Skúsenosti z prevádzky programovateľných termostatických hlavíc

Osadením programovateľných termostatických hlavíc možno dosiahnuť výraznú úsporu energie.

Energetická efektívnosť budov je jednou z kľúčových oblastí, v ktorej sa moderné technológie stávajú neoddeliteľnou súčasťou riadenia spotreby tepla. Implementácia inteligentných systémov regulácie vykurovania prostredníctvom programovateľných termostatických hlavíc predstavuje významný krok smerom k znižovaniu nákladov a optimalizácii tepelného komfortu v budovách s rôznorodým prevádzkovým režimom.

V rámci snahy o zníženie energetickej náročnosti budov sa v lete 2024 na dvoch budovách nasadila technológia programovateľných termostatických hlavíc s diaľkovým riadením. Celkovo sa nainštalovalo približne 90 hlavíc, ktoré umožňujú presné nastavenie teplotných režimov v jednotlivých miestnostiach podľa potreby.

Prvé tri mesiace prevádzky ukázali významný potenciál úspor – pri porovnaní so spotrebou tepla v predchádzajúcom roku došlo k poklesu odberu o približne 28 %. Tento výsledok sa dosiahol optimalizáciou vykurovacích profilov a efektívnym využívaním útlmových režimov v čase, keď sa miestnosti nevyužívali.

V článku sú analyzované dosiahnuté úspory, skúsenosti z prevádzky, ako aj identifikované technické výzvy, ktoré sa týkajú najmä interakcie nových hlavíc s pôvodnými vykurovacími ventilmi. Na základe doterajších poznatkov sa definovali odporúčania na ďalšie zlepšenie systému. Súčasne sa zvažuje rozšírenie tejto technológie aj na ďalšie budovy.

Znižovanie spotreby energie a efektívne riadenie vykurovania je prioritou nielen v priemyselných a administratívnych budovách, ale aj v budovách občianskej vybavenosti. Neustále rastúce ceny energie a legislatívne požiadavky na znižovanie emisií CO₂ kladú zvýšený dôraz na modernizáciu vykurovacích systémov a implementáciu inteligentných regulačných prvkov.

Pri budovách s časovo obmedzeným využívaním, ako sú napríklad vzdelávacie inštitúcie či verejné budovy, často dochádza k neefektívnemu vykurovaniu, kde je dodávané teplo aj v čase, keď sa priestory aktívne nevyužívajú. To vedie k nadmernej spotrebe tepelnej energie a k zbytočne vysokým nákladom na prevádzku. Riešenie tejto situácie môže predstavovať inštalácia programovateľných termostatických hlavíc, ktoré umožňujú regulovať vykurovanie v jednotlivých miestnostiach podľa časového harmonogramu a reálnych potrieb užívateľov.

Na dvoch budovách sa v letných mesiacoch počas roka 2024 implementovala technológia programovateľných termostatických hlavíc s diaľkovým ovládaním. Použitý systém využíva komunikačný protokol ZigBee, čo umožňuje centralizované riadenie hlavíc na diaľku bez potreby manuálnych zásahov v jednotlivých miestnostiach.

Pri inštalácii sa štandardné termostatické hlavice nahradili programovateľnými pri zachovaní pôvodných termostatických ventilov. Cieľom tejto prezentácie je vyhodnotenie prvých troch mesiacov prevádzky systému, zhodnotenie dosiahnutých energetických úspor, identifikácia možných problémov a ich riešení. Analyzovali sme správanie teplotného režimu v miestnostiach počas útlmových fáz, dynamiku chladnutia a následného nárastu teplôt, ako aj vplyv regulačných opatrení na celkovú spotrebu energie.

Použité zariadenia

S cieľom optimalizácie spotreby tepla a zabezpečenia efektívnej regulácie teploty v miestnostiach sa na danej budove inštaloval systém diaľkovo programovateľných termostatických hlavíc. Celkovo sa osadilo 90 hlavíc, pričom každá hlavica umožňuje presné riadenie teploty na základe požadovanej hodnoty v konkrétnej miestnosti. V každej miestnosti sa inštalovala regulačná jednotka, ktorá v referenčnom priestore sníma teplotu v miestnosti a ovláda programovateľné hlavice umiestnené na vykurovacích telesách danej miestnosti.

V priestoroch, kde je individuálne nastavovanie teplôt nežiaduce (napr. chodby, vestibuly), sa osadili termostatické hlavice s možnosťou aretácie maximálnej teploty, čím sa predchádza nežiaducej manipulácii a prekurovaniu. Všetky programovateľné hlavice sú riadené diaľkovo prostredníctvom komunikačného protokolu ZigBee, čo umožňuje ich centrálne ovládanie, monitorovanie a prispôsobovanie teplotných režimov bez nutnosti fyzického zásahu v miestnostiach.

Programovateľné hlavice majú možnosť manuálneho nastavenia, ak je to potrebné, pričom administrátor môže obmedziť rozsah nastavení.

Dispozícia budov

Regulované budovy sú dvojpodlažné budovy, ktoré sú dispozične rozdelené na štyri celky. Každý celok môže mať odlišné tepelné podmienky a režim využívania, čo ovplyvňuje aj požiadavky na reguláciu vykurovania. Budovy sú postavené z panelových konštrukčných prvkov, čo znamená, že majú relatívne vysokú tepelnú kapacitu a pomalšie reagujú na zmeny teploty v porovnaní s budovami s ľahkou konštrukciou.

Obidve budovy majú zateplený obvodový plášť a vymenené pôvodné okná za energeticky úsporné, čo významne znižuje tepelné straty a umožňuje efektívnejšiu reguláciu teploty. Z hľadiska tepelných ziskov je dôležitým faktorom južná orientácia budovy, ktorá prispieva k významným tepelným ziskom zo slnečného žiarenia počas dňa.

Táto skutočnosť ovplyvňuje potrebu dodávky tepla v rôznych miestnostiach – zatiaľ čo južne orientované priestory môžu mať nižšie požiadavky na vykurovanie, severne orientované miestnosti vyžadujú stabilnejšiu a intenzívnejšiu dodávku tepla. Budovy sú väčšinou využívané v čase od 6.00 hod. do 16.00 hod., pričom využívanie jednotlivých priestorov sa môže počas pracovaných dní meniť, počas víkendov a sviatkov zostávajú neobsadené.

Tento prevádzkový režim umožňuje efektívne aplikovať útlmové režimy vykurovania, čím sa minimalizuje spotreba tepla v čase, keď nie je potrebné v priestoroch udržiavať komfortnú teplotu. Na základe monitoringu teplôt sa identifikoval rôzny časový priebeh chladnutia miestností, pričom v južne orientovaných miestnostiach bol pokles teploty útlmu pomalší a v niektorých prípadoch k nemu vôbec nedošlo. V týchto miestnostiach bol počas slnečných dní pozorovateľný nárast teplôt napriek vypnutému vykurovaniu.

V miestnostiach so severnou orientáciou bol pokles teplôt počas útlmového obdobia pozorovateľnejší. Tieto faktory zohrávajú dôležitú úlohu pri nastavení regulácie a optimalizácii teplotných profilov pre jednotlivé priestory.

Spôsob zásobovania teplom a regulácia

Obidve budovy sú zásobované teplom zo sekundárnych rozvodov tepla sídliskových OST napojených na SCZT. Prevažnú časť budov napojených na sekundárne rozvody tepla tvoria bytové domy. V OST je zabezpečená ekvitermická regulácia vykurovacej vody, v čase od 22.00 hod. do 4.00 hod. je nastavený útlm ekvitermickej krivky. V obidvoch bytových domoch sa realizovalo hydraulické vyregulovanie.

V potrubných rozvodoch sú inštalované regulátory tlakovej diferencie, na vykurovacích telesách sú osadené termostatické ventily so štandardnými termostatickými hlavicami bez obmedzenia teploty. Regulácia teploty vo vykurovaných miestnostiach sa pred implementáciou systému riešila manuálnym nastavovaním termostatických hlavíc. Čo bolo závislé od disciplíny príslušných pracovníkov.

Pred inštaláciou nového systému sa v referenčných miestnostiach s požadovanou vnútornou teplotou +22 °C realizovalo týždňové meranie teploty zapisovacími teplomermi. Priemerná teplota v jednej budove bola +22,5 °C a v druhej +23 °C. Z uvedeného vyplýva, že ručnou obsluhou termostatických hlavíc sa dosiahlo mierne prekurovanie. Zo získaných údajov vyplýva predovšetkým skutočnosť, že miestnosti sa vykurovali na nastavené teploty nonstop, t. j. aj v čase, keď sa nevyužívali.

Po inštalácii systému programovateľných hlavíc sa zaviedla automatická regulácia teploty na základe časového programu využívania miestností. Teplota v miestnostiach je nastavená podľa účelu využívania na hodnoty +20 až +24 °C. Útlm sa začína automaticky po skončení využívania miestnosti.

Teplota postupne klesá, pričom sa zachováva minimálna hodnota potrebná na prevenciu podchladenia stavebných konštrukcií pod kritickú teplotu rizika rastu plesní. Systém programovateľných hlavíc umožňuje diaľkovo nastaviť individuálny režim vykurovania každej miestnosti zahŕňajúci teplotu a čas využívania aj útlmovú teplotu mimo času využívania.

Do systému sa zadáva čas, keď sa miestnosti využívajú a požadovaná teplotná. Požadovaná teplota v danom čase sa vypočíta na základe údajov z predchádzajúcej prevádzky.

Výsledky a úspory energie

Implementácia programovateľných termostatických hlavíc v budovách priniesla významné energetické úspory, ktoré sa vyhodnotili na základe detailných meraní z merača tepla umiestneného na vstupe do budovy. Hodinové odpočty umožnili presnú analýzu spotreby v rôznych prevádzkových režimoch a identifikáciu faktorov ovplyvňujúcich úsporu energie.

Zníženie spotreby tepla

Najzásadnejším výstupom implementácie systému programovateľných hlavíc je zníženie celkovej spotreby tepla o približne 20 až 30 % v porovnaní s predošlým vykurovacím obdobím. Hlavný podiel na úspore tepelnej energie má nastavenie útlmového režimu podľa režimu využívania miestnosti. Predpokladá sa, že ak by budovy neboli hydraulicky vyregulované, dosiahnuté úspory by boli ešte vyššie, na úrovni približne 30 až 40 %.

Október až december	Spotreba ÚK (kWh)	Skutočné DNS	Prepočítaná spotreba ÚK na normové DNS 2021 až 2024 (kWh)	Úspora (kWh)	Rozdiel voči priemeru 2021 až 2023 (%)
2021	37 972,21	1 289,62	35 183	254	1 %
2022	32 277,78	1 180,37	32 675	–2 254	–6 %
2023	32 222,22	1 042,63	36 927	1 999	6%
2024	26 750	1 266,9	25 229	–9 699	–28%

Tab. 1 Porovnanie spotrieb za sledované obdobie v budove č. 1

Október až december	Spotreba ÚK (kWh)	Skutočné DNS	Prepočítaná spotreba ÚK na normové DNS 2021 až 2024 (kWh)	Úspora (kWh)	Rozdiel voči priemeru 2021 až 2023 (%)
2021	42 416,67	1 289,62	38 511	1 559	4 %
2022	36 138,88	1 180,37	35 848	–1 104	–3 %
2023	32 500	1 042,63	36 497	–455	–1 %
2024	31 166,67	1 266,9	28 804	–8 148	–22 %

Tab. 2 Porovnanie spotrieb za sledované obdobie v budove č. 2

Z dát z merača tepla osadeného na päte budovy vidieť, že priemerný prietok počas útlmu bol 1,601 m³/h. V porovnaní s rokom 2023, keď bol za rovnaké obdobie prietok 3,606 m³/h, ide o zníženie prietoku o 55,59 %.

Dynamika chladnutia miestností

Sledovanie teplotných zmien v jednotlivých miestnostiach počas útlmových fáz prinieslo dôležité poznatky o dynamike chladnutia budovy. Táto dynamika bola ovplyvnená viacerými faktormi vrátane stavebnej konštrukcie, orientácie budovy a existujúcich tepelných ziskov.

Nerovnomerné chladnutie jednotlivých miestností spôsoboval miestami zlý stav ventilov, ktoré napriek úplnému zatvoreniu termostatickej hlavice nedokázali zastaviť prietok na radiátore. Tým sa miestnosť nedala vychladiť na požadovanú teplotu alebo bolo chladnutie veľmi pomalé.

Na obr. 4 môžeme sledovať optimálne chladnutie jednej z pozorovaných miestností počas dlhodobého útlmu. Na vývoji teplôt je pozorovateľné, že počas dňa, keď má budova určite tepelné zisky, je chladnutie pomalšie ako počas večerných hodín.

Prevádzkové skúsenosti a identifikované problémy

Implementácia systému programovateľných termostatických hlavíc priniesla možnosť individuálnej regulácie teploty v miestnostiach s možnosťou diaľkového nastavenia. Skúseností z prevádzky systému počas prvých mesiacov a získané informácie z jeho prevádzky umožňujú ďalšiu optimalizáciu prevádzky nového systému a tým dosiahnutie vyšších úspor tepelnej energie.

Na obr. 5 môžeme sledovať, ako počas noci klesá teplota v miestnosti vďaka optimálnej regulácii. Počas dňa sa trikrát skokovo zvýši teplota. Vďaka zmene teplôt sa dá presne vidieť, kedy sa v jedálni podáva teplé jedlo.

Na obr. 6 môžeme sledovať priebeh teplôt jednotlivých radiátorov. Opäť môžeme vidieť, ako po skončení prevádzkového času spadne teplota radiátorov. Keďže sa požaduje, aby o 6.00 hod. teplota v miestnostiach dosahovala požadované parametre, radiátory sa spúšťajú v predstihu, aby sa miestnosti stihli vykúriť.

Indikácia porúch systému

Navrhnutý systém programovateľných hlavíc umožňuje indikáciu porúch systému a hlásenia alarmov, čo pri správnej aplikácii zabráni zvýšeniu spotreby tepelnej energie. Systém dokáže rozpoznať otvorenie okna, demontáž hlavice, poruchu hlavice, kapacitu batérie a pod.

Použité programovateľné hlavice dokážu merať teplotu vykurovacej vody a na základe toho dokážu identifikovať poruchu termostatického ventilu, čo sa v praxi aj preukázalo.

Skúsenosti s prevádzkou ventilov

Z dôvodu zníženia investičných nákladov pri realizácii nového systému sa zachovali pôvodné termostatické ventily. Pri uvedení nového systému do prevádzky sa zistilo, že približne 5 % pôvodných termostatických ventilov vykazuje poruchovosť, ktorú bolo možné zistiť na základe merania teploty vykurovacej vody programovateľnými hlavicami. Vyskytli sa najmä tieto problémy.

Niektoré ventily ostali zaseknuté v zatvorenej polohe aj napriek úplnému otvoreniu hlavice. To spôsobilo, že miestnosť sa nevykurovala na požadovanú teplotu. Vyskytol sa aj prípad, keď sa pri uzatvorenej hlavici zaznamenal prietok cez radiátor (neklesla prívodná teplota). To malo za následok zbytočné prekurovanie a zníženie dosiahnutej úspory.

Počas prevádzky sa vyskytol aj problém so zadrhávaním ventilu a jeho nestálou prevádzkou. Vinou tohto problému dochádzalo k častejšiemu cyklovaniu medzi otvorením a zatvorením. Pri riešení vzniknutých problémov museli technici v niektorých prípadoch hlavicu demontovať a ventil mechanicky rozhýbať a uviesť tak do správnej prevádzky.

Navrhované riešenie

Pri aplikácii systému programovateľných hlavíc na jestvujúce termostatické ventily je vhodné zvážiť ich životnosť. Ak sú termostatické hlavice na hranici svojej životnosti, resp. za ňou, ich výmena je vhodná. Spolu s výmenou termostatických ventilov je vhodné vykonanie chemického čistenia vykurovacej sústavy, aby sa odstránili usadeniny, ktoré môžu ovplyvniť funkčnosť ventilov.

Záver

Efektívna regulácia vykurovania je jedným z kľúčových faktorov pri optimalizácii energetickej spotreby v budovách občianskej vybavenosti. Výsledky získané z prvých mesiacov prevádzky systému programovateľných termostatických hlavíc jednoznačne potvrdzujú, že nasadenie inteligentnej regulácie teploty vedie k výrazným úsporám energie a zároveň prispieva k zlepšeniu tepelného komfortu v interiéri.

Na základe analýzy nameraných údajov sa v regulovaných budovách zaznamenal pokles spotreby tepla približne o 28 % v porovnaní s rovnakým obdobím predchádzajúceho roka. Táto úspora sa dosiahla kombináciou automatizovanej regulácie teploty, efektívneho využívania útlmových režimov a eliminácie nadmerného prekurovania miestností.

Najvýraznejšie zníženie spotreby sa pozorovalo v obdobiach sviatkov a dní pracovného pokoja, keď sa aplikoval celoplošný útlm vykurovania, pričom celková redukcia prietoku teplonosného média dosiahla hodnoty až 55 % oproti predchádzajúcemu roku. Analýza dynamiky teplotných zmien v miestnostiach preukázala, že proces chladnutia a následného zvyšovania teplôt je výrazne ovplyvnený tepelnou zotrvačnosťou budovy, orientáciou miestností a úrovňou tepelných ziskov.

Z praktického hľadiska sa nový systém regulácie vykurovania ukázal ako efektívne a udržateľné riešenie, ktoré umožňuje výrazné zníženie spotreby energie pri zachovaní požadovaného komfortu pre užívateľov budovy. Pozitívna spätná väzba zo strany správcov a užívateľov budovy potvrdzuje, že implementácia inteligentnej regulácie prispela k lepšiemu tepelnému manažmentu budovy a zvýšila celkovú prevádzkovú efektívnosť vykurovacieho systému.

TEXT: Ing. Štefan Halaj, MH Teplárenský holding, a. s.
OBRÁZKY: archív autora

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov 4/2025.