Patří denostupňová metoda do archivu?

A tak tento osud do jisté míry postihuje i denostupňovou metodu, která se vžila například:

• A/ pro zjednodušení praktických rychlých úvah o potřebách tepla za rok při projektování, ap.
• B/ pro zjišťování „spotřeb“ tepla na vytápění

V případě A/ se metoda využívá spíše pro odhady či prognózy za celý zvažovaný objekt, anebo pro hodnocení uplynulého období pomocí měrné spotřeby tepla:

Aa/ Pro odhady či prognózy za celý zvažovaný objekt se použije denostupňová metoda, která ve svém výsledku přináší poněkud nadhodnocené orientační potřeby tepla či paliva. I přesto se prakticky nedopouštíme nějakého poškozování zákazníka, jelikož se touto metodou snažíme určit předběžné potřeby objektu, které ovlivňují i plánování distribuce paliva, případně skladování pevných paliv, ap.

I toto použití ovšem potřebuje korekci směrem dolů o předpokládané množství tepelných zisků, které snižují vypočítané hodnoty podle denostupňové metody.

Ab/ Denostupňová metoda se naopak velmi dobře hodí pro účely hodnocení tepelně technického stavu budovy, ale zejména stability hospodaření teplem. Výpočtem roční měrné spotřeby tepla (označme q_r) v GJ/D° zpětně zjišťujeme podíl tepla naměřeného fakturačním měřičem k počtu denostupňů za rok. Tím získáme ukazatel, který zahrnuje všechny skutečné vlivy na spotřebu. V ukazateli je zahrnuta i intenzita zimy a tepelné zisky vč. ztrát prostupem a větráním. Na základě pravidelného ročního vyhodnocování uplynulé otopové sezony můžeme spolehlivě navrhovat provozní opatření pro zvyšování efektivnosti vytápění. Velký význam má tento ukazatel také z pohledu stability funkce měření a regulace (m+r). Pokud je ukazatel každý rok téměř stejný, pak nám sděluje, že m+r funguje spolehlivě a že i chování subjektu je standardní. I zde se dopouštíme určité chyby, jelikož musíme vycházet z určité průměrné (referenční) vnitřní teploty celého objektu, abychom obdrželi příslušný počet denostupňů. Proto ani ukazatel q_r není zcela dokonalým nástrojem a lze ho jen s opatrností použít pro porovnávání různých objektů.

V tomto případě tedy metoda nepatří do archivu.

Poznámka: Na rozdíl od tohoto ukazatele existuje jiný ukazatel tzv. měrná spotřeba na metr čtvereční plochy v kWh.m⁻², který nemá prakticky žádný význam kvůli tomu, že pouze primitivně kopíruje spotřebu tepla za rok. Je to tím, že proměnlivé číslo spotřeby dělíme konstantní plochou. Pro ilustraci při spotřebě tepla 1 000 GJ a ploše 10 000 m² vyjde 0,1 GJ.m⁻² a při spotřebě 800 GJ je to 0,08 GJ.m⁻². To můžeme rovnou porovnávat přímo spotřeby, bez zbytečné operace dělením. Poměr spotřeb je v tomto příkladě vypočítán 800:1000 ≈ 0,8:1,0. Proto je zcela zbytečné porovnávat spotřeby na konstantní vytápěnou plochu, jak se to například používá v energetické lize.

Pro případ B/ je denostupňová metoda naprosto nevhodnou metodou, podle níž mají koncoví odběratelé platit náklady za vytápění.

Metoda je, bohužel, naprosto nekriticky, natolik „pod kůží“, že ti, kteří nemají potřebné a měřením ověřené poznatky, nemohou opustit její urputné prosazování v praxi, dokonce ji neustále považují za nejlepší metodu a vysvětlují i senátorům, jak je to nejlepší (například na veřejnosti přístupné schůzi výboru senátu pro místní rozvoj dne 24. 2. 2016). Bohužel je smutné, že jsou obhájci denostupňové metody zváni jako vysoké autority k posuzování odborných projektů, studií a posudků návrhů nových oborových předpisů připravovaných ministerstvy.

V již minulých dobách nebyl dostatek měřicí a regulační techniky a i pravidla vytápění byla méně dokonalá a regulovalo se otevíráním oken. Teplo bylo levné. Jakmile bylo třeba přejít na systém lepšího hospodaření, bylo prakticky nemožné ověřovat, zda se v konkrétních případech jedná o objektivně správné a odpovídající spotřebě tepla v posuzovaných domech. Vždy se ukazovalo, že je spotřeba nižší, než podle projektů.

Největší problém nastal, když někdo rozhodl, že musíme zavést trh teplem i na úrovni bytů (jakési „podružné měření“) a také přijal na základě nějakého nevěrohodného „výzkumu“ denostupňovou, či modifikovanou denostupňovou metodu, aby bylo údajně možné přesně určit „spotřebu“ tepla, kterou by odběratel měl uhradit. Metody příliš zjednodušují skutečné okrajové podmínky.

A nyní k samotné podstatě metody.

Na počátku ještě poznamenávám, že následující úvahy a výsledky či informace jsou podpořeny i několik let změřenými relevantními veličinami v intervalech minimálně 4× za hodinu z 20 souborů vytápěných a zčásti, či zcela zateplených objektů, a ne na abstraktních matematických operacích a parametrech. Některé i publikované výsledky měření teplot na tělesech v místnostech a vně byly snímány v intervalech 3 minuty (publikováno např. na TZB-info, Topenářství Instalace, či mých přednáškách).

Denostupňová metoda

Roční potřeba (zdůrazňuji potřeba) tepla pro vytápění, tj. potřeba za otopné období d [dny], obvykle pro počet dnů s teplotou nižší než je zvolena mezní teplota t_em, např. t_em = 13 °C (podle pravidel vytápění).

Denostupňovou metodou nelze nikdy stanovit skutečnou roční spotřebu, neboť ani slavná Sibyla nedokáže předpovědět skutečné okrajové podmínky pro výpočet spotřeby, proto mluvíme o potřebě na principu předpokládaných, tedy odhadovaných okrajových podmínek, které mohou nastat.

Mnoho autorů se snaží tuto metodu využít pro rozdělení naměřené spotřeby tepla zjištěné z fakturačního měření kalorimetrem. Je to stav za uplynulé sledované období, kdy již nelze absolutně nic ovlivnit ani uvědomělým chováním uživatelů – koncových odběratelů. Vzniká otázka, zda lze odůvodnit exaktnost a relevantnost metody pro objektivně správné rozdělení tepla mezi množinu koncových odběratelů tak, aby se vypočítané podíly bytů rovnaly podílům skutečně spotřebovaného tepla.

Tato metoda byla určena k odhadům potřeb tepla a je ovlivněna přesností obvyklou v oblasti klimatu, případně pro zpětný pohled a zjištění roční měrné spotřeby podle Aa/.

Okrajové podmínky totiž vytváří mnoho neovlivnitelných, ale často náhodných faktorů, viz dále. Proto je třeba se na hlavní ovlivňující faktory podívat podrobněji.

Teoretická potřeba při přerušovaném vytápění se pak počítá ze vztahu:

kde je

Q_r

teoretická potřeba tepla na vytápění [J]

Q_c

celková teplená ztráta objektu [W] nebo místnosti (Q_c = Qp + Q_v)

Q_p

teplená ztráta objektu [W] nebo místnosti prostupem

Q_v

teplená ztráta objektu [W] nebo místnosti větráním

d

počet dnů ve vytápěcím období [dny]

t_is

průměrná vnitřní teplota objektu [°C] nebo místnosti

t_es

průměrná venkovní teplota za otopné období [°C]

t_en

oblastní venkovní výpočtová teplota [°C]

t_in

vnitřní výpočtová teplota [°C]

ε

opravný součinitel [–]; zahrnuje více korekcí při přerušovaném vytápění

Q_c,01

celková teplená ztráta objektu [W] nebo místnosti (Q_c = Q_p + Q_v01) při intenzitě větrání 0,1

Rovnici můžeme interpretovat takto: Celkové tepelné ztráty Q_c [W], tedy součet ztrát prostupem a větráním vynásobíme počtem hodin za den a obdržíme potřebu tepla za 24 hodin. Například pro Q_c,01 = 44 735 W je potom součin 1 073 640 Wh. Abychom obdrželi výsledek v [J – Joulech; J = Ws] vynásobíme výsledek číslem 3 600, což je počet sekund za hodinu. Potom obdržíme 1,074.10⁶ × 3,6.10³ = 3,865.10⁹ J/d = 3,865.106 kJ/d = 3,865.10³ MJ/d = 3,865 GJ/d.

Významným činitelem je veličina pod písmenem d, které určuje jakou (ale i kterou) část vytápěcího období máme na mysli při výpočtu.

Nejdříve vyjdeme ze stavu, že máme d = 216. Výpočtovou interní teplotu t_in = 20 °C; venkovní výpočtovou t_en = −12 °C; t_is = 20 °C a t_es = +3 °C.

Potom je roční potřeba tepla dána 3,865 GJ/d . 216 d . (20 − 3) / (20 + 12) °C = 3,865 . 216 . 17/32. Výsledkem je 443,5 GJ/r.

Když tento výpočet podrobíme kritice, zjistíme, že je vše zdánlivě v naprostém pořádku. Vždyť bereme do výpočtu statisticky průměrné hodnoty a sčítání a násobení za nás udělá kalkulačka, tudíž si myslíme, že je vše správně. Matematicky ano, ale fyzikálně jen pro jeden určitý stav. Platí to obecně?

Předem odpovím, že ne!!! Proč?

Proto, že tento výpočet platí pouze při zatmění Slunce po celou otopovou sezonu (ani v noci nesmí být jasná obloha), nepřetržitým konstantním větráním (v našem výše uvedeném výpočtu ve všech místnostech i = 0,1) a bez vnitřních tepelných zisků (například jsme ve stejné rodinné sestavě doma 24 hodin denně, která přísně udržuje teplotu v bytě na hodnotě 20 °C).

Komentář k jednotlivým veličinám, které v denostupňové metodě pro rozúčtování nejsou měřeny či správně používány (i teploty vzduchu jsou měřeny v místech, kde je de facto nejvyšší teplota a navíc se teploměry umísťují jenom v omezeném počtu ≈ menší počet, než je počet těles):

1/ Číslo 24 znamená nepřetržitý provoz, tj. vytápění 24 hodin denně. Z hlediska dodávek tepla do budovy lze použít hodnotu 24 hodin. Prakticky se dodávka na patě domu časově neomezuje – nevypíná. Jenže odběr tepla z těles v místnostech (bytech) je velmi proměnlivý a velmi často koncový odběratel využívá přívod tepla z tělesa i podstatně kratší dobu. Nejsou výjimkou téměř trvale uzavřená tělesa a i v nejčastěji obývaných místnostech, jako je obývací pokoj, jsou tělesa uzavřena často po dobu 6 až 12 hodin. V nepřítomnosti odběratele to bývá i 24 hodin denně po dobu třeba několika týdnů či měsíce. Z tohoto plyne, že absolutně nelze uvažovat, že všichni mají stejný časový režim odběru tepla z těles, tj. se stejnou délkou a četností prodlevy. Faktory času a odběry tepla v průběhu dne a celé otopové sezony nelze současnými technickými prostředky použité metody nijak objektivně zjistit.

Jde tedy o první hrubý nedostatek.

2/ Tepelné ztráty prostupem jsou odvislé od teplotního rozdílu mezi teplotou vzduchu v místnosti a teplotou venkovního vzduchu. Zvážíme-li odpor při přestupu tepla z vnějšího povrchu ochlazované konstrukce stěny do vnějšího vzduchu ve výši 1/α_e, obdržíme odpor 1/23 = 0,043. Bude-li celkový odpor konstrukce při prostupu tepla například pro U = 0,25, potom je odpor R = 4. Přírůstek nebo úbytek teploty při prostupu je dán podílem jednotlivých odporů vrstev. Na vnější straně činí podíl změny 0,043/4 = 0,01075. Pokud je celkový výpočtový teplotní spád mezi vnitřní a vnější teplotou 32 K, pak je na vnějším povrchu teplota jen o 0,01075 × 32 = 0,344 °C vyšší, tedy −12 + 0,344 = −11,656 °C. Dá se tedy říci, že je teplota povrchu téměř stejná jako vzduchu a to lze v praxi zanedbat.

Výpočet denostupňové metody pracuje s rozdílem teplot vnitřního a venkovního vzduchu, pokud nesvítí Slunce. Pokud však působí na stěnu záření, zvyšuje se teplota vnější stěny a v takovém případě nemůžeme pracovat s teplotou vnějšího vzduchu. Obhájcům denostupňové metody to zřejmě nevadí, počítají stále s teplotou vzduchu, tedy ekvitermně = špatně!!!

Jde o druhý hrubý nedostatek.

Denostupňová metoda neregistruje stavy, kdy se do místnosti dostává teplo od stoupaček anebo dostává či ztrácí mezi sousedy a bez působení otopného tělesa (v některých místnostech ani nejsou). Tato tepla mají vliv na teplotu v místnosti, která je sice naměřena, ale nedokážeme nijak rozlišit, do jaké míry nám teplotu vzduchu udržuje teplo z tělesa a do jaké míry od sousedů či stoupaček. Teplota tedy nijak nevyjadřuje kolik a v jakém podílu se na změřené teplotě podílí teplo z tělesa a z okolí. K této problematice jsou vyčísleny vlivy zisků od sousedů a stoupaček v jiném článku „Dodržování teplot podle pravidel vytápění ...“.

Jde o třetí hrubý nedostatek.

Dalším nerozlišitelným teplem je tepelný zisk z oslunění přímým prostupem tepla skrze okenní výplně. Tento stav může také způsobit, že je naměřena vnitřní teplota překročena vysoce nad 21 °C. Jev lze vysvětlovat také tak, že odběratel silně přetápí!

Jde o čtvrtý hrubý nedostatek.

3/ Tepelné ztráty větráním vnášejí do metody další problém. Ten spočívá v individuálním přístupu odběratelů k intenzitě větrání. Velký vliv má rozdílnost intenzit větrání, časová nesoudobost a také rozdílné časové období větrání. Tyto veličiny nejsou sledovány, a proto není na základě čeho určit spotřebu. Museli bychom provádět integrace v čase, který je pro každou domácnost odlišný! Tato naprosto nezjistitelná veličina významně mění hodnotu Q_c, kterou známe, jen pokud provádíme výpočet v přesně definovaných podmínkách. Pokud je neznáme, (metoda nám data neposkytuje) proto nelze určit odpovídající podíl bytu na spotřebě naměřené kalorimetrem.

Jde o pátý hrubý nedostatek.

4/ Vnitřní tepelné zisky ze spotřebičů (žehlení, TV, vaření, ap.) mají také významný vliv na teplotu v místnosti. Tyto zisky tepla nelze nijak odměřit a určit jejich podíl, který je velmi rozdílný v každém bytě (skupině bytů v domě). O tomto vlivu je připraven samostatný článek.

Jde o šestý hrubý nedostatek.

5/ Orientace místností ke světovým stranám rovněž není nijak přesně zohledněna, a proto nelze přesně stanovit rozdíl ve spotřebě tepla u místností orientovaných na jih a na sever, či východ – západ. Přitom při stejné vnitřní teplotě v místnosti na jihu spotřebujeme daleko méně tepla než v místnosti na severu.

Jde o sedmý hrubý nedostatek.

Vrcholem denostupňových metod je tzv. vylepšená = modifikovaná denostupňová metoda, což je stav, kdy podle denzitometrického měření vlivu teplot z vratné trubky tělesa, se „smíchají“ příliš proměnné teploty vratné vody s teplotou okolního vzduchu v místě snímače, tj. cca 100 mm nad podlahou a zpravidla pod oknem, kde je téměř nejchladněji.

Tím se vytvoří nějaká střední teplota „směsi“ teplot od vratné vody z tělesa a od okolního vzduchu, když přestane proudit topná voda tělesem. Další úvahy o této metodě nechám bez dalších komentářů, jelikož tato metoda zcela vybočuje z rámce denostupňové metody. Prostě výsledná teplota tohoto typu měření teploty nevyjadřuje ani integrální střední teplotu vzduchu a ani vratné vody z tělesa. Tato metoda je nejméně vhodná pro cokoliv, natož pro rozdělování nákladů.

Vzhledem k tomu, že v současné době používané okleštěné torzo denostupňové metody pro rozdělování nákladů za vytápění jednotlivých bytů vykazuje příliš mnoho nedostatků, měla by být zakázána, zcela patří do archivu.

Kdybychom chtěli metodu využít do všech detailů, museli bychom z každé místnosti vytvořit laboratoř osazenou drahou technikou a centrálním vyhodnocovacím PC s poměrně složitým softwarem.

Uvědomují si nositelé a radikální zastánci této okleštěné denostupňové metody za účelem rozdělování nákladů za teplo, že prokázané nedostatky zcela deformují způsob rozdělování nákladů? Pokud ano, měli by sami tuto metodu opustit a nepřesvědčovat odběratele – laiky o kvalitě této metody, jelikož to evokuje metody tzv. nákupních a předváděcích akcí.

Metoda neposkytuje ani velmi přibližně přijatelné výsledky ohledně rozdělování spotřeby tepla tak, jak to požaduje směrnice 2012/27/EU.

Celkově se situace ohledně měření tepla a rozúčtování ukazuje, že je problematika ve slepé uličce, tj. není dostatečně odborně řešena jako celek. Nestačí se ptát pouze na to, jaká je proveditelnost a ekonomika měření tepla u koncových odběratelů, protože odpovědi na tyto otázky nemají šanci komplexně odpovědět na všechny otázky ohledně efektivnosti hospodaření teplem, což je hlavním úkolem celé EU.