Inteligentní energetický management bytového domu

Rostoucí ceny energií, potřeba snižování primární energie a snižování negativního vlivu lidské činnosti na životní prostředí nás nutí hledat technická řešení, která jsou schopna zachovat zažitý standard s co nejnižší potřebou primární energie.

Jedno z takových řešení můžeme nalézt ve zpětném získávání tepla z odpadní vody a vzduchu. Správnou instalací běžně dostupných zařízení, jako jsou tepelná čerpadla, lze odpadní teplo zachytit a vrátit zpět do budovy. Toto řešení je obzvláště zajímavé v těchto turbulentních časech, kdy napomáhá snížit závislost na importovaných energetických nosičích.

S rostoucími cenami energií, globálními klimatickými změnami a tlakem na snižování provozních nákladů je třeba hledat nová řešení při správě a využívání energií. V posledních letech čelíme jako společnost různým šokům a krizím. Období krizí začaly pandemií, poté v roce 2022 nastoupila energetická krize způsobená vojenskou agresí Ruské federace vůči Ukrajině. Poslední krize, která ještě zcela neodezněla, rozkolísala ceny energií (zejména zemního plynu) v evropském prostoru a v mnoha dalších částech světa.

Z uvedených důvodů se proto musíme dívat po řešeních, která by nám pomohla k efektivnějšímu využívání energetických zdrojů, a hledat možnosti, jak minimalizovat potřebu primární energie při zachování zažitého standardu. Jednou z možností, jak se k dané problematice postavit, je využívat zpětného získávání tepla z odpadní vody či vzduchu. Funkčním řešením, které je již ověřeno i praktickými aplikacemi, je instalace tepelných čerpadel, která jako primární zdroj tepelné energie využívají kanalizační odpadní vodu a odsávaný vzduch z budov.

Energetická spotřeba budov

Celosvětový sektor budov odpovídal za 30 % celkové spotřeby energie a až více než 55 % celosvětové spotřeby elektrické energie. Je patrný pokrok směrem k udržitelným budovám, ale zlepšení jsou stále nedostatečná a nedrží krok s rostoucím odvětvím budov a rostoucí poptávkou po energiích.

Technické řešení

Myšlenka tohoto řešení netkví v nějakém zázračném zařízení, ale ve správné konfiguraci systému z běžně dostupných prvků, kde byly detailně přepracovány různé režimy provozu s cílem maximalizování získaného tepla z odpadních médií, při splnění podmínky, že tepelná čerpadla běží v co nejoptimálnějších podmínkách, čímž se dosahuje vysoké hodnoty COP.

V případě, že teplo z odpadních médií je nedostatečné, potřebný rozdíl se dodává do budovy od centrálního dodavatele tepla či jiného tepelného zdroje. Externí teplo se dodává i v případě, že systém zpětného získávání tepla je blokován nějakou poruchou, která znemožňuje jeho provoz. Celý koncept je navržen s ohledem na maximalizaci bezpečnosti provozu z pohledu permanentní dodávky teplé vody či vytápění.

Popis řešení

Technické řešení zpětného získávání tepla sestává z nádrže pro odpadní kanalizační vodu, ve které je umístěn výměník pro získávání tepla, další výměník je instalován ve vzduchotechnické jednotce, kde se odebírá teplo z odpadního vzduchu, který se odvětrává z budovy (k odvětrávání dochází pomocí ventilátoru s frekvenčním měničem). Jako poslední řada ve vzduchotechnické jednotce je venkovní jednotka tepelného čerpadla vzduch – voda.

O cirkulaci média, které odebírá teplo z výměníků vzduchotechnické jednotky a odpadní kanalizační vody, se stará čerpadlo, čímž zajistí dodávku odebraného tepla k tepelným čerpadlům typu voda – voda. Sekundární strana systému se skládá ze dvou částí, a to pro ohřev teplé vody a ústředního topení. Ohřev teplé vody je řešen výměníkem a dvěma vrstvovými zásobníky. Ústřední topení nemá žádný oddělovací výměník.

Tepelná čerpadla jsou řazena v sérii a lze prostřednictvím přepínacích ventilů měnit režimy provozu systému, tím pružně reagovat na potřeby bytového domu. Primární strana systému je zajímavá kanalizační nádrží, která může tak jako zdroj tepla sloužit v systému jako tepelná baterie, kde si umíme uschovat v daném čase nepotřebnou tepelnou energii z odváděného vzduchu z budovy.

Řízení technologie zpětného získávání tepla

Pro řízení technologie bylo třeba pečlivě zvážit, jaký řídicí systém si zvolit. Po důkladné analýze plusů a minusů jednotlivých typů hardwaru padlo rozhodnutí na použití řídicího systému Siemens Simatic ET200SP (CPU 1510SP-1PN s 24MB paměťovou kartou). Mezi hlavní důvody použití daného hardwaru patří jeho modulárnost.

Na první pohled se systém jeví jako ne velký, ale mezi trpaslíky ho určitě nemůžeme řadit, jelikož obsahuje:

• 5 tepelných čerpadel,
• 7 čerpadel,
• 1 ventilátor,
• 1 elektroohřev proti zamrznutí,
• 20 uzavíracích ventilů,
• 48 snímačů teplot,
• 6 snímačů tlaku,
• 25 digitálních vstupů,
• Modbus RTU,
• M-Bus

Řídicí systém lze kontrolovat a ovládat vzdáleným přístupem. Všechny naměřené údaje jsou archivovány pro další analýzu a ladění systému. V případě vzniku alarmového stavu jsou alarmy odesílány i prostřednictvím zprávy SMS servisnímu technikovi, čímž se minimalizuje doba potřebná k odstranění poruchy. Pro efektivnější ovládání disponuje řídicí systém webovým serverem, který umožňuje pomocí webových stránek vysoce efektivně vizualizovat aktuální stav technologie a v případě potřeby umožní uživateli do systému zasáhnout přes ovládací obrazovky.

Vzhledem k širokému spektru parametrů jsou součástí webových stránek i parametrizační obrazovky, které programátorovi či technologovi umožňují měnit nastavení. Celý řídicí systém má zálohované napájení, aby bylo možné v případě výpadku elektrické energie odeslat tuto informaci servisnímu technikovi.
Řídicí software je koncipován na bloky, a to od obsloužení jednotlivých prvků až po bloky, které mají na starosti ovládání dílčích celků technologie. Standardizace na úrovni prvků nám umožňuje například deaktivovat každý prvek, a to prostřednictvím servisního režimu, který deaktivuje všechny závady a výstupní povely.

Při analogových měřeních lze na každém prvku nastavit čtyři limitní stupně s možností konfigurace uživatelem jejich směru vyhodnocování (podkročení, překročení), aktivace jednotlivých limit a nastavení hystereze. Každému prvku lze také nastavit filtrační konstantu.

U ovládaných zařízení je standardní každý prvek ovládat ručně uživatelem, nebo automaticky v automatickém režimu, na základě požadavků aktuálního stavu. Nedílnou součástí každého zařízení je počítání jeho počtu sepnutí a motohodin, což umožňuje do budoucna získat data o životnosti zařízení a lepšího nastavení jejich servisních úkonů během pravidelných kontrol.

Závěr

Komplexnost úlohy nastavení systému zpětného získávání tepla z odpadního vzduchu a vody vyžadovala využití všech moderních přístupů jak ke konfiguraci hardwaru, tak k programovému řešení, aby se dosáhlo požadovaného efektu. Za splnění požadovaného efektu lze považovat, pokud je systém pružný a je schopen reagovat na dynamické změny, o které v bytovém domě určitě není nouze. Grafické rozhraní přes webové stránky je již nedílnou součástí lokálních aplikací produktově orientovaných zařízení.

Do budoucna jistě stojí za úvahu lokální instalace technologie rozšířit o automatický sběr dat s možností plného dohledu přes aplikaci SCADA. Budoucnost v technologiích, které jsou schopny z odpadních médií získat teplo, je jistě velká. Důležitost tématu může posílit i aktuální situace na Ukrajině, kde agresor neváhá likvidovat civilní infrastrukturu, a tím hrubě zasahuje do komfortu/životů obyvatelstva.

Ing. Bohumil Slodičák, PhD., Ing. Jan Šmelík

B. Slodičák působí ve firmě Siprin, s. r. o., J. Šmelík působí ve firmě ENERGIE REAL, s. r. o.