Vývoj měření spotřeby tepla, SV, TV v bytech – měřicí systémy

Příspěvek popisuje jeden možný směr, který vychází z firemní filosofie, vývoje, výroby a instalací systémů firmy Lomex.

1. Úvod

Největší finanční položkou za odebírané energie v bytových domech je platba za službu vytápění. To je všeobecně známé. O to více je velmi důležité se nad touto problematikou zamyslet a pokusit se najít přijatelné řešení, které bude co nejspravedlivěji ve výsledné platbě vyjadřovat vztah k úrovni užívaného tepelného komfortu v bytech. Použitý výraz „co nejspravedlivěji“, nikoliv „spravedlivě“, jak by bylo zcela určitě požadováno, má svoje opodstatnění a bude vysvětleno dále.

Obecně úloha měření spotřeb energií, dodávaných uživateli soustředěnou přenosovou cestou a spotřebovanou výhradně určeným uživatelem, např. voda, elektřina nebo plyn, je v současnosti řešena vyhovujícími technickými prostředky jako jsou vodoměry, elektroměry, plynoměry. Jiná situace je v měření tepelné energie, potřebné pro zajištění tepelného komfortu v bytech. Z hlediska fyzikální podstaty šíření tepla v reálných podmínkách bytových domů nelze zamezit částečnému využití dodané tepelné energie jiným uživatelem, než kterému je původně určena a u kterého je prováděno měření. Při obvyklém rozdílu teplot na dělicí stěně sousedních uživatelů není prostup tepla stěnami zanedbatelný [1]. Mimoto v obytném domě nejsou všechny byty stejně náročné na spotřebu tepla, i když ostatní vlastnosti stejné jsou. Tyto rozdíly lze částečně korigovat odhadovými koeficienty pro rozpočet společných nákladů, při růstu ceny tepla však nejistota stanovení správné platby nabývá významných finančních částek a nespravedlnost tak roste.

Neustále vzrůstající jednotkovou cenu za dodávané teplo do objektu může uživatel těžko ovlivnit. Motivace k úsporám a nižším platbám je tak omezena na regulaci velikosti vlastního užívaného množství tepla v bytě z celkového dodávaného množství do objektu. K této činnosti dostává uživatel účinné nástroje, tedy regulaci a měření v bytech. Používání těchto nástrojů jedním uživatelem však nesmí mít negativní dopady do platby druhého uživatele. Tímto jsme se dostali k podstatě problému, a to je určení metody a principů, na kterých musí být technické zařízení, určené pro měření tepla v bytech, realizováno, aby tuto zásadní podmínku splňovalo. Každá metoda měření tepla v bytech má svoje základní systémové chyby, ale pokud neumí příslušná metoda měření promítnout do měření vliv tepelných toků mezi byty, pak nelze dojít k věrohodným naměřeným hodnotám. Metodou měření, která respektuje a vyhodnocuje tepelné toky mezi jednotlivými byty, je „Denostupňová metoda“, také nazývaná metoda měření tepelné pohody. Podmínkou je ovšem stálost uspořádání vnějšího pláště budovy.

Proč je to tak důležité, použít metodu zohledňující tepelné toky mezi byty?

Zásadním krokem pro snížení nákladů na vytápění bytového domu je zateplení vnějšího pláště. Tímto opatřením se podstatně zvětší tepelný odpor mezi byty a vnějším prostředím. Majoritní tepelné toky se nyní začnou odehrávat mezi jednotlivými místnostmi a také mezi byty. Zejména když si uživatelé úsporné chování zjednoduší na úplné uzavírání radiátorových ventilů. Tomuto chování, motivovanému dosáhnutím minimální platby, lze těžko zabránit. Co se stane v takovém případě? Vytápěcí systém v bytech byl navržen na mechanismu cirkulace ohřívaného vzduchu nad radiátory pod oknem, kdy teplý vzduch se dostal i do vzdálených míst od radiátoru a v místnostech bylo rovnoměrné rozložení teplot a odpovídající tepelná pohoda. Uzavřením radiátorů se cirkulace zastaví a místnost se začne ohřívat přes stěny, podlahy a stropy z vedlejších místností a bytů. Nejenže na tento způsob „vytápění“ místností a bytů, zejména na úplné uzavírání radiátorů, nebyl objekt projektován, ale může být rozvážena celá tepelná soustava domu. Současně začne docházet k významnému přelévání tepla mezi byty. To je skutečnost. Pokud chceme nyní nějak ohodnotit množství tepla v jednotlivých bytech, musíme zvolit takovou metodu a příslušné technické instrumenty, které tyto stavy zachytí, změří a promítnou objektivně do rozdělení nákladů, tedy plateb jednotlivých bytů. Jde totiž o výsledek určitého konkrétního chování uživatelů a ten nelze vypočítat, ani odhadnout. Lze jej jedině naměřit, a to metodou, která to dokáže. Tou metodou je výše zmiňovaná Denostupňová metoda. Denostupňovou metodou se neměří transport a množství tepla předané do bytu pomocí radiátorů. Měří se tepelný stav bytu, jako výsledek služby vytápění. Uživatel, který si v bytě udržuje nižší teplotu, aniž by zcela uzavřel radiátory, nebo jestliže krajní byty nemohou dosáhnout stejnou nebo vyšší teplotu jako vnitřní byty, pak krajní byty a byty s nižší teplotou budou mít dle této metody menší platbu. A to dle skutečně užívané teploty. Nekonfliktnost prováděných rozúčtování z více než patnáctiletých zkušeností instalovaných systémů měření na základě Denostupňové metody potvrzují, že jde o nejspravedlivější způsob měření spotřeby tepla v bytech a následné rozúčtování nákladů mezi jednotlivé byty.

2. Denostupňová metoda – měření tepelné pohody

Princip měření dle Denostupňové metody spočívá v trvalém měření vnitřní teploty bytu, venkovní teploty a v průběžném výpočtu rozdílu těchto teplot v probíhajícím čase.

Výsledky výpočtů (denostupně) se trvale zaznamenávají v paměti měřicího systému a každému uživateli se spolu s vnitřní teplotou bytu a venkovní teplotou zobrazují na displeji měřicí jednotky umístěné v každém bytě. Pro výpočet mají všechny byty stejnou venkovní teplotu, všem plyne stejný čas, ale mají různé vnitřní teploty bytu. Metoda spočívá ve výpočtu následujícího vzorce.

kde

t_int

– vnitřní teplota bytu [°C]

t_ext

– venkovní teplota [°C]

T

– čas [den]

DNS

– denostupně [D°]

Hodnotící funkce spotřeby tepla při měření tepelné pohody je tedy odvozena z rozdílu vnitřní a venkovní teploty pro každý sledovaný byt. Spotřebovaná energie na vytápění bytu je pak úměrná časovému integrálu rozdílu teplot a vyjadřuje se v denostupních (D°). Jak již bylo řečeno, neměří se transport energie na topném tělese, nýbrž tepelný stav bytu. Počet denostupňů, charakterizující tak užívaný tepelný komfort bytů, centrálně odečtený ze všech bytů, se po topné sezóně použije pro rozúčtování nákladů naměřených patním měřidlem domu.

Vliv venkovní teploty na teplotní náročnost vytápění – velikost nákladů

Uvažujme, že chceme vytápět objekt, dům, nebo byt, na konstantní teplotu 20 °C. Pro zjednodušení po celý jeden den. Nyní provedeme výpočty pro venkovní teplotu +12 °C a pro teplotu −12 °C, opět konstantní po celý den. Dosaďme si nyní do vzorce pro výpočet denostupňů.

Z výpočtů vyplývá, že pro dosažení stejné vnitřní teploty bytu při venkovní teplotě −12 °C je třeba dodávat čtyřikrát větší tepelný výkon než při venkovní teplotě +12 °C. Měřicí systém, který využívá Denostupňové metody v případě venkovní teploty +12 °C, zaregistruje ve své paměti 8 denostupňů a v případě venkovní teploty −12 °C zaregistruje 32 denostupňů. Trvalé měření venkovní teploty a vnitřní teploty bytu a následně provádění výpočtů denostupňů vyjadřuje skutečnou teplotní náročnost každého bytu.

Následující příklad ukáže, jak lze tuto metodu, která má přímý vypovídací vztah o náročnosti na vytápění, využít pro měření tepelné náročnosti bytů a následně aplikovat pro přímý výpočet velikosti plateb za teplo jednotlivých bytů v bytových domech. Důležitou vlastností je, že tato metoda nepotřebuje již žádné zohledňující koeficienty na polohu, velikost radiátorů apod. Rovněž tak nemusí být splněna podmínka vyváženosti topné soustavy, což u metody měření tepla na radiátorech je podmínka zcela nutná.

Vliv rozdílné vnitřní teploty bytů na velikost nákladů (plateb bytů)

Budeme porovnávat dva byty v bytovém domě.

Pro jednoduchost uvažujme stálou venkovní teplotu +2 °C během celého dne. Jeden byt bude vytápěný na stálou teplotu 21 °C, druhý byt na teplotu 24 °C. První byt bude mít za jeden den zaregistrováno (21 − 2) ‧ 1 = 19 denostupňů. Druhý byt za stejný den bude mít zaregistrováno (24 − 2) ‧ 1 = 22 denostupňů.

Poměr 22 / 19 = 1,16 nám pak vyjadřuje, že zvýšíme-li teplotu v bytě o 3 °C, zvednou se náklady na vytápění o cca 16 %. Potvrzuje se tak známé pravidlo, že zvýšením teploty o 1 °C rostou náklady na vytápění o cca 5–7 %. Pravidlo snadno ověřitelné v rodinných domech s lokálním vytápěním elektřinou nebo plynem.

Vraťme se k našemu příkladu. Je zřejmé, že pro korektnost výpočtu denostupňů během topného období musí být pro výpočet používána aktuální venkovní teplota, nikoliv nějaká dosazená konstanta, vycházející z teplotního průměru. To proto, že pokud je venkovní teplota kladná, případně se již blíží teplotě v bytech, jsou vypočítávány pro všechny byty malé hodnoty denostupňů, naopak při nízkých venkovních teplotách jsou hodnoty registrovaných denostupňů všech bytů podstatně vyšší. Přitom se však může jednat stále o stejnou vnitřní teplotu bytu. V tomto rozlišení je právě velká „síla“ Denostupňové metody a objektivnost měření.

Metoda automaticky zohledňuje tepelné toky mezi venkovním prostředím a mezi sousedními byty. Trvale udržovaná a vyhovující nižší teplota během celého sledovaného období je tím pravým potenciálem úspor. Nikoliv skokové jednorázové snižovaní teploty úplným uzavřením ventilů s nebezpečím kondenzace na chladných místech a vzniku plísní.

Vliv tepelných toků, zvláště při rozdílném chování sousedních uživatelů, je při klasickém měření na radiátorech metodickou chybou a nelze jej nijak korigovat nebo ošetřit zohledňujícím koeficientem.

Při aplikací Denostupňové metody je platba za službu vytápění odvislá od provozní užívané teploty bytu a nezáleží na cestě, kterou bylo teplo do bytu dodáno. Vždy se jedná o teplotu v bytě, která je vyšší než venkovní teplota, a je správné, aby byla v této míře ohodnocena a zaplacena. Pořád se jedná o teplo, které bylo do objektu dodáno, nebo v něm vyrobeno, a má svoji finanční hodnotu.

Pro bližší seznámení s touto problematikou, včetně vlivu přídavných zdrojů tepla na přesnost měření, jsou v [2] v kapitole VYŠLO V TISKU uvedeny odborné a osvětové články, např.

• Výhody a nevýhody Denostupňové metody [1], [3]
• Problematika větrání oknem [3], [4], [5], [6]

3.Technické vlastnosti měřicích systémů s Denostupňovou metodou

Na základě výše popsaných vlastností lze s výhodou realizovat inteligentní měřicí systémy s operativní správou služeb jako je měření spotřeby tepla, studené vody, teplé vody, případně elektřiny a plynu v bytech.

Obecně u instalovaných zařízení měření tepla v bytech se musí vycházet z aplikací fyzikálních principů jakým je šíření tepla v bytových domech. S minimem, nebo s úplnou absencí zavádění subjektivních koeficientů. Zařízení musí být na úrovni současné doby.

Vlastnosti měřicího systému a požadavky na něj:

• měření tepelného stavu bytu jako výsledek služby vytápění
• odečty naměřených dat bez vstupů do bytu
• možnost sledování aktuálních spotřeb uživatelem ve svém bytě
• kdykoliv mít možnost odečíst data z celého objektu, zjišťovat trendy odběru energií a následně včas provádět operativní nebo preventivní zásahy ke snížení spotřeby
• všechny prvky systému mít pod diagnostikou, lze tak odhalit nelegální události na čidlech se zaznamenanou dobou trvání poruchy a kódem poruchy ( např. rychlost změny teploty na čidle teploty)
• měření tepla jen v době topné sezóny
• on-line propojení na správce služeb (Internet VPN, GSM atd.)
• provozem měřicího systému budou k dispozici informace pro stanovení energetického auditu budovy na základě skutečně změřeného rozložení teplot v domě
• koncepce řešení musí umožňovat přechod na měsíční fakturaci plateb

4. Moderní správa služeb spojených s dodávku tepla a vody do bytů

V době běžného využívání výpočetní a komunikační techniky, včetně internetu, je těžko akceptovatelné instalování zařízení vyžadující podomní, respektive bytový odečet údajů spotřebovaných energií z bytů. Nastal čas přejít na novou kvalitativní úroveň ve vztahu uživatel – správce energií (rozúčtovatel) – dodavatel energií. Samozřejmostí se již stává dálková správa těchto služeb přes internet a GSM sítě. Uživatelům však musí být nadále trvale přístupná průběžná měřená data a v neposlední řadě musí být srozumitelné a neutajené algoritmy výpočtu plateb každého bytu. Správním firmám tak bude silně omezena případná manipulace s daty, jak ve vztahu ke koncovým uživatelům, tak i dodavatelům energií. Důvěryhodná správa služeb, jejímž výsledkem je rozdělení nákladů mezi uživatele, má při zvyšujících se cenách energií i svůj nezastupitelný sociální význam. Úloha rozdělení nákladů za energie, zejména za teplo, se musí v bytových domech dostat na co nejspravedlivější úroveň.

Takový to přístup, s využitím prostředků realizovaných na ověřených fyzikálních principech považujeme v pravém slova smyslu za inteligentní. Ne, jak mnohdy jsou za inteligentní domy vydávány domy s přemírou technických prostředků a s vnucováním různých „komfortních“ služeb a činností v bytech.

Inteligentní ve smyslu vztahu k uživateli, kde pro rozúčtování jsou použity přehledné a srozumitelné algoritmy. Nikoliv takové, které se halí do utajovaného tzv. firemního firmware. To celkově vede k nedůvěře k měření a vyvolává to pochybnosti o smyslu měření. Jde opravdu o nemalé peníze, a to je vždy závažná věc.

Všeobecně tak půjde o jistý druh finančního manažerství celkové správy energií v bytovém domě, a to považujeme za cílové řešení.

5. Praktická realizace měřicích systému s využitím denostupňové metody

Firma Lomex se dlouhodobě zabývá vývojem, výrobou a instalací měřicích systémů na základě Denostupňové metody. Firemní strategie dalšího rozvoje vychází z referencí úspěšně nasazených systémů předchozí generace. Provozní spolehlivost systémů a nekonfliktnost v rozúčtování nákladů dle tepelné pohody nás přesvědčuje o správnosti takto hodnocené služby dodávky tepla do bytů.

Nedílnou součástí systémů, které jsou modifikovatelné, je měření studené a teplé vody. Koncepce systémů je otevřená i pro měření dalších komodit jako je elektřina a plyn. Ve vývoji se vždy vychází z požadavků, že výsledné zařízení musí být svými parametry přívětivé a užitečné koncovému uživateli. Měřené hodnoty musí být trvale „čitelné“ pro uživatele během provozu a následně nebudou naměřené údaje zatěžovány různými koeficienty zejména při rozúčtování. Neméně důležitým požadavkem vývoje je vždy cena pro koncového uživatele, která je nesrovnatelně nižší ve srovnání se systémy, které jsou vyvíjeny pro komerční budovy.

Zobrazování aktuálních a srozumitelných údajů na bytové měřicí jednotce v bytě považujeme za samozřejmou vlastnost měřiících systémů.

Obr. 2

počet denostupňů (Tepelná Pohoda)


vnitřní teplota bytu, venkovní teplota


množství studené vody 26 m³ 504,7 litrů


množství teplé vody 9 m³ 740,4 litrů


celkové naměřené množství za minulý rok

Obr. 1 Příklad postupně zobrazovaných údajů na displeji BMJ

6. Použití

Měřicí systémy na bázi Denostupňové metody jsou alternativním a lacinějším řešením např. systémů s bytovými předávacími stanicemi, zejména pro malometrážní byty.

Firma Lomex má vypracovánu dálkovou správu přes internet pomocí Virtuální privátní sítě VPN (virtual private network) – viz obr. 2. Samozřejmě odečty je rovněž možné provádět přímo z centrální jednotky v bytovém domě a to pověřenou osobou (např. člen samosprávy domu). Následně lze také provádět rozúčtování pomocí neutajovaného rozúčtovacího programu, který je k dispozici v [2], v sekci ROZÚČTOVÁNÍ.

7. Závěr

Použití systémů vycházejícího z měření tepelné pohody je perspektivní i pro zateplované objekty u kterých se musí provést opatření na snížení tepelného příkonu do bytu, např. snížení teploty vody v otopném systému. Teplota otopné vody ve vytápěcím systému se tak již blíží bytové teplotě a metody měření na radiátorech jsou pro svoji chybu nevhodné, nebo selhávají (nulové náměry).

Jen budoucnost se svými požadavky uživatelů ukáže ten nejsprávnější směr rozvoje s konkrétními realizacemi měření spotřeby energií v bytech.

8. Literatura

• [1] www.lomex.cz/tepelna_pohoda.htm
• [2] www.lomex.cz
• [3] www.lomex.cz/naklady.pdf
• [4] www.lomex.cz/modernizace1.pdf
• [5] www.lomex.cz/modernizace2.pdf
• [6] www.lomex.cz/okno_1htm