Sterowanie pracą mebla chłodniczego to z pozoru zadanie stosunkowo nieskomplikowane. Przez wiele lat z powodzeniem stosowane były do tego celu termostaty mechaniczne, uzupełniane ewentualnie (szczególnie w przypadku mebli niskotemperaturowych) przekaźnikami czasowymi do realizacji bardziej zaawansowanego cyklu odtajania.

Obecnie większość mebli, nawet tych niewielkich, wyposażona jest w sterowniki elektroniczne, które zależnie od aplikacji realizują wszystkie niezbędne funkcje związane ze sterowaniem pracą sprężarki, wentylatorów oraz, o ile są zainstalowane, grzałek elektrycznych odtajania. Najczęściej sterowniki te zapewniają podstawowy zakres sterowania, niewiele odbiegajacy od tego co oferowały dawne rozwiązania elektromechaniczne, dając oczywiście dodatkowe korzyści, jak np. bardziej dokładne utrzymywanie temperatury (możliwość precyzyjnego ustawienia wartości zadanej), wyświetlanie bieżącej wartości temperatury, informację o stanie załączenia sterowanych elementów i stanie pracy całego urządzenia, a także sygnalizację stanów alarmowych.

Od pewnego czasu obserwujemy coraz silniejszą tendencję do poszukiwania możliwości zmniejszania kosztów eksploatacji poprzez ograniczanie zużycia energii przez wszelkie eksploatowane systemy i urządzenia, w tym również przez meble chłodnicze. Jednostkowo meble nie zużywają co prawda bardzo dużych ilości energii, ale biorąc pod uwagę fakt, że pracują najczęściej 24h na dobę przez cały rok, a ich ilość obecna na rynku liczy się w skali jednego, średniej wielkości kraju w setkach tysięcy, łatwo wyobrazić sobie jak ogromne zużycie energii urządzenia te generują w skali globalnej. Nic dziwnego, że oczekiwaniem rynku jest optymalizowanie mebli chłodniczych pod względem ich efektywności energetycznej, choć barierą jest tu często koszt ewentualnych, energooszczędnych rozwiązań – zawsze konieczny jest tu pewien kompromis, z którego oczywiście zdają sobie sprawę producenci mebli i który muszą brać pod uwagę projektanci urządzeń poszukując rozwiązań, które dadzą w efekcie produkt energooszczędny, a jednocześnie możliwy do zaoferowania w atrakcyjnej cenie.

Rys. 1. ERC – sterowniki do mebli chłodniczych

Ważnym ogniwem, mającym wpływ na poziom zużycia energii każdego urządzenia jest oczywiście element sterujący jego pracą – w przypadku mebla, jak wspomniano, jest to obecnie najczęściej sterownik elektroniczny. Firma Danfoss opracowała nową generację sterowników, których gabaryty i konstrukcja nie odbiegają od standardów stosowanych w meblach chłodniczych, ale sposób realizacji funkcji sterujących stanowi wyraźny krok w kierunku optymalizacji zużycia energii (rys. 2). Oprócz wysokich standardów dotyczących rozwiązań sprzętowych, duży nacisk położono na algorytmy sterujące, analizując szczegółowo sposób eksploatacji mebli w przypadku różnych aplikacji. W efekcie powstała seria sterowników ERC, które dają projektantom mebli szereg nowych możliwości w zakresie opracowania koncepcji sterowania w porównaniu z meblami sterowanymi w sposób tradycyjny. Dla producentów mebli stosujących sterowniki ERC otwierają się więc nowe możliwość zaoferowania finalnego produktu wyróżniającego się na rynku innowacyjnością i energooszczędnością, przy zachowaniu parametrów użytkowych i ceny na oczekiwanym przez klientów poziomie.

W dalszej części artykułu przedstawiono wybrane funkcje związane z optymalizacją zużycia energii na przykładzie sterownika ERC 112 zastosowanego do sterownia witryną do chłodzenia napojów.

Rys. 3. Sterownik ERC 112D – typowy przykład podłączeń elektrycznych

Dostępne wersje

Sterowniki Danfoss typu ERC przeznaczone są do kompleksowego sterowania pracą mebli chłodniczych wyposażonych we własny agregat skraplający. Model ERC 112 występuje w 2 wersjach, oznaczonych odpowiednio literami C lub D. Obydwie wersje posiadają 5 wejść (4 x AI/DI oraz 1 x DI), natomiast różnią się ilością wyjść przekaźnikowych (rys. 3.). Wersja C posiada 3 wyjścia przekaźnikowe, wersja D odpowiednio 4 takie wyjścia.

Ponadto sterowniki ERC dostępne są w zróżnicowanej kolorystyce wyświetlaczy LED – czerwonej lub niebieskiej (rys. 4.), posiadają podświetlane ikony sygnalizujące stan działania poszczególnych wyjść i funkcji. Podstawowym typem czujników temperatury z jakimi współpracują sterowniki ERC 112 są czujniki NTC, opcjonalnie może być zastosowany dodatkowo 1 czujnik Pt1000. Oprócz czujników temperatury do sterowników ERC można podłączyć inne elementy zewnętrze takie jak: wyłącznik drzwiowy, czujnik światła, czujnik ruchu lub przełącznik uruchamiający wybraną funkcję.

Rys. 4. Sterownik ERC 112 w wersji z niebieskim wyświetlaczem

Podstawowe funkcje

Sterowniki ERC realizują wszystkie typowe i ogólnie znane funkcje związane z pracą mebla chłodniczego, takie jak: utrzymywanie zadanej temperatury (funkcja termostatu), sygnalizacja przekroczenia zadanej temperatury (termostat alarmowy), sterownie pracą sprężarki, sterowanie odtajaniem i pracą wentylatorów chłodnicy. Sterowniki te oferują również bardziej rozbudowane opcje związane z ich podstawowymi funkcjami, jak na przykład: zabezpieczenie sprężarki przed pracą przy zbyt niskim lub zbyt wysokim napięciem zasilającym, sygnalizację uszkodzenia czujnika temperatury, możliwość sygnalizacji zbyt wysokiej temperatury skraplania, automatyczne przyspieszone wychładzanie po załączeniu lub zatowarowaniu mebla, a także zapewniają dostęp do przydatnych informacji serwisowych (ilość załączeń poszczególnych wyjść przekaźnikowych, liczniki czasu załączenia, wartość aktualnego napięcia zasilania, czas pracy sprężarki od ostatniego odtajania, itp.).

Funkcje związane z oszczędnością energii

Oprócz funkcji podstawowych, sterowniki ERC mogą realizować cały szereg dodatkowych funkcji związanych z optymalizacją zużycia energii. Do tej grupy funkcji należą: automatyczny wybór trybu pracy (wychładzanie, praca normalna, praca w trybie ECO, praca w trybie wakacyjnym), adaptacyjne odtajanie, zaawansowane sterownie wentylatorami parownika itp.

Dzięki wykorzystaniu czujnika drzwi oraz czujników światła i ruchu, w połączeniu z automatyczną zmianą parametrów i nastaw odpowiedzialnych za zarządzanie energią w różnych trybach pracy, można osiągnąć znaczne oszczędności w zakresie jej zużycia. Warto zwrócić uwagę, że wyłączenie oświetlenia wewnątrz mebla, jak również cykliczna praca wentylatorów parownika, nie tylko powodują mniejsze zużycie energii przez te elementy, ale także wpływają na obniżenie zużycia energii przez agregat chłodniczy, gdyż w stanie załączenia stanowią one źródła dodatkowego ciepła dostarczanego do przestrzeni chłodzonej.

Poniżej przedstawiono krótki opis kilku wybranych funkcji optymalizujących zużycie energii, na przykładzie aplikacji sterowania witryny chłodniczej do sprzedaży napojów.

Rys. 5. Schemat ideowy sekwencji przełączania trybów pracy sterownika ERC 112

Automatyczny wybór trybu pracy

Sterownik ERC 112 oferuje 4 różne tryby pracy (rys. 5.), które są uruchamiane zależnie od aktualnych potrzeb. W przypadku ogólnym, sterownik realizować może następujące, przełączane automatycznie tryby pracy:

• wychładzanie – praca w tym trybie ma zapewnić możliwie szybkie osiągnięcie odpowiedniej temperatury przez napoje znajdujące się w szafie chłodniczej (czasowe obniżenie nastawy temperatury, wydłużenie czasu między odtajaniami itp.);
• normalne chłodzenie – w tym trybie chodzi o utrzymywanie zadanej temperatury w trakcie normalnej eksploatacji urządzenia (udostępnianie klientom napojów o właściwej temperaturze);
• ECO – w tym trybie urządzenie pobiera mniej energii dzięki zmianie niektórych parametrów pracy (podwyższenie nastawy temperatury, wygaszenie oświetlenia, okresowa praca wentylatorów chłodnicy) – stan taki jest utrzymywany w okresie, gdy nie jest realizowana sprzedaż napojów, czyli np. w nocy;
• wakacyjny – w okresach dłuższych przerw sprzedaży (np. święta, dni wolne, gdy sklep jest zamknięty), urządzenie przechodzi w tryb pracy zapewniający jeszcze mniejszy pobór energii niż w trybie ECO (np. poprzez dalsze podwyższenie nastawy temperatury).

Jak już wspomniano przełączanie między trybami pracy może następować całkowicie automatycznie, a sterownik dobiera odpowiedni tryb w sposób inteligentny na podstawie sygałów z podłączonych czujników. Szczegóły konfiguracji zależą od projektanta urządzenia chłodniczego i koncepcji jaka została przyjęta do realizacji sterowania daną aplikacją. Poniższej opisano ogólnie w jaki sposób mogą być realizowane zmiany trybu pracy.

Przejście w tryb wychładzania następuje zawsze, gdy temperatura wewnątrz przestrzeni chłodzonej przekracza zadaną dopuszczalną wartość maksymalną (nie chodzi tu o nastawę termostatu, lecz o ustaloną maksymalną dopuszczalną temperaturę wewnątrz szafy) przez ponad godzinę, czyli np. po zatowarowaniu mebla, lub po jego dłuższym postoju (np. na skutek wyłączenia lub okresowego braku zasilania).

Tryb ECO załącza się gdy sterownik wykrywa tzw. brak aktywności. Sposób w jaki to następuje zależy od konfiguracji sterownika i podłączonych czujników. W przypadku ogólnym brak aktywności może być wykrywany w następujący sposób:

• czujnik drzwi nie zarejestruje określonej ilości otwarć drzwi przez czas przekraczajacą zadaną wartość (brak otwierania drzwi przez dłuższy czas – brak klientów kupujących napoje);
• czujnik ruchu nie wykryje ruchu przez czas przekraczający zadaną wartość (w pobliżu mebla nie ma przechodzących osób – brak klientów kupujących napoje);
• czujnik oświetlenia zarejestruje spadek natężenia światła poniżej zadanej wartości (oświetlenie sklepu zostało wyłączone po jego zamknięciu – brak klientów);
• naciśnięty został przycisk ECO na panelu sterownika lub zewnętrzny przycisk podłączony do jednego z wejść (w ten sposób można ręcznie wymusić przejście w tryb pacy ECO, niezależnie od spełnienia podanych wyżej kryteriów).

Zakończenie trybu ECO (powrót do pracy normalnej lub do trybu wychładzania, gdy jest to wymagane ze wzgledu na zbyt wysoką temperaturę wewnątrz mebla) następuje, gdy któryś z czujnków zarejestruje odpowiedni poziom aktywności. Oznacza to np. że pojedyncze otwarcie drzwi, lub pojedyncza osoba przechodząca obok mebla nie powoduje zakończenia trybu ECO, nastąpi to dopiero, gdy przekroczone zostaną zdefiniowane przy konfiguracji sterownika ilości takich zdarzeń. Zabezpiecza to przed niepotrzebnym, zbyt wczesnym zakończeniem trybu pracy ECO.

Przedłużający się brak aktywności w trybie ECO, przekraczający zdefiniowany czas maksymalny, powoduje automatyczne przejście w tryb wakacyjny – kolejne podwyższenie nastawy i dalsze ograniczenie ilości energii zużywanej przez mebel.

Jak widać sterownik ERC zapewnia dobór właściwego trybu pracy w zależności od rzeczywistych potrzeb. Ponadto warto dodać (choć nie jest to funkcja związana z oszczędnością energii), że sterownik uwzględnia również sposób w jaki klienci korzystają z szafy chłodniczej (tzn. jak długo trwa zwykle okres obowiązywania trybu ECO do momentu wykrycia ponownej aktywności). Dzięki temu możliwe jest np. odpowiednio wcześniejsze zakończenie trybu ECO, tak aby napoje osiągnęły właściwą temperaturę w momencie, gdy jest to potrzebne, uwzględniając czas potrzebny na wychłodzenie napojów po okresie pracy w trybie ECO. Tak więc oszczędności energii nie są osiągane kosztem pogorszenia jakości obsługi klientów i serwowania napojów o zbyt wysokiej temperaturze.

Inteligentne odtajanie

Sterownik ERC 112 przygotowany jest do obsługi układów chłodniczych z odtajaniem naturalnym, elektrycznym lub gorącym gazem. Funkcja odtajania realizowana przez sterownik ERC kryje w sobie szczegóły związane z optymalizacją prowadzenia tego procesu.

Typową nastawą związaną z funkcją odtajania jest ustalenie interwału miedzy odtajaniami. W przypadku sterownika ERC 112 taka nastawa jest również dostępna, choć dodatkowo uwzględnia przypadki zaniku napięcia zasilającego. W takim przypadku timer zliczający czas między odtajanimi nie będzie kasowany (zabezpiecza to przed całkowitym brakiem odtajania na skutek krótkich przerw zasilania), chyba, że zarejestrowana po zaniku napięcia temperatura przekracza wartość temperatury końca odtajania (w tym przypadku parownik jest wolny od zaszronienia i timer odtajania zostanie wyzerowany).

Nastawa dotycząca interwału miedzy odtajaniami dotyczy dwóch wartości: minimalnego i maksymalnego czasu między odtajaniami. Po upłynięciu minimalnego czasu odtajanie zostanie zainicjowane przy najbliższym wyłączeniu sprężarki przez funkcję termostatu, chyba, że wcześniej upłynie maksymalny czas między odtajaniami. Dzięki temu, cykle odtajania zaczynają się w momencie, gdy towar jest odpowiednio wychłodzony i tym samym ograniczyć można wzrost temperatury produktów przy odtajaniu.

Odtajanie może być realizowane przez sterownik ERC w sposób adaptacyjny, tzn. taki, który pozwala na uzależnienie częstotliwości realizacji procesu odtajania od zmiennych warunków. Bez funkcji adaptacyjnej interwał między odtajaniami ustawia się tak, aby zapewnić prawidłowe odtajanie również w przypadkach skrajnych obciążeń. Prowadzi to zwykle do zwiększonego zużycia energii, gdyż w warunkach normalnych odtajania następują zbyt często jak na rzeczywiste potrzeby. Funkcja adaptacyjna pozwala na inteligentne zarządzanie odtajaniami. Tym samym osiągane są znaczące oszczędności energii, gdyż odtajania nie będą realizowane wtedy, gdy nie są konieczne. Funkcja ta może być skonfigurowana w sposób podany poniżej:

• start odtajania uzależniony od czasu pracy sprężarki – interwał między odtajaniami jest określony względem skumulowanego czasu pracy sprężarki, a nie wg upływu czasu rzeczywistego. Tym samym przy długich okresach postoju sprężarki i krótkich cyklach jej pracy (co oznacza mniejsze zaszronienie parownika), odtajania realizowane będą rzadziej niż w przypadku większego obciążenia i długiej pracy sprężarki. Ponadto można określić maksymalny czas ciągłej pracy sprężarki, którego upłynięcie będzie sygnałem startu odtajania;
• start odtajania uzależniony od temperatury parownika – w tym przypadku pomiar temperatury parownika pozwala na pośrednią ocenę stanu jego zaszronienia. Narastająca warstwa szronu stanowi izolację termiczną, a tym samym strumień ciepła dopływający do odparowującego czynnika spada, co w konsekwencji prowadzi do obniżania ciśnienia i temperatury parowania oraz spadek temperatury jego powierzchni. Stan taki jest wykrywany przez sterownik za pomocą czujnika temperatury parownika, co umożliwia uruchomienie odtajania w momencie gdy stan zaszronienia tego wymaga. Tym samym przy powolnym narastaniu szronu odtajania będą realizowane rzadziej, przy szybkim odpowiednio częściej.

Wentylatory parownika

Ograniczenie zużycia energii przez wentylatory parownika umożliwiają nastawy dotyczące sposobu ich działania w zależności od aktualnego trybu pracy sterownika.

Sterownik ERC 112 daje możliwość wyłączania wentylatorów (lub ich okresową pracę) przy postoju sprężarki wynikającym z jej wyłączenia przez funkcję termostatu. Dzięki temu uzyskuje się istotne oszczędności w porównaniu z najczęściej stosowaną, ciągłą pracą wentylatorów. W przypadku pracy cyklicznej określany jest zarówno czas postoju jak i czas pracy wentylatorów. Nastawy dotyczące okresu pracy i postoju mogą być zdefiniowane inaczej dla normalnego trybu pracy oraz inaczej dla trybu pracy ECO (i trybu wakacyjnego), tak aby wykorzystać w pełni możliwości optymalizacji w zakresie zużycia energii.

Dodatkowo w przypadku wentylatorów zdefiniować można opóźnienie ich startu po załączeniu sprężarki (wykorzystanie braku potrzeby przepływu powietrza przez parownik zanim osiągnie on właściwą temperaturę), jak też opóźnione ich zatrzymanie po wyłączeniu sprężarki (wykorzystanie możliwości dalszego odprowadzania ciepła przez wychłodzony parownik przez pewien czas po zatrzymaniu sprężarki). Dostępna funkcja w pełni automatycznego sterowania wetylatorami zapewnia wykorzystywanie bezwładności cieplnej całego mebla przy okresowej pracy wentylatorów na postoju sprężarki i załączenie jej dopiero wtedy, gdy wyczerpany został zapas „zimna” dostępny w wychłodzonych elementach mebla i całej przestrzeni chłodzonej.

Jeden z parametrów sterownika określa stan pracy wentylatorów przy otwarciu drzwi szafy chłodniczej. W takim wypadku, zależnie od nastawy, wentylatory mogą nadal pracować, mogą zostać zatrzymane na cały czas otwarcia drzwi lub też tylko na pewien ograniczony czas od momentu otwarcia drzwi (zabezpieczenie przed brakiem pracy wentylatorów spowodowanym niedomknięciem drzwi).

Podsumowanie

Sterowniki ERC umożliwiają nowoczesne podejście do zagadnienia sterowania mebli chłodniczych. Zaawansowane funkcje sterujące wykorzystują możliwości jakie daje sterowanie mikroprocesorowe w dużo większym stopniu niż było to spotykane dotychczas w większości sterowników dostępnych na rynku. Dzięki wielu innowacyjnym rozwiązaniom uzykano znaczący postęp w zakresie optymalizacji działania mebla chłodniczego zarówno jeśli chodzi o jego walory użytkowe, jak i efektywność energetyczną.

Wykorzystanie wszystkich funkcji sterownika związanych z oszczędnością energii, pozwala na ograniczenie jej zużycia na poziomie 25-35% w porównaniu z tradycyjnym sterowaniem opartym na prostych sterownikach nie posiadających zaawansowanych funkcji oszczędnościowych.

Zalety sterowników ERC zostały zauważone przez Zrzeszenie Europejskich Producentów Komponentów Chłodniczych ASERCOM już w przypadku pierwszej ich generacji (prestiżowa nagroda za produkt najbardziej innowacyjny i przyczyniający się do oszczędzania energii przyznana na targach CHILLVENTA 2010). Obecnie na rynek wprowadzana jest druga generacja tych sterowników, która stanowi dalszy krok w rozwoju tego typoszeregu sterowników.

LITERATURA

1. Dokumentacja techniczna, DKRCC.ES.RL0.D1.49: Sterownik do mebli chłodniczych ERC 112. Danfoss, grudzień 2013.
2. KOŁODYŃSKI Andrzej: Sterownik ERC 102 firmy Danfoss – to wymierne korzyści dla producentów mebli chłodniczych i ich końcowych użytkowników. Chłodnictwo, Nr 1-2, 2011, s.32-33.
3. Materiały wewnętrzne firmy Danfoss

Andrzej SZYMANIK
Koordynator Sprzedaży – Electronic Controllers & Services,
Danfoss Poland Sp. z o.o.