הבקרה‪ ,‬אשר‬
‫משולבת בצורה נכונה בפרויקט‪,‬‬
‫תשיג הצלחה במספר מישורים‪:‬‬
‫המערכת תעמוד בדרישות‬
‫החיסכון המצופה ממנה‪ ,‬ולאורך‬
‫זמן; המערכת תדע לספק מים‬
‫חמים בכול תנאי מזג אוויר‪,‬‬
‫תוך עדיפות לחימום במשאבות‬
‫החום וגיבוי מינימאלי של‬
‫התנור; שמירה על תקינות‬
‫המערכת לאורך זמן‪.‬‬
‫לסיכום‪ ,‬משאבות החום מהוות פתרון נקי‪,‬‬
‫ירוק ובעלות תפעולית זולה‪ ,‬ביחס לכל‬
‫מערכת קונבנציונאלית לחימום מים‪ .‬הטמעת‬
‫מערכת משאבות חום בצורה יעילה במערכת‬
‫קיימת ובשילוב בקרה חכמה‪ ,‬תביא להחזר‬
‫השקעה קצר ולחסכון בהוצאות התפעול‬
‫השוטף של המתקן‪ˆ .‬‬
‫איור ‪4‬‬
‫זו מערכת מרכזית‪ ,‬המיועדת לחימום מי צריכה לכ‪-‬‬
‫‪ 300‬משפחות בקיבוץ‪ .‬המערכת המקורית חוממה‬
‫באמצעות תנור קיטור ושני מאגרים קיימים של‬
‫כ‪ 4,000-‬ליטר כל אחד‪ .‬במסגרת הטמעת משאבות‬
‫החום‪ ,‬בוצעו שינויים הן בתשתיות הצנרת והן‬
‫במערכת הבקרה‪ ,‬כך שתינתן עדיפות למשאבות‬
‫החום בחימום המים ורק במקרים קיצוניים שבהם‬
‫תפוקת משאבות החום לא מספיקה‪ ,‬תיכנס מערכת‬
‫הקיטור כגיבוי‪.‬‬
‫מערכת הבקרה מזהה‬
‫איור ‪ 6‬מדגים משאבות חום ‪ Double Source‬במלון‬
‫קיסר אילת‪ .‬אלה משאבות בתפוקה של ‪ 37‬קילו‪-‬וואט‬
‫כול אחת‪ ,‬בעלות מאייד כפול‪ ,‬המאפשרות "שאיבת‬
‫חום" הן מהקו החוזר של הצ'ילר‪ ,‬והן מהאוויר‪.‬‬
‫במשך רוב ימות השנה‪ ,‬הצי'לר פעיל ולכן ניתן‬
‫איור ‪6‬‬
‫"לשאוב" אנרגיה מהקו החוזר שלו לטובת חימום‬
‫מי צריכה ואספקת מים מקוררים בחזרה לצי'לר‪.‬‬
‫בתקופה הקצרה‪ ,‬כשמערכת הצילר מושבתת‪ ,‬מערכת‬
‫הבקרה של משאבות החום מזהה כי לא ניתן יותר‬
‫‪ 2012‬מרץ‬
‫‪11‬‬