Systémy regulácie vykurovania

Energetická hospodárnosť je už dlhšie aktuálnou témou, týkajúcou sa nielen dostupnosti zdrojov energie a dôsledkov ich využívania na životné prostredie, ale aj priameho dosahu na ekonomickú situáciu spotrebiteľov energie. Budovy majú podiel na dlhodobej spotrebe energie, na ktorú vo výraznej miere vplývajú nielen tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií, ale aj ďalšie faktory, zohrávajúce čoraz dôležitejšiu úlohu. Ide napríklad o vykurovacie a klimatizačné zariadenia, uplatňovanie energie z obnoviteľných zdrojov, pasívne vykurovacie a chladiace prvky, tienenie, kvalitu vnútorného vzduchu v budovách, vhodné prirodzené osvetlenie a návrh budov.

Systémy technických zariadení budov (vykurovanie, vetranie, klimatizácia, príprava teplej vody) sa počnúc zdrojom tepla cez distribučnú sieť až po koncové prvky navrhujú na okrajové výpočtové podmienky, ktoré však nie sú počas ich prevádzkového obdobia konštantné.

Preto je nevyhnutný správne navrhnutý systém regulácie tepelného/chladiaceho výkonu, ktorý zabezpečí efektívnu prevádzku týchto systémov pri všetkých prevádzkových stavoch pri dodržaní parametrov tepelného komfortu s minimálnymi prevádzkovými nákladmi a s najmenšími zásahmi
obsluhy.

Súčasný stav v oblasti stratégie regulácie vykurovania

Aktivity smerujúce k hospodárnemu využívaniu energie sa v rámci Európskej únie koordinujú a harmonizujú na základe príslušných smerníc. V prepracovanej smernici Európskeho parlamentu a Rady č. 2010/31/EÚ o energetickej hospodárnosti budov sa v článku 8, v kapitole Technické systémy budov, v bode 2 uvádza povinnosť podporiť pri stavbe novej budovy alebo významnej obnove budovy zavedenie inteligentných meracích systémov, ako aj možnosť nabádať na inštaláciu systémov aktívneho riadenia, ako napríklad automatizovaných riadiacich, regulačných a monitorovacích systémov, ktorých účelom je úspora energie [1].

Hlavná myšlienka tejto smernice v oblasti regulácie je pretransformovaná do týchto slovenských legislatívnych predpisov:

Zákon č. 321/2014 Z. z. o energetickej efektívnosti a o zmene a doplnení niektorých zákonov

Článok I, § 11 [2]:
Vlastník budovy s celkovou podlahovou plochou väčšou ako 1 000 m2 s ústredným teplovodným vykurovaním alebo so spoločnou prípravou teplej vody je povinný:
a) zabezpečiť a udržiavať hydraulicky vyregulovaný vykurovací systém v budove;
b) vybaviť vykurovací systém automatickou reguláciou parametrov teplonosnej látky na každom tepelnom spotrebiči v závislosti od teploty vzduchu vo vykurovaných miestnostiach s dlhodobým pobytom osôb.

Zákon č. 300/2012 Z. z

Článok I, § 8 [3]:
Povinnosti vlastníka budovy:
(2) Vlastník existujúcej budovy je povinný:
a) zabezpečiť reguláciu zásobovania teplom v budove;
(6) ak je to technicky, funkčne a ekonomicky uskutočniteľné, vlastník budovy je povinný pri jej významnej obnove uplatniť nové alebo obnovené technické systémy, zaviesť inteligentné meracie systémy a inštalovať automatizované riadiace, regulačné a monitorovacie systémy zamerané na úsporu energie.

Zákon č. 657/2004 Z. z. o tepelnej energetike
Zákon č. 100/2014 Z. z. (doplnenie zákona č. 657/2004 Z. z.)

§ 25 [4]:
Na úseku hospodárnosti prevádzky sústavy tepelných zariadení:
(2) Dodávateľ je povinný:
a) zabezpečiť automatickú reguláciu teploty teplonosnej látky na vykurovanie v závislosti od klimatických podmienok,
b) trvalo dodržiavať technické parametre teplonosnej látky na odbernom mieste dohodnutom v zmluve o dodávke a odbere tepla.

Technické normy

Európske normy, ktoré sa systematicky venujú regulácii vykurovania, možno rozdeliť do dvoch skupín:
koncepčné normy,
prístrojové normy.

Prvá skupina (koncepčné normy) sa zaoberá voľbou stratégie regulácie s väzbou na technologické zariadenie – vykurovací systém.
Druhá skupina noriem (prístrojové normy) sa venuje vlastnej technike regulačných obvodov.

V rámci skupiny koncepčných noriem sa budeme venovať ďalej týmto normám:

• STN EN 12828,
• STN EN 14337,
• STN EN 215 a STN EN 215/A1,
• STN EN 15 232 – 1,
• STN EN 15500 – 1.

V skupine prístrojových noriem to budú tieto normy:

• STN EN 12098 – 1,
• STN EN 12098 – 3,
• STN EN 12098 – 5.

STN EN 12828: Vykurovacie systémy v budovách. Navrhovanie teplovodných vykurovacích systémov

Ide o technologickú normu [5] určenú na navrhovanie teplovodných vykurovacích systémov v budovách, ktorá však obsahuje aj osobitný článok venovaný riadeniu, doplnený samostatnou podrobnou prílohou. Norma zavádza klasifikáciu riadiaceho systému vykurovania:

a) podľa spôsobu práce:

• miestne riadenie – riadi sa dodávané teplo do vykurovaného priestoru,
• zónové riadenie – riadi sa dodávané teplo do zóny,
• centrálne riadenie – centrálny systém riadi dodávané teplo do celej budovy,

b) podľa spôsobu vykonávania funkcie riadiaceho systému:

• ručné riadenie – dodávka tepla do vykurovaných priestorov sa riadi iba ručne ovládaným zariadením,
• automatické riadenie – vhodný systém alebo zariadenie automaticky riadi dodávku tepla do vykurovaných priestorov,
• časovo programované riadenie – dodávka tepla do vykurovaného priestoru sa vypína alebo znižuje v určených časových úsekoch,
• optimalizované časové riadenie – dodávka tepla do vykurovaného priestoru sa vypína alebo znižuje v určených časových úsekoch, opätovné zapnutie dodávky tepla sa optimalizuje podľa rôznych hľadísk vrátane zníženia spotreby energie.

Norma uvádza aj príklady klasifikácie riadiaceho systému vykurovania podľa rôznych objektov (tab. 1). Každý príklad ilustruje názorná schéma riadenia (obr. 1).

STN EN 14337: Vykurovacie systémy v budovách. Navrhovanie a montáž priamych elektrických vykurovacích systémov v miestnostiach

Táto technologická norma [6] určuje kritériá navrhovania elektrických vykurovacích systémov v individuálnych a hromadných obytných budovách, obchodných a priemyselných budovách. Zahŕňa pevne zabudované elektrické vykurovacie systémy, ktoré odovzdávajú teplo vyrobené výlučne z elektrického prúdu priamo do priestoru.

Norma sa týka priamovýhrevných (konvektory, sálavé panely, odporové vykurovacie telesá, stropné a stenové vykurovanie, podlahové vykurovanie s malou akumulačnou hmotou) a akumulačných elektrických vykurovacích systémov (podlahové vykurovanie s veľkou akumulačnou hmotou a akumulačné pece s prirodzeným a núteným spôsobom odovzdávania tepla do priestoru).

Tak ako aj v predchádzajúcej norme [5], jedna časť sa venuje riadeniu. Klasifikácia riadiaceho systému spočíva v úrovni riadenia (miestne, zónové a centrálne riadenie) a v spôsobe vykonávania jeho funkcie (ručné, automatické, časovo závislé a optimalizované časovo závislé riadenie). Riadenie nabíjania akumulačných elektrických vykurovacích systémov má prednostne pracovať vtedy, keď platí výhodná tarifa pre elektrickú energiu, no môže pracovať aj vtedy, keď je nevýhodná.

Pri riadení kombinovaných vykurovacích systémov zložených z rôznych typov elektrického vykurovania sa musí zabezpečiť ich vzájomná spolupráca. V norme sú ošetrené aj požiadavky na riadiace systémy s podporou počítača. Tieto riadiace systémy sú schopné vypočítať žiadanú hodnotu vnútornej teploty podľa rôznych vstupných parametrov.

Počet alebo typ parametrov na výpočet môže byť definovaný projektantom, alebo určený v závislosti od energetickej náročnosti, konštrukcie objektu, špecifických návrhových požiadaviek a úrovne využitia. V prílohe normy sa nachádza tabuľka klasifikácie riadiacich systémov a grafické príklady káblového prepojenia silového napájania a riadenia (obr. 3).

STN EN 215: Termostatické radiátorové ventily. Požiadavky a skúšobné metódy

Norma [7] platí pre dvojcestné regulačné ventily s termostatickou hlavicou s predvoľbou alebo bez nej, osadené na prívodnom potrubí vykurovacej vody, alebo zabudované v konštrukcii vykurovacieho telesa. Ide o najjednoduchší spôsob individuálnej regulácie. Úlohou termostatickej hlavice je udržiavať žiadanú hodnotu teploty vnútorného vzduchu vo vykurovanej miestnosti.

Dôležitou súčasťou normy sú definície častí ventilu (obr. 4), druhov zostáv termostatických hlavíc podľa konštrukčného vyhotovenia (obr. 2), druhov pripájacích prvkov k vykurovaciemu telesu a k potrubiu, funkčných vlastností (prietok, hysteréza, uzavierací čas) a technických termínov (tlakový spád, prietokové charakteristiky).

STN EN 15232 – 1: Energetická hospodárnosť budov. Časť 1: Vplyv komplexného automatického riadenia a správy budov

V norme je definovaný štruktúrovaný zoznam funkcií automatického riadenia prevádzky komplexných automatických riadiacich systémov (BACS) a technického manažmentu budov (TBM), ktoré prispievajú k energetickej hospodárnosti budov.

Norma špecifikuje aj tieto metódy:

• metóda na definovanie minimálnych požiadaviek na funkcie automatického riadenia prevádzky technických zariadení budov a technického manažmentu budov, ktoré sa majú vykonávať v budovách s rôznou zložitosťou,
• metóda založená na súčiniteľoch na získanie prvého odhadu vplyvu týchto funkcií na typické budovy,
• podrobné metódy na hodnotenie vplyvu týchto funkcií na danú budovu.

Uvedené metódy umožňujú zaviesť vplyv týchto funkcií do výpočtov hodnotení a ukazovateľov energetickej hospodárnosti podľa príslušných noriem [8].

STN EN 15500 – 1: Energetická hospodárnosť budov. Riadenie pre aplikácie HVAC. Časť 1: Elektronické zariadenia na individuálnu reguláciu miestnosti

Účelom normy je špecifikovať aplikácie, nastavenie funkcií a účinnosť aplikácií na reguláciu jednotlivých zón pri elektronických zariadeniach. Aplikácie slúžia na chladenie pri teplovodnom alebo elektrickom vykurovaní.
Norma sa vzťahuje najmä na elektronické riadiace a regulačné zariadenia, ktoré slúžia na reguláciu parametrov vnútorného prostredia v jednotlivých miestnostiach alebo zónach.

Tieto parametre – ako napríklad teplota, vlhkosť a prietok vzduchu – sú regulované v požadovaných medziach v závislosti od obsadenosti miestnosti alebo zóny. Informácie potrebné na prevádzku zariadenia môžu byť spracované analógovými alebo digitálnymi technikami, alebo ich kombináciou.

Norma platí pre regulátory s pevne nastavenými funkciami, konfigurovateľné a programovateľné regulátory. Riadiace a regulačné zariadenia môžu alebo nemusia byť pripojené k dátovej sieti. Tieto zariadenia môžu byť použité v bytových aj nebytových budovách s prerušovanou alebo neprerušovanou prevádzkou [9].

STN EN 12098 – 1: Energetická hospodárnosť budov. Regulácia vykurovacích systémov. Časť 1: Zariadenia na reguláciu teplovodných vykurovacích systémov

Norma [10] sa zameriava na najpoužívanejší typ regulácie tepelného výkonu teplovodných vykurovacích systémov s teplotou vykurovacej vody do 120 °C – na reguláciu vykurovania v závislosti od vonkajšej teploty známu pod pojmom ekvitermická regulácia. Norma definuje hlavné vlastnosti zariadenia pracujúceho v závislosti od vonkajšej teploty a upresňuje názvy jeho vstupov a výstupov.

Dôležitou súčasťou normy sú termíny a definície zariadení regulačného obvodu (regulátor pracujúci v závislosti od vonkajšej teploty, regulačné zariadenie, akčný člen), vstupných a výstupných signálov (akčná veličina, referenčné veličiny), fyzikálnych veličín (vonkajšia teplota, teplota v miestnosti) a režimov a funkcií regulátora (obr. 5).

Na grafické zobrazenie závislosti teploty vykurovacej vody od vonkajšej teploty sa zavádza termín charakteristická vykurovacia krivka. V norme sa stanovujú požiadavky na tolerancie presnosti snímačov jednotlivých veličín vstupujúcich do regulačného zariadenia, ako sú teplota v miestnosti, teploty výstupnej vody z kotla alebo teplota vykurovacej vody a vonkajšia teplota (tab. 2).

Regulátory majú umožňovať automatickú prevádzku, komfortný režim a jeden redukovaný prevádzkový režim (ekonomický režim/režim ochrany budovy), pričom sa musí zobrazovať aktuálny režim. Podstatnú časť normy tvorí špecifikácia metód podmienok skúšania implementovaných funkcií.

Ako príklad sa uvádza skúška charakteristickej krivky regulátora, ktorá overí schopnosť prispôsobiť regulátor typu budovy a systému vykurovania, a potvrdzuje presnosť zariadenia pri riadení akčnej veličiny podľa vybranej krivky výrobcu.

STN EN 12098 – 3: Energetická hospodárnosť budov. Regulácia vykurovacích systémov. Časť 3: Regulačné zariadenia elektrických vykurovacích systémov

Koncepcia normy [11] je podobná ako pri predchádzajúcej norme STN EN 12098 – 1, zameriava sa však na elektronické regulačné zariadenia vykurovacích systémov s priamym elektrickým ohrevom, ktoré nemajú funkciu kompenzácie vonkajšej teploty, prípadne funkciu optimálneho zapnutia/vypnutia.

Toto regulačné zariadenie riadi distribúciu/výrobu tepla v závislosti od vonkajšej teploty a času a ďalších referenčných veličín (obr. 6). Cieľom inštalácie regulačného zariadenia je úspora energie s dvomi hlavnými funkciami:

• regulácia výroby a distribúcie tepla tak, aby sa teplota v miestnosti udržiavala na požadovanej úrovni
• s cieľom zabezpečiť tepelný komfort,
• zmena výroby tepla podľa programu s použitím časového spínania so zohľadnením obsadenosti priestoru.

• 

STN EN 12098 – 5: Energetická hospodárnosť budov. Regulácia vykurovacích systémov. Časť 5: Spínacie zariadenia na programovo riadené zapnutie – vypnutie vykurovacích systémov

Norma [12] je určená zariadeniam, ktoré regulujú časový rozvrh vykurovacích systémov. Platí pre špeciálne zariadenia, ktoré sú buď samostatné pevné časové spínače zapnutia/vypnutia, alebo pre regulátory, ktoré obsahujú pevnú funkciu časového rozvrhu zapnutia/vypnutia.

Signály môžu byť spracované s použitím analógových alebo digitálnych techník, alebo obidvoch techník súčasne. Spínacie zariadenie umožňuje dosahovať úspory energie redukovaním výkonu alebo vypnutím prevádzky vykurovacích systémov v závislosti od očakávaného využitia. Zariadenia pracujú obmedzene pri nepravidelných potrebách vykurovania.

Záver

Cieľom príspevku bolo poskytnúť prehľad v súčasných platných legislatívnych predpisoch na reguláciu vykurovacích systémov. Na dosiahnutie očakávanej tepelnej pohody či energetickej efektívnosti však zďaleka nestačí vybrať vhodnú stratégiu regulácie tepelného výkonu a navrhnúť najmodernejší riadiaci systém so špičkovými komponentmi.

V prvom rade sú to špecifické vlastnosti budovy, ktoré musí projektant energetického systému poznať a rešpektovať pri jeho výbere a návrhu. Dôležité je aj hydraulické zapojenie jednotlivých častí systému, návrh regulačných ventilov ako akčných členov riadiaceho obvodu a dôsledná realizácia systému podľa projektu.

Prácu podporilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky prostredníctvom grantu VEGA 1/0807/17.

Literatúra

1. Smernica Európskeho parlamentu a Rady 2010/31/EÚ z 19. mája 2010 o energetickej hospodárnosti budov.
2. Zákon č. 321/2014 Z. z. o energetickej efektívnosti a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
3. Zákon č. 300/2012 Z. z. z 18. septembra 2012, ktorým sa mení a dopĺňa zákon č. 555/2005 o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov a ktorým sa mení a dopĺňa zákon č. 50/1976 Zb. o územnom plánovaní a stavebnom poriadku (stavebný zákon) v znení neskorších predpisov.
4. Zákon č. 657/2004 Z. z. o tepelnej energetike + zákon č. 100/2014 Z. z., ktorým sa mení a dopĺňa zákon č. 657/2004 Z. z. o tepelnej energetike v znení neskorších predpisov.
5. STN EN 12828/A1: Vykurovacie systémy v budovách. Navrhovanie teplovodných vykurovacích systémov.
6. STN EN 14337: 2006: Vykurovacie systémy v budovách. Navrhovanie a montáž priamych elektrických vykurovacích systémov v miestnostiach.
7. STN EN 215/A1: 2006: Termostatické radiátorové ventily. Požiadavky a skúšobné metódy.
8. STN EN 15 232 – 1: Energetická hospodárnosť budov. Časť 1: Vplyv komplexného automatického riadenia a správy budov.
9. STN EN 15500 – 1: Energetická hospodárnosť budov. Riadenie pre aplikácie HVAC. Časť 1: Elektronické zariadenia na individuálnu reguláciu miestnosti.
10. STN EN 12098 – 1: Energetická hospodárnosť. Regulácia vykurovacích systémov. Časť 1: Regulačné zariadenia teplovodných vykurovacích systémov.
11. STN EN 12098 – 3: Energetická hospodárnosť. Regulácia vykurovacích systémov. Časť 3: Regulačné zariadenia elektrických vykurovacích systémov.
12. STN EN 12098 – 5: Energetická hospodárnosť. Regulácia vykurovacích systémov. Časť 5: Spínacie zariadenia na programovo riadené zapnutie – vypnutie vykurovacích systémov.
13. https://www.sis.se/api/document/preview/36665/.
14. https://www.sis.se/api/document/preview/98762/.
15. https://www.sis.se/api/document/preview/100069/.
16. Regeln und Steuern von Heizungsanlagen. Technická brožúra firmy Siemens, Švajčiarsko, 2004, [online].

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2018.