Řízení tepelných čerpadel: dohodneme se na jednotných požadavcích, protokolech a sémantice?

V současné době je trh s rezidenčními tepelnými čerpadly v oblasti komunikace s nadřazenými regulačními systémy roztříštěný. Výrobci nejsou jednotní v tom, do jaké míry (a jestli vůbec) dovolí tepelné čerpadlo povelovat z nadřazené regulace a jaká data má tepelné čerpadlo, resp. regulátor otopného systému, do nadřazené regulace komunikovat. Tato nejednotnost způsobuje, že regulační systémy od různých výrobců tepelných čerpadel nejsou plně kompatibilní s nadřazenými systémy energetického managementu budov.

Kvůli chybějící standardizaci existuje vysoká variabilita v tom, jaká data je tepelné čerpadlo schopno komunikovat a do jaké míry lze jeho provoz povelovat. Zatímco některé regulátory tepelných čerpadel/otopných systémů podporují základní možnosti jako odložení startu nebo monitorování spotřeby, jiné regulátory tyto funkce postrádají, nebo je poskytují jen v uzavřených ekosystémech a nejsou schopny je předávat do vyšších nezávislých vrstev. Tato situace prakticky znemožňuje přechod na nadřazené řízení provozu a v širším měřítku přináší komplikace při integraci do chytrých sítí.

Co na to kompresor? Potenciální rizika povelování z nadřazené regulace

Nadřazené řízení provozu tepelných čerpadel s sebou přináší i potenciální – dosud příliš neprozkoumaná – rizika snížení životnosti kompresoru, která se zatím v odborných kruzích příliš nediskutují, či přímo opomíjí. Existuje zde obava, že časté změny provozních podmínek, které by mohly být vyžadovány nadřazeným řízením (například na základě signálů pro snížení spotřeby během špiček), by mohly vést ke zkrácení životnosti kompresoru.

Lze samozřejmě namítnout, že základní ochrany proti cyklování kompresoru a funkce zajišťující dodržení optimálních provozních podmínek kompresoru mají všichni kvalitní výrobci tepelných čerpadel už dávno ve svých regulátorech implementované. Regulátor tepelného čerpadla bude tedy v případě, že například dojde k dosažení limitu povoleného počtu startů za určitý časový úsek, schopný požadavek nadřazené regulace na spuštění odmítnout a cyklování se vyhnout. Nicméně v řadě zahraničních studií je možné si všimnout, že implementace nadřazeného řízení sice nevedla přímo na cyklování, ale vedla ke zvýšení počtu startů kompresorů nad počet, který byl pozorován při řízení tepelného čerpadla základním regulátorem otopného systému, tj. podle ekvitermy.

Argument tedy není, že by implementace povelování z nadřazené regulace vedla přímo na cyklování kompresoru. Pouze zde hrozí reálná možnost, že povede na vyšší počet startů, než jaký by byl pozorován v případě provozu na ekvitermu. Další rizikovou situací je například požadavek na záměrné přehřívání (přebíjení) akumulační nádrže na výrazně vyšší teploty, než které by vyžadovala ekviterma. Poskytneme tím sice síti flexibilitu, ale dostaneme se zároveň do situace, kdy nutíme kompresor tlačit do vyšších teplot a tlaků, než jaké by byly potřeba při provozu na ekvitermu, což se projeví na životnosti i COP.

Je nutné si uvědomit, že při povelování tepelných čerpadel z nadřazené regulace proti sobě v řadě případů půjdou požadavky na vyhovění síti a na udržení maximální možné životnosti kompresoru. Bude pravděpodobně nutné hledat kompromis a je otázka, jestli takový kompromis bude pro koncového zákazníka vůbec atraktivní. Je potřeba zdůraznit, že tepelné čerpadlo není provozně ani cenově elektrická topná patrona a nelze se k němu při povelování chovat stejně.

Do budoucna bude potřeba, aby programátoři nadřazených regulačních modelů konzultovali specifika provozu tepelných čerpadel přímo s výrobci tepelných čerpadel a na základě toho optimalizovali schéma povelování.

Aby bylo možné objektivně zhodnotit, jak nadřazené řízení ovlivňuje životnost tepelných čerpadel, je v první řadě nezbytné dosáhnout sjednocení v několika klíčových oblastech. Prvním krokem je sjednocení sémantiky, což umožní, aby různá tepelná čerpadla poskytovala směrem do nadřazené regulace jednotné a konzistentní datové výstupy, srozumitelné pro nadřazené systémy bez ohledu na výrobce. Je potřeba zajistit, že hodnoty naměřených veličin a diagnostických dat (např. počet startů, provozní teploty nebo spotřeba energie) budou interpretovatelné a porovnatelné mezi různými systémy a studiemi. To je nezbytné pro analýzu dopadů nadřazeného řízení na životnost kompresoru a dalších komponent. Může to také významně pomoci při optimalizaci nadřazených regulačních algoritmů.

Bez této úrovně standardizace a jednotné metodiky vyhodnocování zůstanou data nesourodá, což nám znemožní objektivně vyhodnocovat dopady nadřazeného řízení na životnost tepelných čerpadel. Sjednocený přístup ke komunikaci s nadřazenou regulací a k dlouhodobému sběru dat je tedy zásadním předpokladem pro objektivní pochopení výhod a potenciálních rizik nadřazeného řízení pro provoz a životnost tepelných čerpadel.

Řešení pro vzdálené ovládání tepelných čerpadel v domácnostech

Jediné možné řešení současného stavu je zavedení a přijetí jednotného standardu sdílení dat mezi tepelnými čerpadly a nadřazenou regulací napříč všemi členskými státy EU. Evropské organizace Joint Research Centre a Directorate-General for Energy reagovaly v roce 2022 na tuto potřebu spuštěním iniciativy nazvané Kodex chování | Code of Conduct. Jde o (prozatím) dobrovolný kodex, který stanovuje jednotné standardy sdílení dat mezi domácími spotřebiči, systémy automatizace budov, nabíječkami elektromobilů, agregátory a provozovateli distribučních soustav. Tepelná čerpadla jsou zde zahrnuta jako samostatná kategorie. Všechna zařízení spadající pod kodex se označují zkratkou ESA (Energy Smart Appliances).

Celý kodex je aktuálně stále ve vývoji a prochází poměrně živou diskusí a připomínkami. První verze kodexu v.1.0 byla zveřejněna 18. září 2024 a nyní prochází připomínkovacím řízením.

Při spuštění v.1.0 kodexu se k němu zavázalo 11 společností: Arçelik, Clivet, Daikin, Electrolux, Miele, Mitsubishi Electric, Panasonic, Vaillant Group, Vestel, Viessmann a Qvantum Energy AB. Výrobci se zavázali vyvinout produkty kompatibilní s požadavky kodexu do jednoho roku. Dále se k podpoře kompatibilních ESA zavázal výrobce systému pro správu energie v domácnostech, společnost GEO.

Základní standardizace

Aby koncoví uživatelé mohli nakoupit zařízení ESA od výrobce A a kdykoli je bez omezení nahradit ekvivalentním zařízením od výrobce B, musí ESA umožňovat vzájemnou zaměnitelnost.

To znamená, že se budeme chtít dohodnout na:

1. Jednotných funkcích pro řízení poptávky: Dohodneme se na standardních operacích a scénářích (např. odložení startu, omezení výkonu apod.), které budou univerzálně podporované napříč všemi zařízeními ESA. Standardizace scénářů zajistí, že náhradní zařízení bude moct vykonávat stejné služby síti jako původní zařízení bez ohledu na výrobce.
2. Jednotné sémantice: Dohodneme se na společné terminologii a významu dat, která si ESA mezi sebou vyměňují. Tím zajistíme, že všechna propojená zařízení budou sdílená data interpretovat jednotně. Proměnné budou mít stejný význam a strukturu napříč výrobci ESA.

Jaké ESA spadají pod kodex?

Množství ESA původně zahrnutých do kodexu je poplatné tomu, že kodex vznikal v návaznosti na legislativu spojenou se štítkováním spotřebičů a zařízení TZB. Původně byl tedy kodex laděn pouze pro elektrické spotřebiče, na které se vztahuje energetické štítkování. Jde o bílé zboží (pračky, sušičky apod.) a dále zařízení pro vytápění, větrání, klimatizaci a přípravu TV, vč. tepelných čerpadel.

Autoři kodexu byli za tento přístup z několika organizací kritizováni (viz například stanovisko ECOS). V návaznosti na to dochází k úpravám kodexu tak, aby pokrýval zařízení domácností komplexně. Čerstvě dochází i k diskusi nad zahrnutím fotovoltaických systémů, nabíječek elektromobilů apod.

Navrhované jednotné scénáře a funkce

Kodex aktuálně definuje tyto scénáře a funkce. Plné znění je k dispozici v tomto dokumentu.

• Flexibilní spuštění: Tato funkce umožňuje nastavit spotřebič tak, aby jeho provoz začal v nejvhodnější dobu. Cílem je přizpůsobit čas spuštění zařízení, například na dobu, kdy je v síti přebytek energie z obnovitelných zdrojů. Uživatel může zvolit časová okna, během kterých by mělo zařízení fungovat, a regulace si z tohoto okna automaticky vybere nejvhodnější okamžik.
• Monitorování spotřeby energie: Spotřebiče podporující tuto funkci zaznamenávají a zobrazují informace o své spotřebě energie. Data z monitorování jsou sdílena s nadřazenými systémy správy energie.
• Omezení spotřeby energie na základě požadavku z nadřazené regulace: Tato funkce umožňuje nadřazenému systému (například správci sítě) omezit spotřebu energie zařízení. Cílem je pomoci stabilizovat síť v případě vysoké poptávky nebo omezené dostupnosti energie.
• Řízení spotřeby energie na základě pobídkových schémat: Tato funkce umožní koncovým uživatelům upravit provoz zařízení podle pobídkových schémat. Prostřednictvím pobídkového schématu budou uživateli například nabízeny slevy nebo nižší sazby za spotřebu energie v určitých časových oknech.
• Informovaný manuální provoz: Pokud se koncový uživatel rozhodne přepnout zařízení z automatického režimu do manuálního, bude mu zařízení komunikovat informace o očekávané spotřebě a dalších souvisejících parametrech.

Mnohem zajímavější než tyto funkce je definování jednotných pravidel pro komunikaci. Nicméně u podporovaných funkcí i pravidel pro komunikaci lze do budoucna očekávat několik kol připomínek. Rozhodně se nejedná o finální znění.

Navrhovaná pravidla pro sjednocení komunikace

Kodex chování se zaměřuje na sjednocení komunikace na sémantické úrovni, což umožňuje různým zařízením výměnu informací bez ohledu na výrobce nebo technické specifikace jejich protokolů. Sémantický přístup znamená, že chytré spotřebiče budou používat společné definice datových prvků a datových modelů, které zajistí, že spotřebiče mohou chápat a interpretovat data stejným způsobem.

Prakticky to znamená, že se usiluje o:

• Sémantickou interoperabilitu: Sémantická vrstva komunikace specifikuje, jak by měly být data reprezentována a vyměňována mezi zařízeními. Kodex vyžaduje sjednocovat zařízení pod model SAREF (Smart Applications REFerence ontology), respektive SAREF for Energy Flexibility, který je vyvíjen Evropským institutem pro normalizaci v oblasti telekomunikací ETSI (European Telecommunications Standards Institute).
• Podporu více protokolů: Kodex nevyžaduje sjednocení pod konkrétní komunikační protokol. Zařízení různých výrobců mohou tedy použít odlišné fyzické a datové komunikační technologie, pokud se budou držet sémantické definice podle SAREF.
• Standardizované datové služby: Kodex definuje základní služby pro flexibilní spotřebu, jako je monitorování energie, řízení spotřeby nebo flexibilní spuštění, které musí být zajištěny podle jednotného sémantického modelu. To znamená, že každý spotřebič musí poskytovat nadřazené regulaci základní sadu informací ve sjednoceném formátu.

Zajímavou informací může být to, že v přípravných dokumentech se často zmiňuje protokol SPINE IoT (Smart Premises Interoperable Neutral-message Exchange). Zatím nebyl nikde zveřejněn žádný náznak toho, že by byl SPINE IoT přímo vyžadován jako jediný možný standard. Kodex se oficiálně zaměřuje na zajištění sémantické interoperability, která může být dosažena přes různé komunikační protokoly, pokud splňují základní definice pro podporu modelu SAREF. SPINE IoT ale pravděpodobně bude podporován jako volitelná standardizovaná možnost.

Co přinese standardizace vzdáleného ovládání pro tepelná čerpadla?

Tepelná čerpadla jsou v rámci Kodexu zahrnuta mezi klíčové spotřebiče, které mohou podporovat flexibilní řízení poptávky v domácnostech. Kodex aktuálně počítá s tím, že tepelná čerpadla budou povinna poskytovat následující služby a funkce a zároveň je budou ve sjednoceném formátu komunikovat s nadřazenou regulací:

• monitoring spotřeby energie
• omezení spotřeby energie na základě požadavku z nadřazené regulace.

Po výrobcích tepelných čerpadel se aktuálně nevyžadují další služby, jako je flexibilní start. Implementace těchto služeb/funkcí je volitelná. Povinné a volitelné funkce shrnuje obrázek níže.

Kodex doporučuje, aby regulátory tepelných čerpadel, resp. otopných systémů, implementovaly SPINE nebo jiný protokol kompatibilní se SAREF. Pro výrobce tepelných čerpadel znamená Kodex jasná pravidla pro sjednocení dat a standardizaci funkcí, což usnadňuje implementaci kompatibilních řešení, aniž by museli vyvíjet specifická rozhraní pro každého dodavatele nadřazené regulace. Pro uživatele to znamená vyšší úroveň interoperability, která jim umožňuje lépe řídit svou spotřebu energie a integrovat nebo zaměňovat různá zařízení v rámci chytré domácnosti. Výrobci také získávají možnost efektivněji analyzovat provoz a dlouhodobé dopady nadřazeného řízení, což je zásadní pro optimalizaci životnosti.

Bez jednotné komunikace a vyhodnocování to nepůjde

Současná roztříštěnost trhu s rezidenčními tepelnými čerpadly, pokud jde o jejich komunikaci s nadřazenými regulačními systémy, zásadně omezuje schopnost efektivně řídit energetickou spotřebu v rámci chytrých sítí. Vysoká variabilita mezi výrobci a nedostatečná standardizace vede k tomu, že tepelná čerpadla od různých výrobců neposkytují jednotné možnosti řízení a jednotné datové výstupy, což znesnadňuje jejich integraci do nadřazených systémů řízení.

Kromě technologických výzev přináší nadřazené řízení pro potřeby flexibility i potenciální rizika pro životnost tepelných čerpadel, zejména pro kompresor. Aby bylo možné tyto dopady spolehlivě hodnotit, je klíčové nejprve sjednotit sémantiku a metodiku měření provozních dat. Pouze prostřednictvím jednotného komunikačního standardu a standardizovaných měření bude možné objektivně porovnávat vliv nadřazeného řízení na životnost tepelných čerpadel. Sjednocení umožní identifikovat nejlepší postupy pro minimalizaci negativních dopadů nadřazeného řízení na provozní efektivitu a životnost kompresoru.

Sjednocený přístup ke komunikaci a jednotná metodika pro vyhodnocování jsou tedy základními kroky k vytvoření udržitelného a efektivního trhu s tepelnými čerpadly, který by byl plně integrovaný do chytrých sítí a přizpůsobený potřebám moderní energetiky, a to vše bez negativního vlivu na životnost tepelného čerpadla.

Zdroje

1. https://european-big-data-value-forum.eu/wp-content/uploads/2022/09/2022-11-21-Prague-Fulli-JRC-electricity-digitalisation.pdf
2. https://ses.jrc.ec.europa.eu/sites/default/files/2024-04/code_of_conduct_on_energy_management_related_interoperability_of_energy_smart_appliances_v.1.0.pdf