Možnosti moderních způsobů regulace

U rozsáhlejších objektů, které jsou navíc ještě vhodně orientovány vzhledem ke světovým stranám a tak s rozdílným osluněním fasád, je nanejvýš vhodné uplatnění zónové regulace, která přesněji postihuje různící se potřebu tepla.

V objektech lze obecně uplatnit různou regulaci. Proto si v úvodu uveďme alespoň jednoduché rozdělení regulace. Regulovat lze, jak ukazuje následující rozdělení, podle:

1. Výstupní teploty vody ze zdroje tepla.
2. Vnitřní teploty vzduchu, a to
   1. přímo, kdy je regulován přímo zdroj tepla
   2. nepřímo, kdy je regulována vstupní teplota vody do otopné soustavy (např. směšováním) a zdroj tepla je regulován samostatně
   3. místně, kdy je regulován výkon jednotlivých otopných těles a zdroj tepla je regulován opět samostatně.
3. Venkovní teploty vzduchu - ekvitermně, resp. podle venkovních klimatických podmínek, a to opět
   1. přímo, kdy je regulován přímo zdroj tepla
   2. nepřímo, kdy je regulována vstupní teplota vody proudící do soustavy. Zdroj tepla je regulován samostatně
4. Zátěže či zátěží. Tato regulace je přímá a hovoříme zde již o využívání fuzzy logiky.

Při použití regulátorů, které regulují teplotu otopné vody v závislosti na venkovní teplotě vzduchu, tedy při použití ekvitermní regulace, dosahujeme úspor tepla vzhledem k původní spotřebě podle druhu objektu 10 až 25 %. Jestliže doplníme tento druh regulace o tzv. zónovou regulaci, úspory tepla se ještě zvýší a dosáhnou hodnot 15 až 30 %.

1. Regulace podle vnitřní teploty vzduchu

V tomto případě je snímána teplota vzduchu ve vytápěném prostoru a jako řídicí veličina vysílána do regulátoru. Regulátor tak postihne i poruchovou veličinu. Snímač je montován do referenční místnosti, podle které jsou ovládány i ostatní místnosti. Vzniklá regulační odchylka v referenční místnosti zapříčiní změnu teploty přívodní vody, čímž se začne "vyrovnávat" teplota i v ostatních místnostech, i když to v některých není nutné. Toto chování působí negativně u relativně velkých a rozlehlých bytů. Tato regulace se proto nepoužívá u vícegeneračních domů.

Uvedená regulace má stálé dopravní zpoždění, které se musí udržovat co nejmenší, aby se zabránilo rozkmitání regulačního obvodu. Používají se regulátory s P a PI chováním, či dvoupolohové se zpětnou vazbou, eventuálně kaskádová regulace (obr. 1). Čidlo, většinou s ovladačem, musí být umístěno na místě, kde nebude ovlivněno místními zdroji tepla. Regulační systém může být výhodný při osazení termostatických regulačních ventilů (TRV). V referenční místnosti samozřejmě bez TRV, jelikož by se oba systémy ovlivňovaly a stávaly se neúčinné. Výhodou regulace podle vnitřní teploty vzduchu je rovněž chování při omezeném provozu otopné soustavy, jako je noční útlum. Teplota vzduchu je čidlem snímána a i přes den se může při volbě nočního provozu omezit dodávka tepla až na sníženou vnitřní teplotu, jako pro noční provoz. Při dosažení nejnižší hraniční teploty se začne opět vytápět. Tím se zohlední tepelná kapacita budovy a zajistí se hospodárný provoz zařízení.

Obr. 1 - Příklad regulace podle vnitřní teploty s kompenzací
přes venkovní teplotu.

2. Regulace podle venkovní teploty

Zde je potřeba tepla regulována proporcionálně k venkovní teplotě, je možné na tomto základě regulovat teplotu přívodní vody přímo v závislosti na teplotě venkovní. Závislost obou veličin je dána tzv. otopnou křivkou (obr. 2). Křivka a její prohnutí odpovídá použitým otopným tělesům resp. použité otopné ploše a tak odpovídá mocninné funkci s exponentem např. n = 1,3. Křivku lze přizpůsobit pro danou soustavu a její vlastnosti pomocí jejího naklánění či posunu. Regulace přívodní teploty je rychlá s malým dopravním zpožděním tj. s velkým poměrem T_u/T_n. Tato regulace se dnes používá u většiny soustav s event. přídavnými funkcemi. Teplota přívodní vody se reguluje dvoupolohově (řízení hořáku) nebo třípolohově (spolu s řízením třícestné či čtyřcestné armatury).

Obr. 2 - Příklad otopné křivky pro t_emin = -15 °C
a t_v,max = 70 °C s n = 1,3.

2.1 Regulace teploty přívodní vody podle venkovní teploty vzduchu - otopná křivka

Tento způsob regulace se nazývá ekvitermní regulace. Potřeba tepla ve vytápěném objektu je závislá na venkovní teplotě. Na vnější fasádě umístěné čidlo předává elektronickou formou informaci regulátoru. Regulátor pracuje podle zadané charakteristiky (otopné křivky - obr. 3), která musí být nastavena v souladu se soustavou a objektem.

Obr. 3 - Otopná křivka pro otopnou soustavu s teplotním
spádem 70/60 °C

Na čem tedy závisí průběh této charakteristiky? Ve skutečnosti na projektovaném teplotním spádu na otopných tělesech (např. 75/65, 70/55, 55/45 °C, atd.), ale také na druhu otopné soustavy resp. otopné plochy (konvekční vytápění - otopná tělesa, sálavé vytápění - stropní, podlahové a stěnové) a tepelně-technických vlastnostech vytápěného objektu. Regulátor reguluje pouze teplotu přívodní otopné vody v závislosti na venkovní teplotě vzduchu (zde nerozebírejme, zda jde o aktuální, tlumenou či geometrickou venkovní teplotu). Teplota zpětné vody se mění v závislosti na podmínkách, za kterých pracuje celá soustava. Ve vytápěných prostorách je tedy potřebná ještě místní regulace prostřednictvím TRV.

2.1.1 Nastavení otopné křivky

Při prvním nastavení regulátoru se většinou nastaví teplota vstupní vody podle projektu. Správného nastavení otopné křivky se však nedá dosáhnout definováním jediného bodu např. při venkovní teplotě -15 °C a odpovídající teplotě přívodní vody 70 °C.

Pro optimální nastavení regulátoru je potřebné znát správnou polohu otopné křivky. Tu lze zjistit pouze odzkoušením, tj. experimentem zjistit vhodnou teplotu vstupní vody a jí přiřadit křivku v regulátoru. Při tomto pokusu musí být TRV mimo provoz či alespoň zcela otevřeny.

Předchozí způsob je časově značně náročný a vede k úspěchu jen tehdy, když je provozovatel upozorněn a poučen o nutnosti nastavení. Ke správnému nastavení tak vedou dvě jiné cesty využívající sklánění křivky či její posun.

Pro vyšší venkovní teploty se doporučuje přednostně posun otopné křivky do jiné úrovně a u nižších venkovních teplot je vhodné upřednostnit změnu sklonu otopné křivky. Pokusíme -li se zodpovědět otázku: "Proč právě takto?", dospějeme k následující odpovědi:

Při změně sklonu otopné křivky zůstává její výchozí bod stále nezměněn (obr. 4a) a tak např. při venkovní teplotě t_e = + 20 °C je nastavena teplota přívodní otopné vody t_w1 = 20 °C. V oblasti vysokých venkovních teplot přes t_e = + 5 °C je působení na změnu teploty přívodní vody relativně malé. Avšak u nižších venkovních teplot pod t_e = ± 0 °C, vedou změny sklonu otopné křivky k větším úsporám.

V oblasti vyšších venkovních teplot se posune úroveň otopné křivky a tak je výsledek změny větší vzhledem k zvýšení teploty přívodní vody, než by byl u změny sklonu křivky (obr. 4b).

Obr. 4 - Vliv nastavení otopné křivky - a) změna sklonu; b) změna úrovně - posun

Čím dále od sebe leží dva body otopné křivky, tj. čím je větší rozdíl venkovních teplot (např. t_e = + 5 °C a t_e = - 5 °C), tím je určení správné otopné křivky přesnější. Synchronním přestavením sklonu a úrovně se nechají otopné křivky nastavit tak, aby pokryly celé pole průběhů. V mnohých případech musíme použít jak sklánění, tak úrovňový posun křivky. Protože se odezva na regulační zásah projevuje po delší době (někdy i hodiny) změnou teploty vytápěného prostoru, bude správné nařízení otopné křivky probíhat mnohdy dlouho. Pokud zateplíme objekt, změní se jeho tepelně-technické vlastnosti, a je tedy nutné opětovné nastavení otopné křivky, pokud tak regulátor neučiní sám automaticky.

2.2 Regulace teploty přívodní vody podle venkovní teploty s využitím směšovače.

Takovýto způsob regulace popisuje obr. 5. Zde se odečítá vnější teplota vzduchu a teplota vstupní vody do soustavy je nastavována podle otopné křivky. Kotel pracuje s konstantní teplotou.

Obr. 5 - Regulace teploty přivedené vody podle venkovní teploty - směšováním.

Obr. 6 - Otopné křivky

Aby regulace nebyla náchylná na krátké teplotní výkyvy, aktuální venkovní teplota se koriguje na geometrickou venkovní teplotu (obr. 7). Regulace rozlišuje dva případy vlivu venkovní teploty, a to u těžké a u lehké budovy.

Obr. 7 - Denní průběh teplot

Obr. 8 - Paralelní posun otopné křivky

Zvolená otopná křivka, která odpovídá vlastnostem objektu, platí pouze v případě, že chceme vytápět prostory na 20 °C. Avšak je zřejmé, že pokud chceme vytápět např. na 12 °C, budeme potřebovat nižší teplotu otopné vody. Jaký vliv má tedy žádaná teplota prostoru na ekvitermní regulaci? Odpověď je následující (obr. 8): otopná křivka se odpovídajícím způsobem paralelně posune.

Funkce ekvitermní regulace je silně závislá na správné volbě otopné křivky. Otopná křivka však nezahrnuje tepelné zisky, které mají také nemalý vliv na vytápění.

3. Ekvitermní regulace se zpětnou vazbou na vnitřní teplotu

Vzhledem k vnějším a vnitřním tepelným ziskům vstupuje do ekvitermní regulace zpětná vazba z prostoru. Nejedná se zde tedy o čisté ekvitermní řízení, ale o ekvitermní řízení se zpětnou vazbou na vnitřní teplotu. Regulátor měří aktuální teplotu v referenční místnosti (prostoru) a koriguje výše popsaný systém ekvitermní regulace.

Vliv teploty prostoru je možno rozdělit do dvou kategorií, a to:

• dlouhodobý - regulace na základě zpětné vazby z prostoru dokáže přizpůsobit (adaptovat) odhadem zadanou otopnou křivku vlastnostem vytápěného objektu (změna strmosti otopné křivky a paralelní posun). Tudíž se zde jedná o adaptivní regulaci;
• krátkodobý - na základě zjištěné teplotní odchylky v prostoru, regulátor účelově koriguje žádanou prostorovou teplotu podle vzorce:

ti,w	žádaná teplota v prostoru
ti,wk	korigovaná žádaná teplota v prostoru
ti,x	aktuální teplota v prostoru
K	faktor vlivu prostorové teploty

Pokud skutečná teplota odpovídá nastavené, tak platí: t_i,wk = t_i,w. V opačném případě změna žádané teploty prostoru způsobí paralelní posun otopné křivky, a tím změnu teploty otopné vody. Následkem tohoto zásahu se odchylka sníží. Ze vztahu je také patrné, že zásah je přímo úměrný odchylce. Velice důležitou součástí tohoto mechanismu je faktor vlivu K, kterým je možno přímo ovlivnit chování soustavy (zvýšit, resp. utlumit vliv teploty prostoru). Jak vypadají průběhy žádané korigované teploty v závislosti na odchylce teploty v prostoru můžete vidět na obr. 9. Zde je odchylka teploty uměle vytvořena přepnutím z normálního provozu na úsporný (noční) a naopak.

Obr. 9. Průběh teplot a blokování kotle

Obr. 10. Závislost žádané teploty vody na geometrické venkovní teplotě.

Říká se, že ekvitermní regulace zabezpečuje rovnováhu mezi výrobou a spotřebou tepla. Je to skutečně pravda, avšak tato rovnováha je závislá na určitém předpokladu, který se nazývá vyladěná otopná křivka. To je jeden z důvodů vyšších úspor. Další důvod je ten, že se vyrobí teplo pouze o potřebné kvalitě (teplota otopné vody). Požadavky na teplotu otopné vody vždy směřují od spotřeby tepla (otopná křivka a vliv teploty v prostoru) ke zdroji tepla (kotel). Je to z toho důvodu, abychom mohli nezávisle řídit více otopných okruhů, které mají různý odběr tepla v čase a potažmo jiné požadavky. Jakým způsobem je tedy tvořena žádaná teplota kotle t_k,w (obr. 10) na základě požadavků dvou směšovacích otopných okruhů ?

Kotel připravuje vodu podle nejvyššího požadavku spotřebitele a ještě s určitým navýšením, které je nutné z hlediska dalšího směšování. U otopných okruhů s čerpadly je toto převýšení automaticky nulové. U požadavků na přípravu teplé vody je nutné také určité převýšení požadované teploty kotlové vody.

4. Regulace podle zátěže

Regulace podle zátěže představuje řízení teploty vody v závislosti na potřebě tepla, a to bez použití venkovního nebo prostorového čidla teploty. S přibývající kvalitou budov (lepšími tepelně-technickými vlastnostmi) má venkovní teplota na skutečnou potřebu tepla stále menší vliv. Řízení zátěží a řízení podle potřeby tepla jsou koncepčně zcela shodné. Řešení vycházejí z tvorby křivky zátěže či křivky potřeby tepla.

Potřebu tepla regulátor vypočítá přes poměr spínacích časů hořáku jako aktuální zátěž kotle q (obr. 11).

τBR	je doba chodu hořáku ve spínacím intervalu
τBRZ	je doba spínacího intervalu

Požadovaná teplota kotlové vody či teplota vody přiváděné do soustavy je řízena podle křivek zátěže (obr. 12). Výhodou tohoto řízení je: rychlá odezva na potřebu tepla u dobře tepelně izolovaných budov, produkce pouze aktuálně potřebného množství tepla a zohlednění cizích zdrojů tepla (tepelných zisků). Za nevýhodu bychom pak mohli považovat nutnost použití místní regulace (TRV).

Obr. 11 - Čisté řízení zátěží - určení zátěže kotle

Obr. 12 - Čisté řízení zátěží - křivky zátěže

Řízení zátěží je tedy smysluplné využít za předpokladu, že se jedná o

• dobře tepelně izolované stavby
• jedno stupňový hořák u zdroje tepla
• přímo připojený otopný okruh
• užití TRV
• instalaci bez venkovních a vnitřních čidel
• rozumné chování spotřebitele (žádné permanentní přenastavování TRV)
• snahu využít tepelných zisků (všech cizích zdrojů tepla).

5. Ekvitermní regulace s vlivem zátěže

U obvyklého způsobu ekvitermního řízení se navíc zohledňuje aktuální potřeba tepla. Při tomto způsobu řízení je požadovaná teplota kotle resp. teplota přívodní otopné vody tvořena jako kombinace z ekvitermního řízení a řízení zátěží. Požadovaná teplota kotlové vody resp. teplota vstupní vody do soustavy se počítá jako střední hodnota z otopné a zátěžové křivky.

tk,w	je žádaná teplota kotlové vody
tk,w,ekv	žádaná teplota kotlové vody podle čistého ekvitermního řízení
tk,w,zat	žádaná teplota kotlové vody podle čistého řízení zátěží.

K zajišťování optimální regulace či řízení je nezbytné znát informace o dynamických a statických vlastnostech regulované či řízené soustavy. Břímě znalosti základních informací a požadavků tak leží na odbornících z oboru Techniky prostředí budov či TZB. Souhrn údajů představuje soustavu popisující a určující parametry regulace, resp. řízení. Využití informací o dynamice a požadavcích na regulovanou soustavu pak znamená, při návrhu regulačních obvodů, vždy jiné zadání, které vede např. k určení matematického modelu, adaptivního systému řízení, duálního systému či tzv. samoučicích se systémů.

Literatura:

[1] Bašta, J.: Otopné soustavy a jejich regulace za účelem úspor energie. In: Spotřeba tepla při ústředním vytápění obytných budov, cesty k úsporám. STP Praha 1999 - s. 28 - 32.
[2] Bašta, J.: Hydraulika a řízení otopných soustav. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2003. - 252 s., 209 obr., ISBN 80-01-02808-9.
[3] Bašta, J.: Regulacia výkonu zdrojov tepla. In: Stavebnícka ročenka 2003. Vydavateĺstvo Jaga Group, v.o.s., Bratislava 2002. s. 177 - 181. ISBN 80-88905-82-6.
[4] Firemní podklady