Konference Vytápění 2017 - čtvrtých deset

V dnech 23. až 25. května proběhla tradičně v Třeboni v kulturním domě Roháč odborná konference Vytápění, kterou organizuje odborná sekce Vytápění ve Společnosti pro techniku prostředí jednou za dva roky. Konference soustředí aktuální poznatky z praxe, vývoje a výzkumu do přednášek, kterých na konferenci zaznělo 62. Ve spektru jsou zahrnuty jak práce teoretické, případové analýzy zpracované s využitím programových analýz, tak práce založené na poznatcích z praxe. S cílem ukázat šíři záběru konference je zpracován sestřih některých poznatků, které v přednáškách zazněly. V této části je obsaženo čtvrtých deset přednášek.

MODELOVÁNÍ PROVOZNÍHO CHOVÁNÍ OTOPNÝCH TĚLES

Ing. Jindřich Boháč^1,2, prof. Ing. Jiří Bašta, Ph.D.¹, Ing. Jan Šulc^2
1ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí,
²ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov

Každé těleso vykazuje různě velkou tepelnou setrvačnost podle toho, jakého je druhu, jaký má vodní obsah či z čeho je vyrobeno. Tento příspěvek nabízí vyhodnocení tepelné dynamiky dvou druhů topných těles, deskového a článkového. Zásadní rozdíl oproti dříve prezentovaným výsledkům je v tom, že je nabídnut ucelený dynamický obraz předávání tepelného výkonu do prostoru při různých teplotních úrovních jak ve fázi náběhu, tak chladnutí. Tento unikátní záznam, spolu se stanovením statických vlastností pro různé průtoky a teplotní parametry, zachycený termovizní kamerou je zásadní pro vytvoření matematického modelu, který je stále velice obtížné sestavit pro taková otopná tělesa, jejichž chování nebylo předtím zaznamenáno.

Zvoleny byly průběhy dynamiky otopného tělesa obsahující během náběhu celkově tři ustálení na skokově rostoucích úrovních. Při konstantním průtoku byla měněna teplota vstupní vody nejprve na 50, dále 60 a nakonec na jmenovitých 75 °C. V rámci experimentu bylo sledováno i chladnutí, nicméně to nebylo primárním účelem zkoumání a záznam procesu chladnutí byl zpravidla ukončen dříve, než došlo k úplnému ustálení na okolní teplotu. Pod těmito teplotními skoky si lze představit například postupnou kvalitativní regulaci za provozu otopného tělesa.

Zajímavým poznatkem je vliv rozdílu teplot vstupní otopné vody a střední teploty vody v tělese na jeho tepelnou setrvačnost. Ukázalo se, že čím je tento rozdíl větší, tím rychleji se procesy odehrávají. Tento fakt je potvrzen trendem ve všech částech provozního spektra. Lze jej nejlépe popsat pomocí časové konstanty, která je největší pro teplotní změnu z 50 na 60 °C (3 min) a naopak pro změnu z teploty okolí na 75 °C je hodnota nejnižší (2 min 45 s). Rozdíly jsou sice velmi malé a citlivé na řádné vyhodnocení, a přestože však nepozorujeme takový vliv, jako má samotná tepelná kapacita těles, je třeba mít tento fakt při modelování chování na zřeteli.

Článkové těleso vykazuje pro náběh časovou konstantu od 5 minut a 40 sekund do cca 6 minut. Po tomto zjištění lze konstatovat, že na tepelnou dynamiku těles nemá teplota vratné vody ani návrhový teplotní spád sám o sobě tak zásadní vliv jako právě výše uvedený rozdíl teplot vody při změně požadavku na tepelný výkon. Rychlost změny tepelného stavu závisí především na vlastní tepelné kapacitě tělesa a rovněž na průtoku otopné vody. Jednotlivá měření přinesla potřebná data pro sestavení modelu chování těles.

Vyvstává otázka, jakých teplot, ochlazení a průtoků se máme snažit dosáhnout? Základní předpoklady, jako je použití kondenzační techniky, tepelného čerpadla, dosažení tepelné pohody včetně optimálního teplotního a rychlostního pole ve vytápěném prostoru, dávají určující orientaci stran návrhu teplotní úrovně, resp. teplotních parametrů u otopných těles.

Otázka ohledně správné velikosti ochlazení a optimálního průtoku nemůže být zcela univerzálně zodpovězena, neboť každá otopná soustava vzhledem ke svému zdroji tepla a druhu potrubní sítě a každá otopná plocha vzhledem ke způsobu sdílení tepla do vytápěného prostoru požaduje individuální přístup.

V současnosti neexistuje spolehlivá metodika pro hodnocení dynamického chování různých druhů a typů otopných těles. Existují možnosti modelování otopných těles, resp. Soustav, například tzv. black-box a white-box modelování. Black-box model byl vytvořen jako dynamický na základě reálně změřených dat pomocí identifikace parametrů ARX modelu. Ukazuje se, že dynamický model prvního řádu je postačující pro další práci s deskovým otopným tělesem, zejména pro návrh regulátorů.

VYUŽITÍ PREDIKTIVNÍHO REGULÁTORU PRO ŘÍZENÍ VYTÁPĚNÍ S DODRŽENÍM 1/4H REZERVOVANÝCH KAPACIT VÝKONU

Ing. Jiří Cigler, Ph.D.¹, Ing. Jan Široký, Ph.D.², Ing. Ondřej Nývlt, Ph.D.¹, Mgr. Markéta Odstrčilová^2
1Feramat Cybernetics s.r.o., ²Energocentrum Plus, s.r.o.

V systémech řízení vytápění mají v současnosti stále drtivou převahu metody založené na ekvitermní regulaci, která obecně přímovazebně kompenzuje zvýšené tepelné ztráty při snižující se venkovní teplotě. Mezi nevýhody tohoto způsobu regulace patří ladění „ad hoc“ a nemožnost cíleně tvarovat průběh odběru energie, neboť regulace pouze stanovuje teplotu otopné vody bez ohledu na další veličiny ovlivňující odběr energie. Zejména u budov s přerušovaným provozem pak může dojít při přechodech mezi redukovaným provozem a plným provozem ke špičkovému odběru energie, který překročí dohodnuté odběrové maximum. Sjednané maximum je trvalou součástí ceny tepla, a proto je žádoucí jej mít nastaveno co nejnižší.

V posledních letech se jak výzkumem, tak na reálných aplikacích ukázalo, že pro některé typy otopných soustav a budov má smysl zabývat se modelováním tepelné dynamiky budovy a otopného sytému pro účely regulace dodávky tepla. Jedná se zejména o budovy s přerušovaným provozem a pomalou tepelnou setrvačností (typicky využívající stropní nebo podlahové vytápění), poté technologické systémy obsahující velké akumulační zásobníky nebo komplexní zapojení více zdrojů s rozdílnými křivkami účinnosti. V těchto systémech lze s využitím prediktivní regulace na bázi modelu uspořit 15 až 25 % potřebné energie na vytápění při dodržení požadovaného tepelného komfortu.

Klienti dodavatelů tepelné energie se tak často potýkají s otázkou, jaký rezervovaný výkon nasmlouvat v podmínkách, kdy měření dosahovaných maxim není v současné době zpřístupněno tak otevřeně, jako např. měření čtvrthodinových maxim u odběrů elektrické energie. Navíc i v případě, že by si klienti na své náklady nainstalovali další měřič tepla, nebude tento měřič tepla mít synchronizované časové úseky, přes které se průměrný výkon počítá a také nemusí měřit veškeré veličiny, které dodavatel tepla pro výpočet sjednaného výkonu využívá (např. v případě páry se operuje i s množstvím páry, kondenzátu apod.).

Další závažnou otázkou, i v případě možnosti průběhového měření a reagování na výsledky měření, pak zůstává regulace MaR, která je pro zamezení odběrových špiček u tepelné energie komplikovanější než např. u regulovaní čtvrthodinových maxim odběrů elektrické energie, jelikož je nutné zohlednit termodynamické chování budovy tak, aby byl za všech podmínek dodržen tepelný komfort.

Prediktivní regulátor MPC (z angl. Model based Predictive Control) je diskrétní regulátor, tj. v každém diskrétním kroku regulátoru je formulován a vyřešen problém optimálního řízení na konečném horizontu. Výsledkem je predikce časového vývoje vstupů, stavů a výstupů systému, které respektují omezení daná dynamikou otopné soustavy a budovy nebo dalšími omezeními a zároveň trajektorie minimalizují předem zvolenou ztrátovou funkci (v případě budov například množství dodané energie). Pro zařízení techniky prostředí staveb toto znamená, že v každém kroku regulátoru získáme profil pro budoucí dodávku tepla či chladu, a to až na horizontu v řádu několika dnů. V neposlední řadě je možné také zohlednit variabilní cenu energie a minimalizovat nikoliv množství dodané energie, ale finální cenu dodané energie. Pro řízení soustavy je využit vždy jen první krok z vypočítaného plánu. Za nastavenou periodu vzorkování je celý problém řešen znovu a zase je využit jen první krok takto vzniklého nového plánu a toto se tedy periodicky opakuje.

Aby bylo možné takto řídit systémy budovy, musí to systémy umožňovat. Čtvrthodinová rezervovaná kapacita byla v konkrétním případě výměníkové stanice, resp. fakturačního kalorimetru, stanovena z dlouholeté praxe. Přesto docházelo v několika okamžicích otopného období k překročení tohoto limitu. Příčiny překračování limitu byly zejména v tom, že regulátory jednotlivých otopných okruhů nebyly provázané a nijak nebraly v úvahu společnou rezervovanou kapacitu, sjednané maximum. U ekvitermní regulace je možné u budovy s danou setrvačností pouze heuristickým způsobem (orientačním odhadem na základě předchozích zkušeností) přenastavit časové programy pro zátop po delším útlumu a doufat, že limit bude dodržen. Případně je možné použít prosté hlídání nepřekročení maxima a v případě, že hrozí překročení, přerušit dodávku tepla na nezbytně dlouhou dobu. Tento způsob ale může v praxi vést na nedodržení tepelného komfortu.

Jádrem prediktivního regulátoru je matematický model popisující systém, který má regulátor řídit. Řízenými vstupy jsou v tomto případě teploty otopných vod do jednotlivých okruhů, neřízenými vstupy (u kterých ovšem známe predikce) jsou venkovní teplota a sluneční osvit na danou fasádu a znalosti předpovědi solárního osvitu na horizontální plochu pro lokalitu budovy. Výstupem modelu jsou jednak teploty v referenčních místnostech - na každém otopném okruhu jedna referenční místnost, ale také teploty zpáteček, které nám jednak dávají informaci o tom, kolik energie naakumulováno, ale také o aktuální spotřebě energie jednotlivými okruhy.

Příklad: Prediktivní regulátor již v předstihu v sobotu 2. ledna 2016 v 20:00 h zjistil, že bude potřeba veškeré kapacity k tomu, aby přivedl budovu z útlumového stavu do komfortního stavu nejpozději do pondělí 4. ledna 2016 do 8:00 h. Během těchto 36 hodin rozplánoval dodávku energie takovým způsobem, že nejprve roztopil část C2 budovy, poté přesunul veškerý dodávaný výkon do částí A2 Sever a A2 Jih, mezitím ale došlo k plánovanému poklesu teploty v části C2, na což reagoval regulátor dodávkou maximálního výkonu opět do části C2. V 8:00 h tak bylo v budově přesně požadovaných 22 °C. Na daném časovém úseku se situace nedala řešit jiným způsobem. V této situaci je dlužno zmínit, že uvedených 36 hodin představuje právě horizont predikce prediktivního regulátoru (při periodě 30 minut je N=72). Průběh teploty otopných vod na jednotlivých okruzích je tak nečekaný, že by jej bylo těžko dosaženo ekvitermní regulací i třeba s využitím podmínkového řízení.

AUTOMATIZOVANÁ KONTROLA REŽIMŮ VYTÁPĚNÍ NA ZÁKLADĚ PROVOZNÍCH DAT

Ing. Jan Široký, Ph.D.¹, Ing. Jiří Cigler, Ph.D.^2
1Energocentrum Plus, s. r. o., ²Feramat Cybernetics, s. r. o.

Díky chybnému způsobu provozu TZB je vyplýtváno až 30 % spotřebované energie. Klasickým příkladem je chod technologií v době, kdy budova není využívána (obsluha je spokojena, neboť si nikdo nestěžuje). Vyplýtvaná energie bývá často neodhalena velmi dlouhou dobu. Příčinou tohoto stavu je na jedné straně čím dál větší komplexnost technologií TZB a jejich automatizace a na straně druhé tlak na snižování personálních nákladů na obslužný personál. Často pozorovaným důsledkem je to, že technologie jsou pouze udržovány v provozuschopném stavu bez snahy o optimalizaci provozu.

Základem pro optimalizaci provozu je důsledné ukládání provozních dat a následná práce s nimi. Pro větší množství budov se ale manuální kontrola provozu stává velmi zdlouhavou, případně až nereálnou z časových důvodů. Řešením je automatizace provádění kontrol způsobu provozu TZB. Tento koncept má významnou přidanou hodnotu zejména pro síťové zákazníky, kteří vlastní větší množství budov. Je díky tomu nastaveno transparentní prostředí, kdy všichni zúčastnění (provozovatel budovy, majitel budovy, energetik …) mají trvalou kontrolu nad způsobem provozu TZB.

Cílem je umět detekovat nesprávné nastavení útlumů, dát odhad možné úspory energií a doporučení pro optimalizaci režimů vytápění. Výstupem pro zákazníka je pak přehled nalezených problémů seřazený podle odhadované potenciální úspory množství dodané energie. Report může být generován i na denní bázi.

Základem je vypracování modelu. Při modelování dynamiky systému vytápění vycházíme z některých zjednodušení. Je nutné mít na paměti, že náročnost přípravy musí odpovídat možné úspoře energií a jaké informace je reálně možné o provozovaných budovách získat. Při tvorbě modelu jsou využita pouze měřená data. Dynamika systému vytápění je popsána diskretizovanou lineární diferenciální rovnicí popisující změnu vnitřní teploty jako funkci vnitřní teploty, venkovní teploty a množství dodaného tepla.

Ve většině případů není k dispozici měření množství dodaného tepla s vhodnou periodou záznamu (maximálně 15 minut). Značná pozornost byla proto věnována otázce využití údajů o teplotě otopné vody a dalších běžně měřených veličin k odhadu množství dodané energie. Jedná se o využití tzv. virtuálního senzoru, kdy je hodnota veličiny, která není přímo měřena, odhadnuta na základě jiných měřených veličin. Díky tomu je možné v některých případech nahradit přímé měření kalorimetrem měřením teploty otopné vody, zpátečky a chodu čerpadla. Je zřejmé, že se tím snižuje přesnost výpočtu, zejména potenciální úspory. Díky znalosti matematického modelu je možné porovnat způsob provozování podle historických dat s numerickou simulací.

Uvažujme, že je při venkovní teplotě 4 °C realizován noční útlum na vnitřní teplotu 20 °C. Podle MPC simulace je spočteno, že optimální teplota nočního útlumu pro danou budovu je 18 °C. Tím se sníží rozdíl mezi venkovní a vnitřní teplotou z 16 K na 14 K. Díky tomu lze očekávat úsporu 12,5 % dodaného tepla po dobu, kdy je udržována útlumová vnitřní teplota 18 °C. Pokud bude útlumové teploty dosaženo 10 hodin denně, tak to představuje 42 % času z celého týdne. Výsledná očekávaná úspora je tak 5,2 %. Pokud je však útlumový režim spouštěn zbytečně pozdě, případně zátop zbytečně brzo, sníží se úspora. Pokud je spočtená potenciální úspora pro majitele nebo provozovatele budovy ekonomicky zajímavá, posouváme se k optimalizaci režimů vytápění. Například optimální útlumová teplota během nočního útlumu může být jiná, než optimální víkendová útlumová teplota. Tyto teploty se mohou měnit i podle vnějších klimatických podmínek, o to zase ovlivňuje podmínky zátopu.

Díky automatizaci je možné analýzu dat provádět plošně na širokém portfoliu budov. Expert pak řeší pouze automatem detekované problémy. Největší přidanou hodnotu má tento postup u rozsáhlých systémů TZB nebo většího množství budov, kdy je pravidelná kontrola režimů expertem zdlouhavá nebo rovnou nereálná. Na základě modelu mohou být provedeny simulace, které umožní odhadnout potenciální úsporu energií, případně podat doporučení pro nastavení řídicího algoritmu vytápění. Je ovšem nutné mít na paměti, že výstup je tak kvalitní, jak jsou kvalitní vstupní data.

VYTÁPĚNÍ A SVĚT INTERNETU VĚCÍ

Ing. Jan Vidim
Domat Control System, s. r. o.

Pojem „internet věcí“ (Internet of Things, IoT) jistě slyšel už každý z nás. Popularizační články pravidelně zmiňují jako jednu z klíčových oblastí nasazení sběr dat z měřičů energií, odečty teplot a hlášení alarmových stavů. Přesně to jsou údaje, které nás zajímají při dálkové správě kotelen, výměníkových a předávacích stanic a dalších zařízení pro výrobu, distribuci a spotřebu tepla.

Základním požadavkem na IoT je přenos informací z velkého množství měřicích míst. „Velké množství“ znamená stovky tisíc až desítky miliónů, což jsou počty zařízení, na které je komunikační struktura IoT dimenzována. Přenášená data mají malý objem (řádově bajty, což odpovídá např. aktuální teplotě nebo naměřenému množství energie) a komunikují se s dlouhými intervaly (obvykle desítky minut až desítky hodin). Některé technologie IoT umožňují pouze jednosměrný přenos dat, tedy od senzoru (čidla, měřiče, kontaktu...) na server. Zařízení v tomto případě není možné řídit, jak je tomu u klasického datového spojení.

Náklady na instalaci Iot zařízení spočívají v podstatě jen na jeho mechanické montáži, zatímco u klasického datového spojení jde o tisíce až desetitisíce Kč. Provozní náklady se odvíjejí od obchodního modelu, který dále závisí na použité technologii.

Aktuálně jsou dostupné na území ČR dostupné sítě

• Sigfox (SimpleCell), která využívá infrastrukturu T-Mobile
• LoRa, kterou nasazují České Radiokomunikace, jednou z variant je AsixWAN
• NB-IoT, neboli Narrow Band (úzkopásmová) IoT je síť, kterou provozují mobilní operátoři v rámci sítí LTE a 5G, nyní Vodafone a O2

Při projektování řídicích a vizualizačních systémů se setkáváme s požadavky, které by technologie IoT mohla z technického hlediska velmi uspokojivě řešit. Jde o sledování spotřeb a základních parametrů prostředí u výměníkových stanic, domovních kotelen či poboček obchodních řetězců. Z každého zařízení bychom rádi odečítali s periodou cca 15 minut především venkovní teplotu, 1 až 2 teploty v místnosti nebo teplotu topné vody a teplé (užitkové) vody, spotřebu tepla, spotřebu el. energie a sumární alarm (1 až 2 signály). Jedná se tedy o 4 až 6 datových bodů (měřicích míst). Zpětný kanál pro ovládání není nutný, systém slouží pro vyhodnocování energetické účinnosti a hlášení alarmů, které servisní technik přijede odstranit na místo.

Současný problém při výběru čidel teploty může být velmi rychle vyřešen, protože sortiment senzorů pro IoT se doslova každým dnem rozšiřuje. Senzory musejí být instalovány v dosahu signálu, což může být problém například v hlubších podzemních podlažích starších budov. Zásadní otázkou je, kdo bude fungovat jako poskytovatel dat.

Orientační porovnání nákladů na příkladu 6 datových bodů. Cena IoT senzoru teploty se pohybuje kolem 2.000 Kč a ostatní nejsou dražší. Životnost baterie je udávána na několik let. Senzory pro jedno zařízení tedy vyjdou do 12.000 Kč i s montáží. Provozní náklady jsou dány cenou připojení a pohybují se od 20 do 60 Kč/měsíc, tedy na období 5 let musíme počítat s částkou asi 1500 až 3500 Kč na senzor.

Klasické řešení pomocí PLC a připojení přes GPRS má pořizovací náklady asi 24000 Kč. Provozní náklady na internetové připojení (SIM karta s datovým tarifem cca 500 MB) jsou do 100 Kč měsíčně.

Na dobu 5 let vychází IoT řešení celkově na cca 27000 Kč, zatímco klasické datové na cca 29000 Kč, tedy přibližně srovnatelně drahé. Řešení s IoT ale začne zlevňovat s rostoucím počtem zařízení, případně s klesajícím počtem senzorů u jednoho zařízení, např. místo 3 teplot a dalších údajů by stačil pouze údaj o energii. U klasické varianty naproti tomu můžeme často využít existující řídicí systém a ten jen připojit na centrálu, nebo výměnu řídicího systému za komunikativní spojit s rekonstrukcí technologie. Pořizovací cena hardwaru je pak zanedbatelná. A u klasického monitoringu nesmíme také zapomenout na výhodu možného povelování.

ADAPTIVNÍ REGULÁTORY PRO PRAXI

Ing. Martin Veselý^1,2, Ing. Viktor Plaček, Ph.D.¹, Ing.Vladimír Malý^1,3, Ing. Peter M. Beneš^1,4, doc. Ing. Ivo Bukovský, Ph.D.^1
1ČVUT v Praze, Fakulta strojní, ASPICC - Skupina adaptivního zprac. signálů a informatiky, ²FMV-DESIGN s. r. o.,
³MT ENERGO s. r. o., ⁴Corporate Technology Development Center, SIEMENS s. r. o.

Každý topenář ze své praxe zná situace, kdy jednou za pár let nebo i častěji musí přenastavovat ekvitermní křivky vytápění. A to buď z důvodů konstrukčního zásahu do tepelné izolace budovy, nebo i z důvodů, které nejsou přímo zřejmé, ale změnu parametrů regulátoru si vyžadují. Právě v takovém případě by řešením mohly být adaptivní regulátory, které jsou schopné postupné nebo i skokové změny parametrů detekovat a regulační proces změněným parametrům přizpůsobit.

Řízení dnes známé jako MPC (Model Predictive Control) je moderní způsob řízení uplatňovaný v poslední době v mnoha průmyslových odvětvích. Je často využíváno pro autonomní řízení letadel a kolejových vozidel, v chemickém průmyslu nebo v energetice. S výhodou jej lze použít při řízení teplot v budovách, kde lze počítat i s předpovědí počasí.

MPC vyžaduje matematický model soustavy, který musí dostatečně přesně aproximovat chování procesu tak, aby bylo možné v každém časovém okamžiku vypočítat takový sled akčních zásahů, který co nejlépe povede k dosažení předepsaného průběhu žádané veličiny.

MRAC je způsob adaptivního řízení, kdy je také jako u MPC vyžadován model soustavy, ale na rozdíl od metody MPC je zde regulátor, který se po předtrénování může, ale nemusí dále adaptovat v reálném čase (buď v každém kroku, nebo občas dávkově např. při sezónních změnách). V každém časovém kroku jsou nejprve adaptovány parametry modelu soustavy. Ty jsou pak využity při adaptaci parametrů regulátoru. Parametry regulátoru jsou adaptovány také, aby chování uzavřeného regulačního obvodu měl námi požadované chování dané referenčním modelem.

Vedle adaptivního řízení s referenčním modelem (MRAC) a prediktivního řízení (MPC), představuje adaptivní dynamické programování (ADP) třetí, odlišný a dnes široce studovaný a používaný princip využití adaptivních systémů a neuronových sítí v řízení. V případě ADP se jedná o agentový přístup, kdy se data pro neuronové či jiné učící modely získávají heuristicky z pozorování příčin a důsledků chování regulovaných veličin. Jeden učící systém (actor) je trénován tak, aby prováděl správné akční zásahy do soustavy nebo aktualizoval parametry regulátoru a druhý učící systém (critic) je trénován tak, aby posuzoval správnost těchto zásahů, přičemž actor i critic mohou být realizováni jedinou neuronovou sítí (s více výstupy). Z podstaty ADP vyplývá, že tento způsob řízení zřejmě není vhodný v procesech, kde nelze čekat na ověření správnosti akčního zásahu nebo pokud není znám vhodný model (ať už analytický nebo získaný z reálných dat), ale v procesech, kde toto možné je, je dnes tento způsob optimalizace regulace v literatuře publikován jako velmi efektivní.

HYDRAULICKÉ ZAPOJENÍ A ŘÍZENÍ KONDENZAČNÍCH KOTLŮ S VÍCE ZPÁTEČKAMI – POZNATKY Z PRAXE

Ing. Jan Soukup
Brilon, a. s. – hlavní partner konference

Plynové kondenzační kotle velkých výkonů jsou z důvodu zvýšení účinnosti vybaveny teplou a studenou zpátečkou. Tato vlastnost zaručí, aby v kotli docházelo k maximálnímu vychlazení spalin danému teplotou studené zpátečky a ve spojení s hydraulickým zapojením soustavy má zásadní vliv na roční normovanou účinnost kotle.

Existují tři kategorie kondenzačních kotlů, které mají 2, 3 a 4 trubkové zapojení výstupů a zpáteček, z důvodu snazšího přizpůsobení různým otopným soustavám a optimalizaci provozu. Díky konstrukci výměníku jsou kotle téměř vždy provozovány bez požadavku na minimální průtok.

2-trubkové zapojení umožňují kotle, které mají pouze jeden výstup a jednu zpátečku. Dále pak jde o hydraulická zapojení, která neumožňují z nějakého důvodu oddělení zpáteček systému vytápění.

3-trubkové zapojení obsahuje oddělené dvojice zpáteček. Teplejší zpátečka z ohřevu TV je připojena do horní části kotlového tělesa, zatímco studenější zpátečka otopného okruhu pak do spodní části. Příkladem jsou kotelny v bytových domech a v komerčních objektech.

4-trubkové zapojení obsahuje dva teplotně odlišné okruhy, které jsou napojeny na jeden kotel, který je rozdělen na část hlavní spalovací komory s teplejším okruhem a samostatnou kondenzační část se studenějším okruhem. Tato tradiční kombinace se vyskytuje zejména u kondenzačních kotlů větších výkonů. Někdy se tento případ řeší klasickým třítahovým kotlem a na něj navazujícím dochlazovačem spalin. Typicky tak může být řešena kaskádová kotelna s ekvitermně řízeným otopným okruhem a okruhem vzduchotechniky provozovaným na konstantní teplotu. V praxi se s tímto zapojením setkáme např. při vytápění velkých skladovacích prostor včetně přilehlé administrativní části.

Na příkladu z praxe byl ukázán potenciál zvýšení normované účinnosti kotle při třítrubkovém zapojení. Jednalo se o bytový dům 120 kW (modulace 1:5), příprava TV nepřímotopným zásobníkem TV s objemem 750 litrů. Teplosměnná plocha výměníku je 6 m². Otopná soustava je rozdělen na dvojici ekvitermně řízených otopných okruhů – východ a západ. Kaskádová regulace pracuje se strategií se společným provozem kotlů. S využitím výpočetní pomůcky Optima Design, provozních hodnot kotelny, klimatických dat lokality bylo zjištěno, že roční normovaná účinnost kotle (vztaženo k výhřevnosti) by při v praxi nejběžnějším hydraulickém 2-trubkovém zapojení byla 98 %. Při využití 3-trubkového zapojení, a tedy při odděleném přívodu zpáteček s různou teplotou dosahuje 103,7 %. 4-trubkové zapojení v daném případě přináší již jen mírné zvýšení na 104,4 %. Je zřejmé, že hydraulické řešení směšující zpátečky o různé teplotě by v daném případě zbytečně zvyšovalo provozní náklady zdroje tepla o cca 5,7 %.

CHYTRÁ REGULACE DIGITÁLNĚ KONFIGUROVATELNÝMI POHONY A TLAKOVĚ NEZÁVISLÝMI VENTILY

Josef Jáchim
IMI Hydronic Engineering

Používání tlakově nezávislých ventilů se již stalo běžnou a oblíbenou praxí. Tyto regulační ventily mají mnoho funkcí a není vůbec jednoduché se v nabízeném sortimentu výrobců orientovat. Hlavní výhodou je automatické omezení maximálního průtoku a udržování stabilních tlakových podmínek pro regulaci. Ne všechny tlakově nezávislé ventily však nabízejí stejnou kvalitu regulace průtoku v závislosti na řídicím signálu. Samozřejmostí je použití plynule řízených pohonů v kombinaci s těmito typy ventilů. Standardní pohony však nedokážou využít veškeré výhody tlakově nezávislých ventilů.

Novinkou na trhu jsou digitálně konfigurovatelné pohony, které zvládnou nejen nastavit veškeré parametry pro řízení v mnoha variantách, ale také spolupracovat s tlakově nezávislými ventily a omezit jejich zdvih, resp. průtok, pro různé nadefinované podmínky.

Pro ventily s rovnoprocentní charakteristikou můžeme pro dosažení přesné plynulé regulace použít standartní a levné lineární pohony. Výsledná celková regulační charakteristika mezi vstupním signálem a výkonem je lineární. Špatnou charakteristiku lineárních ventilů můžeme kompenzovat rovnoprocentní charakteristikou pohonu. Výsledek však není shodný. Vlivem rozlišení mezi hysterezí vstupního signálu a skutečným zdvihem pohonu, dochází tak u lineárního ventilu s rovnoprocentním pohonem ke skokové regulaci zejména při nastaveních pod 50 % z celkového průtoku, resp. zdvihu.

Standardní pohony mají velice omezené možnosti nastavení regulačních parametrů. Je to způsobeno zejména omezeným počtem manuálních přepínačů uvnitř pohonu. Těmto pohonům také chybí přístup k provozním statistikám a není možný záznam poruch. Nové, digitálně konfigurovatelné pohony tento problém nemají. Umožňují více než 200 různých kombinací nastavení. Tyto pohony jsou nastavitelné přes speciální aplikaci v mobilním telefonu či tabletu. Konfigurace probíhá převodníkem Dongle, který je připojen k pohonu mini USB kabelem a komunikuje bezdrátově s mobilním telefonem.

Standardní vstupní signál je 0-10 V. U nových ventilů je možnost nastavit reverzní signál 10-0 V, ale také další varianty. Například signál 2-10 (10-2) V využijeme i pro detekci poškozeného kabelu, pokud signál byl 0 V. Vstupní signál lze u digitálně konfigurovatelných pohonů rozdělit na dvě části. Rozdělený vstupní signál s výhodou využijeme pro ovládání dvou ventilů jedním signálem. Např. při regulaci menšího a maximálního výkonu pro letní a zimní provoz nebo při přepínání režimu vytápění a chlazení.

Zcela novou funkcí je možnost nastavení maximálního průtoku u ventilů v databázi nebo kvs u všech ostatních ventilů. Tato funkce umožňuje nastavení maximálního průtoku samostatně pro režim vytápění a chlazení. S přepínáním obou režimů rozděleným signálem můžeme regulovat vytápění a chlazení jedním ventilem a pohonem. Tuto funkci využijeme u systémů „change over“ s přepínáním režimů 6-cestným ventilem.

Zajímavým rozšířením funkcí je možnost naprogramování binárního vstupu (kontaktu) a spínacího relé. Binárním vstupem můžeme, např. při sepnutí okenního kontaktu, zavřít ventil a naprogramovat relé pro vypnutí ventilátoru u fancoilu. Možností pro naprogramování binárního vstupu a relé je celá řada.

DYNAMIKA OTOPNÝCH TĚLES A JEJICH VLIV NA SPOTŘEBU TEPLA

doc. Ing. Ondřej Šikula, Ph.D.¹, doc. Ing. Pavel Charvát, Ph.D.², doc. Ing. Dalibor Rozehnal, Ph.D.^3
1VUT v Brně, Fakulta stavební, ²VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, ³Univerzita obrany, Fakulta vojenských technologií

Potřeba tepelného výkonu pro vytápění místnosti se v čase mění v důsledku měnicích se tepelných ztrát, tepelných zisků a regulačních zásahů uživatele. Z fyzikální podstaty vykazují všechny otopné plochy, vzájemně odlišnou, míru tepelné setrvačnosti při náhřevu a chladnutí, tedy vždy v určité míře nedotápějí, či přetápějí. Je zřejmé, že čím větší bude tepelná setrvačnost otopné plochy, tím větší bude (i když časově omezeně) nedotápění a následné přetápění interiéru, se kterým se také pojí zmiňovaná větší spotřeba tepla na vytápění.

Vliv dynamiky náběhu a chladnutí otopných těles na tepelný stav vytápěné místnosti a energetickou náročnost vytápění byl posuzován počítačovou simulací chování teplovodních otopných těles v typické místnosti, metodou počítačové simulace v softwaru TRNSYS. Ke zhodnocení vlivu dynamiky náběhu a chladnutí byly zvoleny 2 odlišné typy otopných těles, deskové otopné těleso a konvektor o přibližně stejném tepelném výkonu. U obou těles je uvažováno s kvantitativní regulací výkonu škrcením otopné vody o teplotě t = 75 °C termostatickou hlavicí, která při své funkci reaguje velmi rychle na měnicí se teplotu interiéru.

Zvolená místnost představuje dnes běžnou obytnou místnost o podlahové ploše 20 m² se dvěma ochlazovanými stěnami a oknem. Tepelně-technické vlastnosti odpovídají požadavkům normy na tepelný odpor a je uvažováno větrání infiltrací s konstantní intenzitou výměny vzduchu n = 0,5 h^-1.

Zjištěno bylo, že místnost vytápěná dynamičtějším OT (konvektorem) vykazuje přesnější dodržení požadované tepoty místnosti a také menší průměrné nechtěné přetápění.

Z dosažených výsledků vyplývá, že vytápění zvolené místnosti dynamičtějším otopným tělesem (konvektorem) vykazuje v daném případě:

• nižší tepelné ztráty místnosti prostupem,
• nižší tepelné ztráty místnosti infiltrací,
• větší pasivní využití solární tepelných zisků o cca 3 %,
• menší průměrné přetápění místnosti o cca 0,2 K,
• úsporu tepla na vytápění cca 11 %.

TESTOVÁNÍ KOMBINOVANÉHO ZÁSOBNÍKU S OHLEDEM NA PŘÍPRAVU TEPLÉ VODY

Ing. Bořivoj Šourek, Ph.D.¹, Jiří Kalina², doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.^1
1Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze,
²Regulus, s. r. o.

Kombinované vodní akumulační zásobníky se stále více prosazují nejen v solárních tepelných soustavách, ale i v soustavách s tepelnými čerpadly vzhledem k jejich kompaktnímu provedení a úspoře místa ve strojovnách. Kombinované zásobníky kombinují ohřev otopné vody a přípravu teplé vody od otopné vody přes teplosměnnou plochu. Na trhu se objevují v několika konstrukčních provedeních podle způsobu přípravy teplé vody:

1. s vestavěným zásobníkem teplé vody,
2. s vestavěným trubkovým výměníkem nebo
3. s externím deskovým výměníkem.

Návrh konstrukčního řešení pro efektivní provoz musí splňovat nejen požadavek na nízkou tepelnou ztrátu, ale v případě použití obnovitelných zdrojů, jejichž efektivita je závislá na provozní teplotě, také na vhodném teplotním vrstvení a omezení jeho degradace při provozu. Dalším důležitým parametrem je dostatečný výkon přípravy teplé vody.

Zkoušený zásobník má v horní zóně určené pro přípravu teplé vody umístěn trubkový výměník pro průtokový ohřev vody, dolní zóna bez výměníku je určena pro akumulaci otopné vody pro vytápění. Trubkový výměník je z nerezové vlnovcové trubky o celkové teplosměnné ploše 6 m².

Zkouška se soustředila jednak na stanovení tepelné ztráty samotného zásobníku a se 7 ks připojených trubek (ztráty zásobníku včetně tepelných mostů), dále na výkon výměníku tepla pro ohřev vody a na stratifikační chování zásobníku.

Tepelná ztráta kombinovaného zásobníku ovlivňuje účinnost akumulace tepla a tím energetickou náročnost soustavy pro vytápění a přípravu teplé vody tepelným čerpadlem. Pro výpočty tepelné ztráty postačuje znalost celkové hodnoty měrné tepelné ztráty zásobníku, případně rozdělené do dílčích hodnot (víko, dno, stěna). Upřednostňuje se experimentální stanovení pohotovostní tepelné ztráty při definovaných středních teplotách uvnitř zásobníku podle standardizovaného postupu.

Měrná tepelná ztráta je komplexním parametrem charakterizujícím tepelnou ztrátu zásobníku a lze z ní určit ztráty tepla zásobníku při skutečných provozních podmínkách. Nicméně v případě hodnocení reálného zapojení zásobníku do tepelné soustavy je výsledek zkoušky poněkud idealizovaný. V praxi je k tepelné soustavě i rozvodu studené a teplé vody zásobník připojen potrubím (více či méně izolovaným) a uzavíracími armaturami (v praxi v podstatě bez izolace). Tyto tepelné mosty napojení zásobníku mohou představovat významnou část tepelné ztráty vlivem přirozené konvekce mezi objemem zásobníku a ochlazovanými neizolovanými plochami v potrubí mimo zásobník. Některé konstrukce zásobníku takové tepelné ztrátě čelí vnitřním uspořádáním nátrubků zabraňujícím přirozené konvekci, případně je může omezit instalatér vhodným vedením potrubí (vytvoření U-smyčky pro omezení konvekce).

V zásobníku tepla bylo experimentálně ověřováno i udržení vertikálního rozvrstvení teplot (stratifikace) při nabíjení dolní a horní části zásobníku tepla zdrojem tepla (tepelným čerpadlem). V případě provozu tepelného čerpadla dochází k přepínání mezi nabíjením spodní zóny zásobníku pro vytápění a horní zóny zásobníku pro přípravu teplé vody. Vzhledem k vysokému průtoku otopné vody kondenzátorem může v důsledku rychlosti proudění na vstupu do zásobníku docházet ke vzájemnému ovlivňování obou zón a k degradaci teplotního vrstvení. Dělicí plech v zásobníku, oddělující zónu přípravy teplé vody od zóny otopné vody pro vytápění, byl navržen pro zabránění míchání mezi těmito dvěma zónami a narušení teplotního vrstvení v zásobníku při chodu zdroje tepla. Potvrzen byl jeho velký vliv, neboť teplotně se měnila vrstva těsně a při nabíjení jedné ze zón není druhá ovlivněna.

Testování kombinovaného zásobníku pro přípravu teplé vody a vytápění je nedílnou součástí návrhu pro ověření jeho správné funkce, případně pro navazující optimalizace návrhu.

VYUŽITÍ TEPLA ODPADNÍ VODY PRO PŘÍPRAVU TEPLÉ VODY TEPELNÝM ČERPADLEM

doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.¹, Bc. Radek Červín^2
1Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze, ²Fakulta strojní, ČVUT v Praze

Využití tepla z odpadních vod nabývá na významu s postupným snižováním energetické náročnosti budov. Zpětné získávání tepla rekuperačními výměníky je na jednu stranu jednoduché, nicméně se obtížně v rámci rodinného či bytového domu dosahuje významné úspory tepla, a to i přes často relativně vysokou účinnost samotných výměníků. Příspěvek se snaží ukázat, zda využití tepelného čerpadla pro zpětné využití tepla z odpadní vody může významně snížit energetickou náročnost přípravy teplé vody.

Využití odpadního tepla pro provoz tepelných čerpadel v rodinném domě bude vždy pro centrální rekuperaci s nutností odpadní vodu akumulovat v jímce. To navíc přináší i výhodu vyššího využití tepla z odpadní vody, neboť v případě využití odpadní vody z vany nebo myčky se jedná o časově posunutý předehřev studené vody. Výhodou centrální akumulace odtékající teplé vody je relativně vysoká teplotní úroveň odpadní vody mezi 20 a 35 °C. Nevýhodou centrálního systému rekuperace je nutnost zřízení oddělené kanalizace pro tzv. šedou a černou vodu. Přičemž pro rekuperaci je možné využít pouze šedou odpadní vodu, tj. odpadní vodu bez fekálií a moči. Doba zadržení vody je přitom maximálně 1 den z hygienických důvodů.

Běžná tepelná čerpadla obecně mohou bez problému využívat nízkopotenciálního tepla chlazením výparníkem do teplot primárního zdroje na úrovni cca 25 °C, pak je nutné buď odpadní vodu v jímce ředit, zařadit směšování do výparníkového okruhu nebo zvolit odpovídající prvky chladivového okruhu tepelného čerpadla.

Pro účely ověření konceptu zpětného získávání tepla z odpadní vody tepelným čerpadlem byl sestaven experimentální systém, který se skládá z laboratorního tepelného čerpadla s tepelným výkonem 5,5 kW při teplotních podmínkách 0/35 °C, tepelně izolované nádrže na odpadní vodu o objemu 200 l s trubkovým výměníkem (nerezová vlnovcová trubka DN 20, délka 16 m) a zásobníku teplé vody o objemu 160 l s trubkovým výměníkem (měděná trubka, teplosměnná plocha 1,5 m²). Tepelné čerpadlo je na výměníky napojeno přes experimentální trať pro měření a regulaci průtoků a teplot v okruhu výparníku a kondenzátoru.

Experimentální měření bylo vyhodnoceno pro tři měřicí cykly pro porovnání. Všechny uvažovaly objem odpadní vody v odpadní jímce 180 l. Vlnovcový výměník byl umístěn cca 5 cm pod vodní hladinou pro maximální využití objemu pro vychlazování. V měřicím cyklu C byl uvažován poloviční průtok kondenzátorem (pro docílení vyšší využitelné teploty v zásobníku teplé vody).

Energetická náročnost přípravy teplé vody je dána denním odběrem jejího množství při uvažované teplotě teplé vody a studené vody. V případě čtyřčlenné domácnosti s celkovou potřebou teplé vody 160 l/den při požadované teplotě 55 °C je denní množství energie na ohřev vody 8,4 kWh. Pro běžné sprchování nebo lázeň postačují teploty na výtoku okolo 38 °C, tzn. celkové množství smíchané teplé vody se studenou okolo 260 l/den. Takové množství pak odtéká jako voda odpadní s teplotou okolo 33 °C (přirozené vychlazení 5 K) do kanalizace, do rekuperace tepla lokálními výměníky pod sprchou nebo do jímky pro využití tepelným čerpadlem. U experimentálního zařízení byl vyhodnocen topný faktor celého cyklu na úrovni COP = 4,0 při vychlazení experimentální jímky na teploty okolo 7 °C a nabití zásobníku teplé vody z 10 °C na cca 45 až 48 °C. V reálných podmínkách nesouvislého provozu bude pravděpodobně zásobník teplé vody nabíjen z vyšší počáteční teploty, nicméně jímka odpadní vody vychlazována na teplotu okolo 12 °C. Za předpokladu vychlazení odpadní vody tepelným čerpadlem z teploty 33 °C na teplotu 12 °C, výparník odebere celkem 6,3 kWh/den při zjištěném topném faktoru 4,0. Úspora energie pro přípravu teplé vody bude 75 %.

Dalších deset stručných anotací bude následovat.