Měření a indikace tepla pro vytápění a příslušné přístroje (II)

Indikátory termočlánkové vycházejí z předpokladu, že množství tepla dodávané otopným tělesem je úměrné rozdílu mezi střední povrchovou teplotou otopného tělesa a teplotou vzduchu ve vytápěné místnosti. Měření těchto veličin je proveditelné jednoduchými prostředky. Používají se k tomu sériové termočlánky, jejichž teplé konce jsou umístěny na otopném tělese a studené konce snímají teplotu okolí. Proud, který je úměrný rozdílu těchto teplot napájí rtuťový elektrolytický počítač. Ten vylučuje na své katodě podle Faradayova zákona rtuť, jejíž množství je úměrné průtoku proudu.

Charakteristika běžného termočlánku je v rozsahu teplot do 100 °C lineární, tzn. že termoelektrické napětí a množství rtuti vyloučené elektrolytickým počítadlem je přímo úměrné teplotnímu rozdílu mezi otopným tělesem a okolím.

První termočlánkové indikátory se začaly používat již v předválečném Československu v roce 1937. Šlo o výrobky firmy Thermon, které byly použity v Praze v domech vytápěných Elektrárnou Holešovice v okolí Veletržního paláce. Šlo o indikátory zapojené v bytě do série. Velikost otopného tělesa byla respektována počtem termočlánků. Měření bylo jednoduché a náklady na indikátor relativně nízké. Je pozoruhodné, že některé z těchto indikátorů byly provozuschopné ještě koncem 60. let minulého století.

Na tuto osvědčenou značku navázal v roce 1964 indikátor Calom vyvinutý v tehdejším Výzkumném ústavu energetickém v Praze. Výsledným termoelektrickým proudem se napájelo přes sériový justovací odpor rtuťové elektrolytické počítadlo. Rtuť vyloučená z elektrolytu se hromadila v kapiláře a výškou jejího sloupce se indikovala dodávka tepla z otopného tělesa do vytápěné místnosti za celé otopné období.

Proti nepřípustným zásahům zvenčí byl indikátor chráněn bimetalickou ochranou. Tato ochrana spočívala ve spínači, který byl konstruován pro sledování teploty víka indikátoru. Při překročení povolené meze teploty vzniklém např. zakrytím indikátoru spínač zkratoval justovací odpor. Tím stoupl proud v obvodu a zvýšilo se vylučování rtuti na cca čtyřnásobek.

Po skončení otopného období se po odstranění pojistky (hliníkového kalíšku) odečetl počet dílků a počítadlo se vynulovalo překlopením o 180 °. Po vyprázdnění kapiláry se uvedlo do původní polohy a tím byl indikátor připraven k použití na další období.

K největšímu rozšíření indikátorů Calom došlo v 70. letech minulého století. Byl vyráběn v ZPA Ústí nad Labem a později ZRT Ostrava. V současné době se již nevyrábí.

Elektronické indikátory je možno rozdělit v podstatě na základě počtu čidel na:

1. s jedním čidlem;
2. se dvěma čidly.

Indikátory s jedním čidlem snímají pouze teplotu povrchu otopného tělesa. Stejně jako ostatní indikátory s jedním čidlem tak mohou sloužit pouze k indikaci poměrné doby využití otopného tělesa. Jejich výhodou je pouze vyšší komfort odečtu na displeji přístroje.

Jako všechny indikátory s jedním čidlem, nemohou ani elektronické indikátory sloužit pro rozúčtování nákladů na vytápění podle skutečně spotřebovaného tepla. K tomuto účelu by bylo nutno volit vnitřní teplotu ve vytápěné nemovitosti na jisté konstantní úrovni, např. + 21 °C. Jelikož se však vnitřní teploty vzduchu pohybují v rozmezí od + 16 °C do + 26 °C, zaváděla by se do výpočtu systematická chyba ± 30 %.

Pro rozúčtování nákladů v závislosti na spotřebě energie je proto nutno používat indikátorů se dvěma čidly, z nichž první bude snímat teplotu povrchu otopného tělesa a druhé teplotu ve vytápěné místnosti. V porovnání s indikátory jednočidlovými tak jde o zcela novou kvalitu.

Kromě tradičního odečtu na displeji je tyto indikátory možno odečítat např. i pomocí čipové karty (indikátory Metrix Systems) nebo pomocí infraportu (odečtové jednotky pro výrobky Metra Šumperk). Tento způsob umožňuje konečným spotřebitelům provádět odečet vlastními silami, aniž by bylo nutno vpouštět do bytu cizí osoby, zaměstnance firem provádějících odečty a rozúčtování.

Kromě tradičních odečtů mohou tyto přístroje umožňovat i plně automatizovaný přenos dat jakýmkoliv moderním způsobem komunikace. Flexibilní rozhraní se přitom přizpůsobuje potřebám uživatele i provozovatele. Komunikačními médii mohou být např. GSM-SMS nebo M-bus.

Systémem Heikozent se dá měřit nejenom tepelný výkon otopného tělesa, ale i množství tepla, které byt předává nebo získává ze sousedních bytů či nebytových prostorů společnou dělicí stěnou. Čidlo, které je zabudováno do této stěny je po stránce elektrické zapojeno jako dodatkové čidlo do měřicího obvodu příslušného bytu.

Systém Heikozent vyvinutý firmou AEG-Telefunken má oproti dosud užívaným zjednodušeným metodám měření a indikace bytové spotřeby tepla značné výhody. Systém je plně elektronický, nevyžaduje žádnou údržbu a umožňuje ústřední registraci a evidenci spotřeby tepla jednotlivých bytů. Jeho vysoká přesnost se pohybuje na úrovni stanovených měřidel pro měření spotřeby tepla nemovitostí (zúčtovacích jednotek), velkoodběrů nebo skupinových odběrů tepla. Jednoduché ukazovací zařízení umožňuje každému koncovému spotřebiteli, aby si v praxi ověřil, jaký vliv má způsob vytápění a větrání, na něž si zvykl, na spotřebu tepla a tím i náklady na vytápění. Tím také přístroj působí velmi kladně na snahy o racionalizaci spotřeby tepelné energie. Kvalitám přístroje odpovídá ovšem i jeho cena.

Jiným typem dvoučidlového elektronického indikátoru je švédský přístroj systému SVMC 70 u nás uplatňovaný ve výrobcích LOMEX. Jedno čidlo snímá teplotu venkovního vzduchu, druhé pak vnitřní teplotu ve vytápěné místnosti. Aby se snížila cena těchto přístrojů na přijatelnou míru, snímá se vnitřní teplota v jedné, tzv. referenční místnosti. Indikované údaje se přenášejí na centrální tablo.

Aby se pokud možno vyloučilo nebo maximálně omezilo ovlivnění čidel vnitřní teploty konečným spotřebitelem, Instaluje fa LOMEX toto čidlo pod omítku referenční místnosti. Rozdíl mezi teplotou venkovního a vnitřního vzduchu je postačujícím kritériem rozdělení nákladů mezi jednotlivé byty, pokud se přímo nepožaduje rozdělení nákladů podle skutečné spotřeby tepla jednotlivých místností.

Mezi indikátory s čidly na jiném principu patří indikátory VIPA, které byly vyvinuty na Vysoké škole strojní a textilní v Liberci v roce 1980. Tento indikátor využívá principu tepelné degradace metastabilních barevných center vyvolaných dávkou záření v původně průhledném materiálu.

Z fyziky pevných látek je známo, že velká dávka ionizujícího záření může způsobit výrazné změny některých vlastností ozářené látky. Jednou z těchto změn je vznik barevných center absorbujících světlo v původně transparentním materiálu, což lze pozorovat jako zbarvení látky. Objektivní metodou zjišťování optické hustoty těchto barevných center v látce je denzitometrie.

Pravděpodobnost, s jakou metastabilní barevné centrum v krystalické mřížce dané látky zanikne, závisí na teplotě a době expozice této teploty. Tepelné degradace barevných center (fadingu) lze za jistých vhodně zvolených podmínek využít i jako relativní míry poměru rozdělení tepla na okruhy jednotlivých otopných těles.

Čidlem indikátorů VIPA jsou skleněné destičky, které se montují na vratnou přípojku otopného tělesa. Optická hustota zbarvení tohoto prvku se po skončení otopného období změří na denzitometru a porovná se s výchozí hodnotou. Změna zbarvení je pak úměrná době využití otopného tělesa. Indikátor VIPA tak slouží podobně jako každý indikátor s jedním čidlem.

Nespornou výhodou indikátorů VIPA byla zpočátku především jejich nízká cena. V porovnání s odpařovacími indikátory bylo možno v 80. letech minulého století pořídit cca 4 indikátory VIPA. To v současné době již neplatí a cena těchto indikátorů je o cca 40 % vyšší než indikátorů odpařovacích.

Další výhodou je možnost velmi přesného vyhodnocení na denzitometru, jehož výstup může být buď digitální nebo přenášen na počítač provádějící rozúčtování nákladů na vytápění a fakturaci konečným spotřebitelům.

Oproti indikátorům umisťovaným na otopná tělesa je výhodou indikátorů VIPA jejich montáž na vratnou přípojku otopného tělesa. Odpadají tak diskuse o hledání optimálního místa na otopném tělese, v němž by měla být indikována jeho střední teplota.

Velkým problémem těchto indikátorů je však jejich instalace do krátkých přípojek otopných těles. V otopném období 2005/2006 jsem měl možnost provést měření na případech, kdy byl indikátor VIPA nainstalován ve vzdálenosti 14 až 20 cm od stoupacího potrubí. V těchto případech byla při plném odstavení otopného tělesa a po jeho vychladnutí za cca 3 hodiny indikována teplota, která byla výsledkem vedení tepla od stoupacího potrubí. V tomto případě je ovšem náměr indikátoru pro rozúčtování nákladů na vytápění zcela irelevantní a zavádějící. Nedostatkem ze strany výrobce a dodavatele pak je, že nikde není specifikována minimální vzdálenost indikátoru od stoupacího potrubí. Při zkouškách, které proběhly v Maďarsku v městě Szekesfehérváru udávala maďarská strana požadavek, aby vratná přípojka byla minimálně 70 cm dlouhá.

Otázkou zůstává i reakce indikátoru na teploty v místnostech v letním období.

Společnost VIPA udává, že její systém umožňuje rozúčtování nákladů na vytápění podle množství tepla nebo podle tepelné pohody, aniž by přitom používal problematické úpravy náměrů pomocí problematických koeficientů na polohu místností. Tím se ovšem dostává do kolize s vyhláškou Ministerstva pro místní rozvoj č. 372/2001 Sb.

Metoda výpočtů používaná pro rozúčtování je součástí "know-how" firmy. Z několika kusých údajů zveřejněných na stránkách odborných časopisů však vyplývají některé pochybnosti o správné aplikaci základních fyzikálních zákonů (např. kriteriálních vztahů při výpočtech součinitelů přestupu a prostupu tepla).