Regulace vytápění jednotlivých místností podle individuálních potřeb

Technické energetické přeměny jsou vždy více či méně silně spojeny s nároky na využívání přírodních zdrojů. Vedle spotřeby surovin se problémy emise produktů spalování do biosféry dostávají stále více do popředí odborných diskusí. Na tomto pozadí je třeba vidět usnesení spolkové vlády, které ukládá snížit emise CO₂ v období let 1987 - 2005 o 25 až 30 %.

Jedním z důležitých příspěvků pro dosažení tohoto cíle se jeví snížení spotřeby energie při vytápění budov. V roce 1997 činila konečná spotřeba energie pro vytápění budov v Německu 3 192 PJ, což odpovídá 33,7 % celkové spotřeby energie. Vzhledem k tomu, že tato spotřeba pro vytápění je kryta převážně spalováním fosilních paliv, skrývá v sobě vysoký potenciál možných úspor energie a tím i potenciál snížení emisí CO₂.

Vysokou specifickou spotřebu tepla u starších budov ovlivňuje více faktorů. Vedle špatné tepelné izolace obvodových plášťů budov jsou to i zastaralé vytápěcí systémy se zastaralými regulacemi. Svou roli hraje i velká výška podlaží u těchto budov. Pro snížení spotřeby přichází proto v úvahu především zlepšení tepelné izolace, jakož i topného a regulačního systému. Velkoplošné sanace se svou výší investičních nákladů vedou často k tomu, že i ekonomicky rentabilní investice nejsou nakonec realizovány.

Stanovení cíle sledování
Spotřebu tepla v místnosti tvoří spotřeba transmisního tepla (= tepla procházejícího stavební konstrukcí) a spotřeba větraného tepla:

Q = Q_T + Q_L = k.A.(t_i - t_a) + V. c_p .ρ. (t_i - t_a)

Vzorec:

k	koeficient průchodnosti tepla
ti	teplota místnosti
V	proud objemu vzduchu
cp	specifická tepelná kapacita vzduchu
A	plocha části stavby
ta	venkovní teplota
ρ	hustota vzduchu

Pokud z důvodu vysokých investičních nákladů nelze provést zkvalitnění pláště budovy (k.A), nabízí se pro snížení spotřeby tepla možnost snížení průměrné teploty místnosti (t_i). Cílem sledování bylo přizpůsobit úroveň teploty místnosti z regulačně-technického hlediska podle skutečného využívání místnosti. S ohledem na jednoduché a finančně výhodné odhalení existujícího potenciálu úspor byl jako východisko zvolen zásah do stávajících systémů regulace, tak aby se zamezilo nákladnému dodatečnému vybavování stávajícího fondu.

V oblasti regulační techniky předepisuje nařízení o vytápěcích zařízeních, že kromě nízkotepelných systémů musí být všechna ústřední vytápění vybavena centrální a pokojovou regulací. Současným stavem techniky je ústřední regulace přítokové teploty otopné vody v závislosti na vnější teplotě kombinovaná s pokojovou regulací pomocí termostaticky ovládaných ventilů topných těles. Vedlejším efektem této strategie regulace je, že termostatické ventily reagují na klesající přívodní, resp. zpětnou teplotu zvýšením průtoku, tak aby se teplota v místnosti udržovala pokud možno na konstantní úrovni. V důsledku tohoto efektu k požadovanému snížení teploty buď nedochází nebo jen v omezené míře. Z toho vyplývají následující požadavky na novou strategii regulace:

a) Přizpůsobení vytápění místnosti podle používání této místnosti s ohledem na požadavky uživatele týkající se stálého vytápění i v neobvyklých pracovních dobách
Kromě zajištění požadovaných teplot v místnostech ranním nuceným vytápěním existuje požadavek prostorového vytápění za přítomnosti osob a vytápění při krátkodobé nepřítomnosti. Cílené snížení teplot v případě neexistence potřeby však lze provádět jen na úroveň nosné teploty, tak aby bezpečně nedošlo k poškození agregátů nebo stavební substance (ochrana proti mrazu).

b) Příjemné zacházení s regulací pro uživatele
Snadná obsluha vyžaduje regulaci teploty v místnosti pokud možno bez potřebných zásahů a bez nutnosti programování. Kromě lepší přijatelnosti systémů, které se obejdou bez prvků, jejichž ovládání je nutno se naučit, lze také snadněji zamezit chybám v obsluze a chybnému nastavení.

c) Z hlediska finančních nákladů pokud možno vhodné řešení, které je použitelné pro více systémů bytového fondu.

Struktura regulace vytápění jednotlivých místností
Základem regulace jednotlivých místností vyvinuté z těchto předem daných podmínek je kombinace následujících složek:

• infračervený hlásič pohybu pro zachycení aktuálního užívání místnosti
• topné odpory pro ovlivnění seřízení termostatu,
• spínací hodiny pro nastavení určitých definovaných dob vytápění,
• čidlo ochrany proti mrazu pro zaručení určitých minimálních teplot a regulační jednotka.

Regulátor řídí elektrické topné odpory na ventilech termostatů v závislosti na signálech vysílaných ze spínacích hodin, hlásiče pohybu a čidla ochrany proti mrazu. Odpory se principiálně zahřívají, takže přívod otopné vody do topného tělesa se zmenšuje nebo zastavuje, pokud nenastane jeden z následujících případů:

• Místnost se používá:
  Hlásič pohybu uvolní normální funkci ventilů termostatu. Přestavitelná automatika setrvačného chodu zabrání, aby se vyhřívání místnosti v případě krátkodobé nepřítomnosti příliš rychle nevypínalo.
• Seřízení užitečné teploty:
  Spínacími hodinami lze předem nastavit dobu zahřívání, tak aby na začátku používání místnosti byla k dispozici dostatečná teplota. Při použití spínacích hodin s týdenním programem může o víkendech odpadnout ranní zahřívání.
• Ochrana proti mrazu:
  V tomto případě se topení zapíná, aby se zabránilo vzniku škod způsobených mrazem. Alternativně lze pro danou místnost předem stanovit nosnou teplotu.

Dosažené úspory energie
S využíváním místnosti jako s hlavním vstupním parametrem vyvinutého systému regulace vytápění jednotlivých místností bylo nutno vycházet z toho, že pracovní charakteristika je silně závislá na profilu používání těchto místností. V prvním kroku analýzy pracovního využití byly proto jako příklad vybrány následující typy místností s různou strukturou využívání, tak aby bylo možno prozkoumat pracovní charakteristiky a efekty úspor regulace:

• kancelář:
  tuto místnost, zařízenou jako trvalé pracoviště, charakterizuje prakticky stálé obsazení během regulérní pracovní doby
• místnost měřicí techniky:
  místnost se využívá jednak pro skladování měřicích přístrojů a jako pracoviště s nepravidelným obsazením.
• místnost pro semináře:
  charakterizuje silně nepravidelné využívání

Obr.4 Spotřeba zemního plynu analyzované budovy bez vlivu venkovní teploty

Koncepce měření byla podle teploty místnosti vybudována jako průměr k snížené spotřebě tepla na měření úrovně teploty místnosti a teplot topných těles. Aby byla měření v různých dnech, resp. týdnech srovnatelná, byla navíc zaznamenávána i venkovní teplota.

Na obr.2 a 3 jsou jako příklad zachyceny profily teplot místností s použitím regulace a bez regulace jednotlivých místností u typu místnosti pro semináře a kanceláře. Je možné provést přímé srovnání naměřených dat, protože venkovní teplota vzduchu se od sebe odchylovala jen zhruba o 0,5 °C.

Podařilo se dosáhnout snížení teploty místnosti cca. na 19 °C o víkendu a v nočních hodinách, které lze vysvětlit uzavíráním ventilů termostatu v době mimo využívání místností. Podobné výsledky ukazují profily teplot všech zkoumaných typů místností, přičemž lze konstatovat, že bezpečně bylo možno zabránit poklesu teploty v době spotřeby zejména v silně využívaných kancelářských místnostech.

Na základě těchto výsledků byla pro budovu vypočítána roční úspora ve výši cca. 20 %, kterou bylo nutno ve druhém kroku projektu ověřit. Celá budova byla pro tyto účely vybavena regulací jednotlivých místností a byla provedena analýza vývoje spotřeby paliva za několikaleté období.

Srovnání spotřeby paliva ve vztahu k stupňům vytápění za den (HDT) (srov. obr. 4) ukazuje, že spotřebu energie v dlouhodobém průměru ve výši 78,4 kWh/HDT se podařilo snížit o cca. 15 % na 66,5 kWh/HGT. Odpovídajícím způsobem se podařilo snížit náklady na topnou energii z průměrných 8 122 DM/a ročně na 7 202 DM/ročně (při respektování cenových změn).

Závěrečný pohled
Vedle využití v soukromém sektoru existuje speciální oblast využití regulace jednotlivých místností v průmyslově využívaných, nebytových prostorách. Zejména v kancelářských budovách se díky různým druhům činností pracovníků, v důsledku úprav pružné pracovní doby i dní dovolených a absencí setkáváme s nepravidelným využíváním místností, které lze jednoduchými časovými programy pro regulaci vytápění zachytit jen neúplně. Tomuto nepravidelnému využívání místností lze optimálně přizpůsobit spotřebu topné energie regulací jednotlivých místností ve spojení s evidencí nepřítomnosti.

Úspory lze přitom odvozovat převážně ze zřetelného snížení úrovně teploty místností v době jejich nevyužívání, aniž by to mělo vliv na úroveň teploty během jejich využívání.

V důsledku nízkých nákladů na zhotovení systému regulačního zařízení (při podřízené výrobě 500 regulátorů jsou materiální náklady na kancelářskou budovu s 43 místnostmi zhruba ve výši 6.000,- DM) otvírá se možnost aplikace zejména u domovního fondu. Ztráty komfortu se přitom není nutno obávat, protože ovládací prvky lze používat, jak je zvykem, a zaručen zůstává i bezhlučný provoz nastavovacích členů.

Obr.2a Profil teploty místnosti pro semináře bez použití regulace jednotlivé místnosti (listopad 1994).

Obr.2b Profil teploty místnosti pro semináře s použitím regulace jednotlivé místnosti (listopad 1994)

Obr.3a Profil teploty místnosti kanceláře bez použití regulace jednotlivé místnosti (listopad 1994)

Obr.3b Profil teploty místnosti kanceláře s použitím regulace jednotlivé místnosti (listopad 1994)