Útlm vykurovania v energetickom manažmente budov

Energetický manažment budov rozhoduje okrem iného aj o spôsobe regulácie vykurovania budov, teda o tom, na akú teplotu sa bude počas dňa vykurovať a či sa zavedú útlmy vykurovania. Článok sa zaoberá porovnaním rôznych útlmov vykurovania bytového domu metódami počítačovej simulácie a ich vplyvom na tepelný komfort a spotrebu tepla budovy na vykurovanie, a súčasne poukazuje na vplyv prijatých zjednodušení spočívajúci v zanedbaní vplyvu dynamiky vykurovacích telies a termostatického ventilu.

Útlm vykurovania má ekonomický, energetický, ale aj zdravotný význam. Jeho použitie je motivované minimalizáciou spotreby tepla miestnosťami v čase mimo ich hlavného využitia. V bytových domoch ide o čas odchodu užívateľov do zamestnania, prípadne víkendový útlm vykurovania pri odchode užívateľov na víkend. Na pracoviskách sa realizuje v čase mimo pracovnej doby (noc, dni pracovného voľna a pod.).

V prípade, že je objekt vykurovaný elektrinou, môže byť útlm vykurovania determinovaný časom, počas ktorého sa účtuje znížená sadzba elektrickej energie a pod. Zdravotný prínos útlmu vykurovania v bytových domoch spočíva predovšetkým v zdravšom a kvalitnejšom spánku, ktorý býva pri nižších teplotách vzduchu v miestnosti.

Nevýhodou útlmu vykurovania môžu byť hlukové prejavy pri nabiehaní vykurovacej sústavy a nevyhnutnosť navýšiť výkon zdroja tepla vplyvom tepelného výkonu na zakúrenie, v súvislosti s ktorým sa podľa normy ČSN EN 12831 [3] zavádza korekčný súčiniteľ fRH (W/m²), zvyšujúci potrebný návrhový tepelný výkon na vykurovanie daného priestoru.

Prvým cieľom tohto článku je poukázať na vplyv útlmu vykurovania na zníženie spotreby tepla na vykurovanie v konkrétnom bytovom dome, ďalej na jeho vplyv na zníženie teploty v miestnostiach v čase útlmu a tiež posúdiť vplyv na potrebu výkonu na zakúrenie a na dĺžku vykurovacieho obdobia, a to pri budove v jestvujúcom stave a pri budove zateplenej približne na úroveň nízkoenergetického štandardu.

Na dosiahnutie týchto cieľov sme použili teoretickú metódu časovo neustálenej počítačovej simulácie v softvéri BSim 2000 – podrobne uvedené v [1] a [2]. Útlm vykurovania je spojený s nábehom a útlmom – teda typicky veľmi dynamickými javmi, ktorými prechádza vykurovacia sústava.

Druhým cieľom je poukázať vo všeobecnosti na dynamické javy pri regulácii vykurovacích plôch vykurovacích systémov s kvantitatívnou reguláciou [4] ich tepelného výkonu a na ich vplyv na počítačové modelovanie a spotrebu tepla na vykurovanie.

Posudzovaný bytový dom

Teoretické úspory tepla sa simulovali na vybranom objekte v Brne [1]. Ide o štvorpodlažný murovaný bytový dom s typovým označením T12/51 z prvej polovice 50. rokov 20. storočia s tromi sekciami (obr. 1). Hlavné vstupy do objektu sú na úrovni medzipodlažia domového schodiska medzi podzemným a nadzemným podlažím. Pri všetkých nadzemných podlažiach sú vždy dva byty na jednom poschodí.

Spolu je tu 24 rovnakých bytov. V každom z nich je kuchyňa, spálňa, jedna izba a kúpeľňa s WC. Úžitková plocha jedného bytu je približne 50 m². Celková úžitková plocha domu je približne 1 200 m². Na úrovni podzemného podlažia je priechodná chodba, v ktorej sa nachádzajú pivničné boxy jednotlivých bytov spoločne s priestormi na domové vybavenie.

Na obr. 1 sú výkresy jednej sekcie bytového domu s rovnakým konštrukčným variantom, ako má riešený dom, len menšieho o jedno nadzemné podlažie s bytmi. Na simuláciu sa použili reálne hodinové klimatické dáta z meteorologickej stanice Brno Tuřany za rok 2005. Ďalej sa použili modely podrobného užívania s vnútornými ziskami podľa [5].

Špecifikácia simulovaných variantov útlmu

Počítalo sa s dvomi druhmi útlmu vykurovania. Najskôr s „totálnym“ (s označením „T“), spočívajúcim v úplnom vypnutí zdroja tepla po celý nastavený čas. Tento typ útlmu môže nastať v prípade, že je objekt napojený napríklad na systém centralizovaného zásobovania teplom s prerušovanou dodávkou tepla alebo má elektrické vykurovanie využívajúce výlučne tarifu s nízkou sadzbou elektrickej energie bez jej riadenej akumulácie.

Druhý typ útlmu, takzvaný „regulovaný“ (s označením „R“), je taký, pri ktorom zdroj tepla udržiava počas útlmu minimálnu požadovanú teplotu v bytoch – v danom prípade 18 °C. V rámci oboch variantov tepelnotechnického stavu budovy sa vykonalo jedenásť simulácií pri zhodných klimatických dátach a „profiloch užívania“. Útlm vykurovania sa posudzoval vo variantoch podľa tab. 3.

Výsledky útlmu

Energetický význam útlmu vykurovania

Na obr. 4 a 5 sú uvedené podrobné priebehy spotrieb tepelnej energie v jednotlivých mesiacoch posudzovaného roka 2005. Táto úspora tepelnej energie pri útlme vykurovania sa dosiahla primárne znížením tepelnej straty prestupom a sekundárne znížením tepelnej straty vetraním.

Vplyv na dĺžku vykurovacieho obdobia

Zateplenie objektu má vplyv na skrátenie vykurovacieho obdobia, a tým pádom aj na teplotu vonkajšieho vzduchu, pri ktorej sa s vykurovaním začne, resp. skončí. V prípade pôvodného stavu a akéhokoľvek času regulovaného útlmu vykurovania trvalo vykurovacie obdobie od 16. 9. do 27. 5., teda spolu 253 dní. V prípade zatepleného stavu budovy trvalo vykurovacie obdobie od 7. 11. do 24. 3., teda spolu 137 dní, čo znamená skrátenie vykurovacieho obdobia o 116 dní.

Vplyv na výkon na zakúrenie

Z dosiahnutých výsledkov vyplýva, že nastavený výkon zdroja tepla 150,1 kW, ktorý sa vypočítal, plne postačuje na pokrytie tepelných strát objektu aj potrebného výkonu na zakúrenie (špecifikovaného vyššie), a to pri všetkých typoch a časoch útlmu. O maximálnom aktuálne potrebnom výkone zdroja tepla rozhoduje totiž jednak typ a kvalita regulácie, a to na všetkých stupňoch systému, a potom aj istá náhodnosť v súbehu tepelných ziskov a strát.

Úspory tepla a tepelný komfort – pôvodný verzus zateplený stav

Porovnaním útlmu vykurovania v objekte v pôvodnom a zateplenom stave zisťujeme, že samotným zateplením objektu došlo – bez započítania vplyvu útlmu vykurovania – k zníženiu spotreby tepelnej energie až na max. 14,6 % pôvodnej hodnoty. Z výsledkov vyplýva, že regulovaný útlm vykurovania je v zateplenom stave s narastajúcim časom útlmu relatívne stále menej výhodný (aj keď len nepatrne), zatiaľ čo totálny útlm je v tomto zmysle stále výhodnejší.

Dynamické javy pri regulácii vykurovacích plôch

Z výsledkov predchádzajúcich simulácií je zrejmé (konkrétne z obr. 2), že nábeh či odstávka zdroja tepla na začiatku či konci útlmu vykurovania sú takmer okamžité. Výpočtový model použitý v tomto prípade však berie do úvahy len dynamiku vonkajšieho prostredia, vnútorných tepelných ziskov a dynamické chovanie stavebných konštrukcií, no zanedbáva dynamiku vykurovacej sústavy vrátane jej regulácie.

Na obr. 6 vidieť proces regulácie vykurovacích plôch termostatickým ventilom (TRV) vrátane oneskorenia a času otvárania či zatvárania ventilu. Vplyv TRV na spotrebu tepla sa skúmal pomocou počítačovej simulácie dynamického vykurovacieho telesa Tomton R1 [12] metódou CFD, ktorej výsledky sa ďalej prevzali do simulácií spracovaných v softvéri TRNSYS, viac v [4].

Výsledky dvoch krajných spôsobov regulácie sú ukázané v rámci modelového prípadu a veľmi krátkeho časového úseku na obr. 7. Z výsledkov vyplýva, že ak použijeme na reguláciu vykurovacieho telesa regulačný prvok s okamžitou reakciou (teda prvok nevykazujúci časové oneskorenie a umožňujúci skokovú zmenu z maximálneho prietoku na nulový), usporíme – v danom konkrétnom prípade – približne 30 %.

Táto hodnota však nie je absolútna, je vypočítaná z modelového prípadu (vzhľadom na dĺžku vykurovacieho obdobia) v extrémne krátkom časovom úseku, pričom sa tu prejavujú aj ďalšie vplyvy, preto ju nemožno chápať ako reálne dosiahnuteľnú ročnú úsporu tepla – tá bude oproti tejto hodnote vždy menšia. Tento prezentovaný vplyv prítomnosti TRV vo vykurovacej sústave však bude vždy negatívne ovplyvňovať teoretickú, vyššie vypočítanú úsporu tepla pri zavedení útlmu vykurovania.

Záver

Článok ukázal vplyv útlmu vykurovania v konkrétnom bytovom dome na zníženie spotreby tepla na vykurovanie, ďalej vplyv útlmu na zníženie teploty v miestnostiach v danom čase a zároveň posúdil vplyv na potrebu výkonu na zakúrenie a na dĺžku vykurovacieho obdobia, a to pri budove v jestvujúcom stave a pri budove zateplenej približne na úroveň nízkoenergetického štandardu.

Z hľadiska energetického manažmentu budovy možno na aplikáciu odporučiť vždy regulovaný útlm. Ak vynecháme extrémne dlhé časy útlmu, možno týmto opatrením realizovať úsporu tepla na vykurovanie do 10 %. Na dosiahnutie týchto výsledkov sa však použila zjednodušená metóda časovo neustálenej počítačovej simulácie v softvéri BSim 2000, ktorá nerešpektuje dynamiku vykurovacích plôch a kvantitatívnej regulácie ich výkonu.

V nadväznosti na to článok ďalej vo všeobecnosti poukázal na dynamické javy, ktoré sa vyskytujú pri regulácii vykurovacích plôch vykurovacích systémov s kvantitatívnou reguláciou tepelného výkonu, a ich principiálny vplyv na spotrebu tepla na vykurovanie.

Z prezentovaných výsledkov možno očakávať, že aplikácia reálnych termostatických ventilov povedie k zníženiu vyššie prezentovanej úspory tepla dosiahnutej útlmom vykurovania a súčasne k horšiemu tepelnému komfortu vo vykurovaných priestoroch. Podrobnejšie zhodnotenie ich vplyvu na útlm vykurovania na pokročilejších modeloch zohľadňujúcich funkciu TRV bude náplňou ďalšieho výskumu.

Príspevok bol podporený projektom č. LO1408 AdMaS UP – Advanced Materials, Structures and Technologies prostredníctvom MŠMT Českej republiky v rámci programu National Sustainability Programme I. a projektom Podunajská spolupráca DS-2016-0030 Energy efficiency and indoor environment of nearly zero energy building.

Príspevok zároveň odznel na konferencii Vykurovanie 2018.

Literatúra

1. 1. ŠIKULA, O. – PLÁŠEK, J.: Vliv nočního útlumu vytápění na roční potřebu tepla. Vytápění, větrání, instalace, 2010, roč. 2010, č. 3, s. 124 – 130.
2. ŠIKULA, O. – PLÁŠEK, J.: Simulation of energy demands for the internal microclimate formation in BSimsoftware and its verification. In: Simulace budov a techniky prostředí, Sborník 5. konference IBPSA-CZ. Brno, IBPSA-CZ. 2008. p. 85 – 90.
3. ČSN EN 12831: Tepelné soustavy v budovách – výpočet tepelného výkonu.
4. ŠIKULA, O. – CHARVÁT, P. – ADJLOUT, L. – LADJEDEL, O.: Modeling of radiators with mass flow control. In: Buildings and Environment: From Research to Application. Applied Mechanics and Materials. Switzerland: Trans Tech Publications, 2017. s. 1 – 8.
5. Zweifel G.: Case study building “Elfenau”, Lucerne – Specification, IEA ECBCS Annex 50.
6. Wittchen, K. B. – Johnsen, K. – Grau, K.: BSim 2000 – User`s Guide, November 2000.
7. Boháč, J. – Bašta, J.: Temperature fields dynamic of panel radiators. Vytapeni, Vetrani, Instalace 25.1 (2016): 2 – 5.
8. Jančík, L. – Bašta, J.: Setrvačnost náběhu a chladnutí otopných těles. TZB-info 2008.1 (2008): 1 – 3. 18 Jan. 2017.
9. Petráš, D.: Nízkoteplotné vykurovanie a obnovitel‘né zdroje energie. Bratislava: JAGA Group, 2001. Print.
10. Danfoss Ltd, RA2000 Commercial TRVs, Part No: 410v06 05/16.
11. Danfoss HS, Data sheet, Radiator thermostats type RA2000, valve bodies type RA-FN (series D) and RA-G. 12/2010 | VDSXG202.
12. Radiator TOMTON R1. Technická specifikace. Dosažitelné z: http://www.tomton-radiators.com/.

Článok  bol uverejnený v časopise ASB 8-9/2018.