Snímač teploty vonkajšieho vzduchu a jeho umiestnenie v obvode ekvitermnej regulácie

Počas obdobia jedného týždňa vo februári 2015 sa realizovalo experimentálne meranie teploty vonkajšieho vzduchu, teploty prívodnej vykurovacej vody na vstupe do vykurovacej sústavy a teploty vnútorného vzduchu v referenčných miestnostiach SvF STU v Bratislave. Cieľom meraní bolo preveriť vhodnosť súčasného spôsobu regulácie tepelného výkonu, správnosť osadenia snímačov vonkajšej teploty regulačných obvodov, prípadne možnosť doplniť súčasný riadiaci systém o ďalšie prvky s cieľom vylepšiť prevádzkové vlastnosti vykurovacieho systému.

Regulácia teploty vykurovacej vody podľa vonkajšej teploty, známa aj pod názvom ekvitermná regulácia, patrí medzi základné spôsoby centrálneho riadenia tepelného výkonu vykurovacích sústav. Vzájomnú závislosť medzi týmito veličinami udáva vykurovacia krivka.

Jej najčastejšia konfigurácia je situovaná na výstupe vykurovacej vody z rozdeľovača vykurovania. Vstupy do regulátora sú zo snímača teploty vykurovacej vody a snímača vonkajšej teploty. Výstupný signál regulátora pôsobí na akčný člen, ktorý tvorí trojcestný zmiešavací regulačný ventil s elektrickým pohonom. Ventil primiešava vratnú vykurovaciu vodu do prívodnej vykurovacej vody.

Ekvitermná regulácia zabezpečuje rovnováhu medzi tepelnou stratou objektu a dodaným tepelným výkonom. Regulačný obvod ekvitermnej regulácie pracuje správne, ak zmeny vonkajšej teploty nespôsobujú zmeny vnútornej teploty. Výhodou je možnosť nezávislého riadenia vykurovacích okruhov s požiadavkou na rôznu teplotu vykurovacej vody (rôzna orientácia miestností vzhľadom na svetové strany, použitie viacerých druhov vykurovania – napríklad konvekčné, podlahové a pod.).

Ak je regulačný obvod v základnej zostave, nezohľadňuje skutočnú teplotu vnútorného vzduchu. Aj odladenie vykurovacej krivky, najmä vo väčších objektoch, býva náročné na čas a vyžaduje si odbornú obsluhu. Pri voľbe spôsobu regulácie je dôležité rešpektovať dynamické vlastnosti objektu a jeho energetického systému.

Tento spôsob regulácie výkonu vykurovacieho systému je navrhnutý aj vo výškovej budove Stavebnej fakulty STU – blok C, na ktorom sa realizovala kompletná výmena obvodového plášťa. Z hľadiska konštrukcie fasády sa objekt radí medzi budovy s ľahkým obvodovým plášťom s vysokým podielom zasklenia.

Tepelnú pohodu vo vykurovacom období zabezpečuje pôvodný systém veľkoplošného stropného vykurovania typu CRITTALL. Vzhľadom na odlišný tepelný režim budovy a vykurovacieho systému dochádza k tepelnej nepohode, obzvlášť v prechodných obdobiach, počas slnečných dní a pri náhlych zmenách teploty vonkajšieho vzduchu.

Požiadavky na umiestnenie snímača vonkajšej teploty

Snímač predstavuje základný prvok regulačného obvodu. Poskytuje regulátoru údaje o skutočných hodnotách meraných fyzikálnych veličín, ktoré môžu pôsobiť ako regulované alebo riadiace veličiny. Zároveň informuje o stave a činnosti technického zariadenia, preto má jeho výber a umiestnenie podstatný vplyv na kvalitu celého regulačného procesu.

Snímač vonkajšej teploty sa osádza na fasádu objektu do výšky min. 2,5 m nad terénom v smere prevládajúcich vetrov. Ak je budova viacpodlažná, umiestňuje sa medzi 2. a 3. podlažie. Stena, na ktorej je snímač, by sa mala zvnútra vykurovať. Snímač by sa mal osadiť na otvorenú fasádu, aby snímal všetky poveternostné podmienky. Nemal by byť namontovaný na chránených plochách ani v blízkosti okien a dverí.

Podstatné je umiestnenie snímača vzhľadom na svetové strany:

• Ak sú všetky vykurovacie telesá v objekte zásobované z jedného vykurovacieho okruhu, snímač sa umiestňuje na najchladnejšiu stranu – na sever alebo severovýchod –, v prípade rozdelenia miestností napríklad na južnú a severnú zónu sa snímače umiestňujú na tieto svetové strany.
• Snímač musí byť chránený pred účinkami priameho slnečného žiarenia (snímače na J, V, Z), aby sa pri nízkej vonkajšej teplote vplyvom oslnenia nenamerala príliš vysoká hodnota vonkajšej teploty, čo by spôsobilo nízku teplotu vykurovacej vody v príslušnom okruhu.

Experimentálne meranie

Experimentálne meranie sa realizovalo v rámci projektu KC-INTELINSYS vo výškovej budove Stavebnej fakulty STU, ktorá sa nachádza v bezprostrednej blízkosti centra Bratislavy.

Metodika merania z hľadiska miesta
Výšková budova SvF STU (blok C) má 23 nadzemných podlaží. Jej obvodový plášť prešiel komplexnou rekonštrukciou, ukončenou v roku 2010. Nová fasáda je riešená na severovýchode ako jednoplášťová s použitím izolačného trojskla. Juhozápadná fasáda je dvojvrstvová s prevetrávaným medzipriestorom a sklopným vetracím krídlom otváraným vo vnútornom plášti (obr. 1). Hodnoty súčiniteľov prechodu tepla sú:
U _{plášť SV} = 0,353 W/(m² . K),
U _{trojsklo SV} = 0,7 W/(m² . K),
U _{plášť JZ} = 0,2 W/(m² . K),
U _{dvojsklo JZ} = 1,2 W/(m² . K),
U _{číre sklo  JZ} = 5,6 W/(m² . K).

Obr. 1  Výšková budova Stavebnej fakulty STU – blok C

Z hľadiska zásobovania teplom je výšková budova rozdelená na dve tlakové pásma. Pre prvé tlakové pásmo (do 10. NP) vedú z rozdeľovača v 1. PP dve vykurovacie vetvy orientované na SV a dve na JZ, každá s vlastnou ekvitermnou reguláciou. Pre druhé tlakové pásmo (11. NP až 23. NP) je to podobné, rozdeľovač vykurovania sa nachádza v 10. NP. Zdrojom tepla je tlakovo nezávislá odovzdávacia stanica tepla typu voda – voda (ďalej OST). Ako odovzdávací systém je navrhnuté veľkoplošné stropné teplovodné vykurovanie typu CRITTALL s projektovaným teplotným spádom 55/45 °C.

Tepelná pohoda sa hodnotila v dvoch referenčných miestnostiach. Miestnosti sa nachádzajú na 6. NP – ide o kancelárie (obr. 2), ktoré majú približne rovnaké rozmery, jednu ochladzovanú stenu s oknom, pričom vnútorné steny, strop a podlahy susedia s miestnosťami vykurovanými na rovnakú teplotu. Miestnosť 620 je orientovaná na SV, miestnosť 609 na JZ.  

Obr. 2  Pohľad na jednu z referenčných miestností

Metodika merania z hľadiska meraných veličín
Snímače vonkajšej teploty sa umiestnili na troch meracích miestach:

• na severnej fasáde bloku C – snímač typu QAC 3161 je umiestnený vo výške 1,0 m nad terénom (obr. 3). Snímač má oproti ostatným dvom snímačom chránenú polohu v blízkosti okna, pod úrovňou okolitého terénu. Je členom regulačného obvodu ekvitermnej regulácie výškovej budovy – ďalej ho uvádzame ako snímač S s príslušnou teplotou vonkajšieho vzduchu θ_{e S,}.
• na severovýchodnej fasáde bloku C – snímač typu PTS 350-2/0 je na 14. NP, z vonkajšej strany okna, voľne v priestore (obr. 4) – ďalej ho uvádzame ako snímač S – okno s príslušnou teplotou vonkajšieho vzduchu θ_{e ok},
• na juhozápadnej fasáde – snímač typu QAC 3161 je na 4. NP bloku B, čo je štvorpodlažná budova tvoriaca súčasť komplexu SvF STU (obr. 5) – ďalej ho uvádzame ako snímač J s príslušnou teplotou vonkajšieho vzduchu θ_{e J}.

Obr. 3  Umiestnenie snímača vonkajšej teploty na severnej strane objektu – snímač S

Obr. 4  Umiestnenie snímača vonkajšej teploty na severovýchodnej strane objektu – snímač S – okno

Obr. 5  Umiestnenie snímača vonkajšej teploty na juhozápadnej strane objektu – snímač J

V priestore referenčných miestností sa snímali:

• teplota vnútorného vzduchu θ_i – snímače QFA 2060 umiestnené vo výške 1,1 m nad podlahou,
• teplota povrchu stropnej vykurovacej plochy θ_str – snímače PTS 350-2/0 umiestnené v strede vykurovacej plochy.            
  Presnosť merania je ± 0,1 K.

V priestore zdroja tepla na vetvách V1 a V2 (1. tlakové pásmo) sa snímali:

• teplota prívodnej vykurovacej vody θ_p – využili sa existujúce ponorné snímače teploty osadené v prívodných potrubiach za čerpadlami,
• zdvih trojcestných regulačných ventilov.

Všetky fyzikálne veličiny sa snímali spojito v troj- až pätnásťminútových intervaloch a registrovali sa v centrálnom monitorovacom systéme.
Meranie prebiehalo vo februári 2015, na vyhodnotenie sa vybralo obdobie od 13. 2. do 18. 2. 2015.

Výsledky experimentálneho merania
Na obr. 6 je znázornený priebeh okamžitých teplôt vonkajšieho vzduchu počas sledovaného obdobia, zaznamenaný na všetkých troch meracích miestach.  
Na obr. 7 je zachytený priebeh priemerných denných teplôt vonkajšieho vzduchu:  

• najvyššie hodnoty sa namerali na severnej strane objektu,
• najnižšie hodnoty sa zaznamenali striedavo na juhozápadnej a severovýchodnej strane objektu vo výške 14. NP.

Obr. 6  Priebeh okamžitých teplôt vonkajšieho vzduchu
θe J – teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom J, θe S – teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom S, θe ok – teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom S – okno

Obr. 7  Priebeh priemerných denných teplôt vonkajšieho vzduchu
θe J – teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom J, θe S – teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom S, θe ok – teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom S – okno

Maximálne a minimálne teploty vonkajšieho vzduchu zachytené snímačmi počas jednotlivých dní sú ilustrované v grafe na obr. 8:

• v priemere najvyššie hodnoty počas jednotlivých dní boli namerané snímačom J (13. 2., 15. 2., 16. 2., 18. 2.),
• v poradí druhé najvyššie teploty boli namerané snímačom na severovýchodnej strane objektu (14. 2. a 17. 2.) snímačom S,
• najnižšie teploty vonkajšieho vzduchu boli namerané snímačom S – okno vo výške 14. NP (13. 2., 15. 2., 16. 2.).                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

Obr. 8  Maximálne a minimálne teploty vonkajšieho vzduchu
θe J, max – maximálna teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom J, θe j, min – minimálna teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom J, θe s, max – maximálna teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom S, θe s, min – minimálna teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom S, θe ok, max – maximálna teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom S – okno, θe ok, min – minimálna teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom S – okno

Na obr. 9 sú zachytené priebehy teplôt vnútorného vzduchu v oboch referenčných miestnostiach a  teplôt prívodnej vykurovacej vody v oboch vykurovacích vetvách.

Priebeh teplôt vnútorného vzduchu v oboch miestnostiach bol približne rovnomerný. Výraznejšie zvýšenia teploty sa zaznamenali v miestnosti 609 vplyvom priameho slnečného žiarenia, v priemere 2 K (13. 2, 16. a 17. 2.), ďalej sa zaznamenali následné poklesy teploty v dôsledku otvorenia okna, v priemere 4 K (16. 2. a 17. 2.), vetranie však prebiehalo prostredníctvom prevetrávanej vzduchovej vrstvy dvojitej fasády.

Napriek rozdeleniu vykurovacieho systému na JZ a SV stranu je z nameraných údajov o teplotách prívodnej vykurovacej vody zrejmé, že teploty sú v oboch vetvách rovnaké a riadenie prebieha na základe údajov z toho istého snímača vonkajšej teploty.

Obr. 9  Priebeh teplôt vnútorného vzduchu a teplôt prívodnej vykurovacej vody
θi S – teplota vnútorného vzduchu nameraná v miestnosti 620 (SV), θi J – teplota vnútorného vzduchu nameraná v miestnosti 609 (JZ), θp S – teplota prívodnej vykurovacej vody nameraná vo vetve V1 (SV), θp J – teplota prívodnej vykurovacej vody nameraná vo vetve V2 (JZ), θe J – teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom J, θe S – teplota vonkajšieho vzduchu nameraná snímačom S

Analýza výsledkov experimentálneho merania

Výsledky experimentálneho merania sa analyzujú z dvoch pohľadov: z hľadiska polohy snímačov vonkajšej teploty a z hľadiska vplyvu snímača vonkajšej teploty, ktorý je súčasťou regulačného obvodu ekvitermnej regulácie teploty vykurovacej vody, na tepelný stav vykurovaného interiéru.

Analýza výsledkov merania z hľadiska polohy snímačov vonkajšej teploty
Vzhľadom na to, že neboli k dispozícii údaje o intenzite slnečného žiarenia a rýchlosti vetra pri všetkých meracích miestach, na ktorých boli umiestnené snímače vonkajšej teploty, možno konštatovať tieto závery:

• Snímač S bol umiestnený pod úrovňou okolitého terénu (obr. 3), mal chránenú polohu oproti ostatným dvom snímačom, nebol vystavený priamym účinkom vetra a slnečného žiarenia, navyše bol ohrievaný teplom z blízkeho okna a sálaním z okolitých konštrukcií. Vykazoval v priemere najvyššie teploty vonkajšieho vzduchu (obr. 7).
• Snímač J bol vzhľadom na svoje umiestnenie na voľnej fasáde vystavený priamym účinkom vetra a slnečného žiarenia, čo sa výrazne prejavovalo pri denných maximálnych a minimálnych teplotách (obr. 8).
• Snímač S – okno bol tiež vystavený priamym účinkom vetra, avšak v dôsledku severovýchodnej orientácie sa účinky priameho slnečného žiarenia neprejavovali tak výrazne ako pri snímači J (obr. 8).

Vplyv snímača vonkajšej teploty na tepelný stav interiéru
Máme na mysli snímač, ktorý je súčasťou regulačného obvodu ekvitermnej regulácie.
Teplota vnútorného vzduchu je jedným z faktorov vnútorného prostredia budov, ktoré sa podieľajú na tvorbe stavu tepelnej pohody. Vykurovací systém priamo ovplyvňuje teplotu vzduchu v týchto priestoroch. Požiadavky na teplotu vnútorného vzduchu v závislosti od druhu stavebného objektu a účelu jednotlivých priestorov, prípadne podľa vykonávanej činnosti človeka, ustanovujú viaceré legislatívne predpisy.

Na účely vyhodnotenia výsledkov merania sme vybrali tieto dva (tab. 1):
a)    STN EN 12831, ktorá určuje požiadavky na vnútornú výpočtovú teplotu θ_int, _i;  na základe výpočtov podľa tejto normy sa dimenzuje zdroj tepla a vykurovacia sústava,
b)    vyhláška MZ SR č. 259/2008 Z.z., ktorá určuje požiadavky na optimálne a prípustné intervaly operatívnej teploty θ_o.

Hodnoty operatívnej teploty v tab. 1 platia pre chladné obdobie roka, pre štandardné oblečenie s tepelným odporom vrstiev odevu a medznej vrstvy vzduchu Rcl = 0,7 až 1,0 clo.

V sledovanom období sa snímačom analyzátora vnútornej klímy Brüel & Kjaer, typ 1213, zároveň snímala operatívna teplota, ktorá sa manuálne zaznamenávala v hodinových intervaloch. Tieto hodnoty sa následne porovnali s nameranými údajmi teploty vnútorného vzduchu. Odchýlka medzi nimi bola ±0,1 až ±0,3 K, takže možno povedať, že teplota vnútorného vzduchu a operatívna teplota sa približne rovnali.

Výsledky tepelného stavu interiéru v oboch referenčných miestnostiach hodnotené podľa požiadaviek vyhlášky MZ SR č. 259/2008 Z. z. pre triedu práce 1a (obr. 9) sú takéto:

• Teplota vnútorného vzduchu/operatívna teplota prekračovala v oboch miestnostiach počas bežnej prevádzky hornú hranicu intervalu optimálnej operatívnej teploty 24 °C.
• V miestnosti 609, orientovanej na JZ, stúpala počas slnečných dní vnútorná teplota až nad hornú hranicu intervalu prípustnej operatívnej teploty 26 °C.

Záver

Z nameraných údajov možno konštatovať, že ani jeden zo snímačov vonkajšej teploty nemal optimálnu polohu vzhľadom na efektívnu prácu riadiaceho systému.
Snímač S je súčasťou regulačného obvodu ekvitermnej regulácie teploty vykurovacej vody pre SV aj JZ vykurovaciu vetvu. Napriek rozdeleniu  systému vzhľadom na svetové strany je snímač pre JZ vetvu neaktívny a regulácia prebieha podľa údajov nameraných na snímači S, o čom svedčia aj totožné hodnoty teploty vykurovacej vody namerané v oboch vetvách (obr. 9).

Základným princípom funkcie regulačného obvodu ekvitermnej regulácie je riadenie teploty vykurovacej vody podľa vonkajšej teploty. Pri nižšej vonkajšej teplote sa požaduje vyššia teplota vykurovacej vody a pri vyššej vonkajšej teplote nižšia teplota vykurovacej vody, čím sa zabezpečuje rovnováha medzi dodaným teplom a tepelnými stratami. Teplota miestností by však mala byť konštantná.

Ako vidieť na grafe na obr. 9 (hlavne vo vyznačených intervaloch), poklesy vonkajšej teploty nasledovali vzostupy teploty vykurovacej vody v oboch vetvách a opačne. Priebeh teploty vnútorného vzduchu v miestnosti 620 bol prevažne rovnomerný, ale v sledovanom období prekračoval hornú hranicu optimálnej operatívnej teploty 24 °C.

Na dosiahnutie tepelnej pohody v miestnostiach orientovaných na SV stranu treba vyladiť vykurovaciu krivku tak, aby sa teplota vnútorného vzduchu dostala do intervalu optimálnej operatívnej teploty 20 – 24 °C. Tiež by bolo vhodné premiestniť snímač vonkajšej teploty pre SV zo súčasného miesta osadenia do úrovne 2. až 3. podlažia, a to v zmysle zásad uvedených na začiatku príspevku.

V miestnosti 609 sa zaznamenali výraznejšie zmeny teploty vnútorného vzduchu. Pri stúpajúcej vonkajšej teplote znižoval regulátor podľa nastavenej vykurovacej krivky teplotu vykurovacej vody, ale napriek tomu teplota vnútorného vzduchu stúpala. Pri poklese vonkajšej teploty a následnom zvýšení teploty vykurovacej vody regulačným zásahom teplota vnútorného vzduchu klesala (čiastočný vplyv otvoreného okna).

Určitou mierou sa na tejto situácii podieľa absencia snímača, ktorý by zachytával teplotu vonkajšieho vzduchu na JZ strane objektu. Ďalším dôvodom je skutočnosť, že vzhľadom na vysoký podiel zasklenia obvodového plášťa a jeho malú tepelnú zotrvačnosť je výrazný vplyv tepelných ziskov zo slnka na vnútornú teplotu.

Tento problém by sa dal zdanlivo vyriešiť doplnením základného regulačného obvodu o snímač priestorovej teploty, osadený vo vybranej referenčnej miestnosti. Regulácia by prebiehala podľa nastavenej vykurovacej krivky, ktorú by regulátor korigoval na základe skutočnej teploty miestnosti.

Hlavným dôvodom tepelnej nepohody miestností na JZ strane objektu počas slnečných dní je však odlišné dynamické správanie sa zotrvačnej vykurovacej sústavy a budovy s ľahkým obvodovým plášťom s vysokým podielom zasklenia. Z uvedeného dôvodu je súčasný spôsob riadenia – ekvitermná regulácia teploty vykurovacej vody – pre takýto objekt a v ňom navrhnutý vykurovací systém nevhodný.

Literatúra
1.    Vyhláška Ministerstva zdravotníctva Slovenskej republiky č. 259/2008 Z. z. o podrobnostiach o požiadavkách na vnútorné prostredie budov a o minimálnych požiadavkách na byty nižšieho štandardu a na ubytovacie zariadenia.
2.    STN EN 12831: Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu projektovaného tepelného príkonu.
3.    Kovářová, Z.: Monitorovanie parametrov vnútorného prostredia pri sálavom
    vykurovaní. In VVI. ISSN 1210-1389, 2006, roč. 15, č. 1, s. 12 – 14.

Text: doc. Ing. Daniela Koudelková, PhD.
Foto a obrázky: archív autorky
Autorka pôsobí na Katedre technických zariadení budov SvF STU v Bratislave.
Recenzoval: Ing. Stanislav Števo, PhD.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2016.