Smart systémy ve vytápěcích systémech existujících obytných budov

Technologie výroby a předávání tepla topným systémem byla od počátku užívání řízena. Systém řízení procesu vytápění se vždy odvíjel od možností v dané době, přičemž člověk stále hledal řešení, jak tento proces ulehčit uživateli a co nejvíce jej zautomatizovat.

V současnosti, kdy je velký rozmach vývoje počítačové technologie (jak softwarové, tak i hardwarové části), dostávají se do popředí smart systémy. Jejich úkolem je zajistit co nejvyšší komfort uživatele bytu při maximálně možném šetření energií.

Uživatel bytu očekává od topného systému nejen zajištění aktuální potřeby tepla, ale i komfort při řízení a předávání dané potřeby tepla. Vývojem technologií člověk zpohodlněl a už i minimální přesun ke zdroji tepla při změně požadavků narušuje komfort jeho pohodlí.

Systémy vytápění v bytových domech a řízení

Na sídlištích je značná část bytových domů, které mají vytápění bytů zabezpečené centrálně. Jedná se o otopnou soustavu napojenou na vlastní zdroj tepla umístěný zpravidla v suterénu bytového domu.

Častěji je však zdrojem tepla centrální kotelna umístěná mimo objekt. Otopná soustava je pak napojena na zdroj tepla přes systém centralizovaného zásobování teplem přímo nebo nepřímo prostřednictvím předávací stanice tepla.

Otopná soustava je ve většině bytových domů řešena jako dvoutrubkový systém se spodním rozvodem a s více stoupacími potrubími procházejícími jednotlivá podlaží a byty. Řízení aktuální potřeby tepla je centrální za využití ekvitermní regulace teploty topné vody.

Pokud má objekt vlastní zdroj tepla nebo je otopná soustava napojena na soustavu centralizovaného zásobování teplem přes předávací stanici tepla, nachází se centrální regulace vytápění přímo v objektu, tzv. na patě otopné soustavy (obr. 1).

Pokud je však otopná soustava bytového domu napojena na soustavu centralizovaného zásobování teplem přímo, pak je centrální regulace tepla na zdroji tepla, který se nachází dál od bytového domu.

Řízení dodávky tepla centrálně na zdroji tepla, resp. na patě bytového domu přizpůsobením teploty topné vody venkovní teplotě je základní způsob regulace výkonu vytápění nejen za účelem komfortu uživatele, ale i šetření energie.

Takový způsob regulace však nedokáže zohlednit náhlé změny vnějšího klimatu. V topném systému je pak možné dodatečné řízení aktuální potřeby tepla individuálně, podle teploty v místnostech, prostřednictvím termostatické hlavice (obr. 1).

Termostatická hlavice je schopná zohlednit při regulaci potřeby tepla tepelné zisky vnější (ze slunečního záření) a vnitřní (přítomnost osob, resp. náhlý vnitřní zdroj tepla). Je to zařízení, které má zajistit komfort a tepelnou pohodu člověka a zároveň šetřit energii.

Problém nastává, když uživatel na delší dobu opustí místnost, resp. byt a chce ušetřit energii vynaloženou na teplo. Potom musí přistoupit ke každé termostatické hlavici a individuálně s ní manipulovat. Častokrát na to ovšem zapomene, a tím pádem je narušena funkce šetření energie termostatickou hlavicí.

Obdobně po příchodu do bytu, resp. místnosti musí uživatel znovu přistoupit ke každé termostatické hlavici a individuálně s ní manipulovat. Tímto je narušena funkce komfortu uživatele. Podobně je tato funkce narušena při zapomenuté manipulaci hlavicí při otevření okna.

Systém přítomnosti a nepřítomnosti osob již částečně řeší programovatelné termostatické hlavice, na kterých je možné nastavit denní, resp. týdenní program (obr. 2). Avšak ani ty neřeší problém větrání místnosti a jiné náhlé možnosti šetření energie.

Faktory ovlivňující řízení topného systému

Tepelný komfort člověka nezajišťuje jen draze vyrobené teplo dodané otopnou soustavou. Systém vytápění je součástí komplexu celé obytné budovy a měl by spolupracovat se všemi jejími komponentami a s ostatními systémy, protože mohou mít značný vliv na potřebu tepla v budově. V první řadě je tedy třeba si uvědomit, které faktory mají vliv na potřebu tepla v obytné budově.

Faktory ovlivňující potřebu tepla:

• energie Slunce – sluneční záření,
• výměna vzduchu v místnosti,
• přítomnost – nepřítomnost osob,
• kvalita vnitřního vzduchu,
• nepředvídané vnitřní zdroje tepla.

Z vyjmenovaných faktorů je do systému řízení vytápění stávajících bytových domů zahrnuta pouze energie slunce – sluneční záření prostřednictvím termostatické hlavice na topných tělesech. Ostatní čtyři faktory jsou v bytových domech z řízení vytápění opomenuty.

Uživatel bytu, pokud chce ušetřit energii, musí do systému zasáhnout manuálně, čímž se ztrácí komfortnost systému. Moderní systém musí umět využít všechny okolnosti pro získání tepla „zdarma“, pro zajištění maximálního komfortu uživatele a pro maximální možné šetření draze vyrobeného tepla.

Smart technologie a jejich možnosti při řízení systému vytápění

V současném světě technologie již není žádnou novinkou, že na topných tělesech jsou programovatelné termostatické hlavice, kde si uživatel může naprogramovat žádanou teplotu v místnosti podle přítomnosti či nepřítomnosti osob, a tak šetřit energií.

Také již existují systémy, u kterých je možný vnější zásah do procesu řízení dálkově přes počítač, tablet či mobilní telefon. Tyto systémy zajišťují větší komfort uživatele a i šetření energií. Stále to však nejsou smart systémy, protože k jejich aplikaci je nutný fyzický zásah uživatele.

Podstata smart systémů spočívá v analýze údajů ze všech systémů v objektu a sladění jejich zásahu do systému tak, aby byly zajištěny aktuální požadavky na komfort uživatele s cílem maximálního šetření energie. A to vše bez zásahu člověka jako uživatele.

Smart systémy využívají pro řízení vytápění nejen aktuální údaje o vnějším klimatu, ale především předpověď těchto údajů – a podle toho prioritně řadí zásah jednotlivých systémů do řízení vytápění. Systémů, které ovlivňují kvalitu vnitřního prostředí, je více.

U stávajících bytových domů je však uživatel jak z technologického, tak z ekonomického hlediska omezen v rozsahu jejich aplikace. V takových objektech je nutné uvědomit si, jak silný zásah je možné do objektu provést při jejich aplikaci, aby byl výsledný efekt pozitivní z komfortního i z ekonomického hlediska.

Možné technologické systémy existujících bytových domů připojitelné do smart systému (obr. 3):

• systém obvodového pláště – senzory okenních otvorů, ovládání otevírání oken, ovládání žaluzií a rolet,
• systém vytápění – ovládání třícestných ventilů ekvitermní regulace, resp. zdroje tepla, ovládání ventilů před topnými tělesy,
• systém větrání rekuperací – ovládání klapek přívodu a odvodu vzduchu, resp. ventilátorů.

Systémy prostředí zapojené do smart systému (obr. 3):

• systém vnitřního prostředí – snímače teploty, vlhkosti a kvality vnitřního vzduchu, přítomnosti osob,
• systém vnějšího prostředí – meteostanice – snímače teploty a vlhkosti venkovního vzduchu, rychlosti jeho proudění, slunečního záření.

Výhodou smart systémů je jejich pružnost, rychlá reakce a schopnost předem stanovit pořadí a míru zásahu akčních členů jednotlivých systémů. Zatímco termostatická hlavice na topném tělese je schopna zajistit pouze tepelný komfort člověka a šetření energie při venkovních a vnitřních tepelných ziscích, smart systémy s propojením technologií jsou schopny zajistit žádané tepelně-vlhkostně-aerobní mikroklima.

V následující části jsou popsány příklady zásahu smart systému pro bytový dům, jehož součástí je (obr. 4):

• systém vytápění: zdroj tepla mimo objekt s přímým připojením otopné soustavy, otopná soustava dvoutrubková se spodním rozvodem a klasickým větveným systémem s dvoucestnými regulačními ventily před topným tělesem,
• systém větrání: centrální rekuperační jednotka s centrální úpravou vzduchu a s přiváděním vzduchu přes potrubí s uzavíracími klapkami,
• systém obvodového pláště: senzory okenních otvorů, ovládání žaluzií,
• systém vnitřního prostředí: snímače teploty vnitřního vzduchu, snímače kvality vnitřního vzduchu, snímače přítomnosti osob,
• systém vnějšího prostředí: meteostanice – snímače teploty a vlhkosti venkovního vzduchu, rychlosti proudění venkovního vzduchu, slunečního záření.

Příklady zásahu smart systému v bytě:

1. Pokles vnitřní teploty během přítomnosti uživatele:
Do procesu vstupuje snímač přítomnosti osob, snímač teploty vnitřního vzduchu a senzory okenních otvorů. V případě otevřeného okna systém blokuje větrání a rovněž zavírá ventil na topném tělese. V případě zavřeného okna systém otevírá ventil na topném tělese.

2. Pokles vnitřní teploty během nepřítomnosti uživatele:
Do procesu vstupuje snímač přítomnosti osob, snímač teploty vnitřního vzduchu a meteostanice. Po určité době nepřítomnosti uživatele na základě snímače přítomnosti osob systém přechází do úsporného režimu (automatické snížení teploty vnitřního vzduchu). Nejprve se zavírá ventil na topném tělese, pak systém přistupuje k ovládání žaluzií. V případě slunečného počasí dochází k otevírání žaluzií pro maximální možné využití energie slunce, v případě zamračeného a deštivého počasí dochází k zavírání žaluzií pro maximální možnou akumulaci tepla v místnosti.

3. Pokles kvality vnitřního vzduchu během přítomnosti uživatele:
Do procesu vstupuje snímač kvality vnitřního vzduchu, snímač teploty vnitřního vzduchu a snímač přítomnosti osob. V případě otevřeného okna vlivem uživatele dochází k blokování chodu větrání a rovněž k zavírání ventilu na topném tělese. Obě blokování jsou za účelem šetření energie. V případě zavřeného okna se uvede do chodu větrání místnosti, případně se zvýší jeho výkon, a následně dochází k ovládání ventilu na topném tělese.

4. Dlouhodobá nepřítomnost osob v prostoru – proces snižování teploty a kvality vnitřního vzduchu:
Do procesu vstupuje snímač kvality vnitřního vzduchu, snímač teploty vnitřního vzduchu a snímač přítomnosti osob. Po určité době nepřítomnosti uživatele na základě snímače přítomnosti osob systém přechází do úsporného režimu. Systém přistupuje k zavírání ventilu na topném tělese, k odstavení větrání a k otevírání žaluzií při předpovědi slunečného počasí nebo k zavírání žaluzií při předpovědi zamračeného a deštivého počasí.

Jednou z funkcí smart systémů je archivace parametrů vnitřního prostředí a provedených zásahů do systému. Systém je schopen vyhodnocovat změny tepelně-vlhkostně-aerobního mikroklimatu a dále si na základě analýzy zásahů akčních členů připojených systémů jednotlivých technologií stanoví tzv. knihovnu postupu a pořadí zásahů akčních členů.

Nepřehlédněte – Inteligentné mestá: Ako ďaleko je náš zajtrajšok?

Tím pádem umí dopředu stanovit a „předvídat“, jaký bude následující zásah akčních členů při řízení vytápění pro dosažení komfortu uživatele a zároveň maximálního šetření energie.

Smart systémy pracují automaticky, ale jako při každém automatizovaném systému i zde musí být dána možnost nadřazeného zásahu uživatele. Uživatel bytu může kdykoli vzdáleně sledovat aktuální parametry tepelně-vlhkostně-aerobního mikroklimatu nebo stav jednotlivých komponent systému.

Rovněž může žádané parametry vnitřního mikroklimatu změnit podle svých požadavků. Systém na základě údajů v uložené knihovně pak provede zásah akčních členů jednotlivých technologií.

ZÁVĚR

Při stávajících požadavcích na techniku vnitřního prostředí není možné oddělit řízení topného systému od ostatních systémů v objektu.

Při snaze dosáhnout co nejvyššího komfortu pro uživatele bytu a zároveň maximálního možného stupně šetření energií je třeba do řízení vytápění zapojit všechny systémy, které mohou ovlivnit kvalitu vnitřního prostředí.

Řízení takového komplexu jen člověkem bez zavedení automatizace nemůže přinést žádaný efekt. Naproti tomu každý automatizovaný systém musí umožnit vstup do řízení procesu nadřazeným subjektem, kterým je v tomto případě uživatel.

Tato práce byla podporována Ministerstvem školství, vědy, výzkumu a sportu SR prostřednictvím grantu VEGA 1/0807/17.

Literatura
[1] Průcha, J.: Chytré bydlení. Inteligentní dům (www.InsightHome.eu/Chztre-bydleni)
[2] Garlík, B.: Inteligentní budovy. BEN – technická literatura. Praha 2012
[3] Petráš, D., Koudelková, D., Kurčová, M.: Technika prostredia v inteligentných budovách, Eurostav, 3/2019, ročník 25, ISSN 1335-1249

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2019.