Řízení a regulace ve vztahu k hospodárnosti provozu vytápěcích zařízení

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. samoučících se systémů.
Pod pojmem regulátor je v regulační technice většinou zahrnuta veškerá přístrojová technika, připojená k zařízením techniky prostředí budov za účelem jejich regulace. U jednoduchých obvodů jde o snímač, ústřední regulátor, koncový pohon a akční člen.
Základním opatřením k zajištění hospodárné dodávky tepla pro vytápění staveb je dokonalý technický stav kotelen a úpraven parametrů a jejich vybavení odpovídající regulací. U rozsáhlejších budov, 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 budovách lze obecně uplatnit různou regulaci. Proto si v úvodu uveďme alespoň jednoduché rozdělení regulace. Regulovat lze, jak ukazuje následující rozdělení, podle:

• výstupní teploty vody ze zdroje tepla;
• vnitřní teploty vzduchu, a to:
  - přímo, kdy je regulován přímo zdroj tepla;
  - nepřímo, kdy je regulována vstupní teplota vody do otopné soustavy (např. směšováním) a zdroj tepla je regulován samostatně;
  - místně, kdy je regulován výkon jednotlivých otopných těles a zdroj tepla je regulován opět samostatně;
• venkovní teploty vzduchu - ekvitermně, resp. podle venkovních klimatických podmínek, a to opět:
  - přímo, kdy je regulován přímo zdroj tepla;
  - nepřímo, kdy je regulována vstupní teplota vody proudící do soustavy. Zdroj tepla je regulován samostatně;
• zátěže či zátěží. Tato regulace je přímá a hovoříme zde již o využívání fuzzy logiky.

Regulace podle vnitřní teploty vzduchu
V tomto případě je snímána teplota vzduchu ve vytápěném prostoru a jako řídicí veličina je 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. Proto má tato regulace omezené využití u vícegeneračních domů.
Uvedená regulace má stálé dopravní zpoždění, které se musí udržovat v přiměřené míře, aby se zabránilo rozkmitání regulačního obvodu. Používají se regulátory s P a PI chováním, či dvoupolohové se zpětnou vazbou, eventuálně kaskádová regulace. 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.

Regulace podle venkovní teploty
Zde je potřeba tepla regulována proporcionálně k venkovní teplotě. Na tomto základě je možné regulovat teplotu přívodní vody přímo v závislosti na teplotě venkovní. Závislost obou veličin je dána tzv. otopnou křivkou. 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 paralelního posunu.
Pro vyšší venkovní teploty (nad +5 °C) se doporučuje přednostně posun otopné křivky do jiné úrovně a u nižších venkovních teplot je vhodné upřednostnit změnu sklonu otopné křivky.

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 zadaného vzorce.

Uvádí 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 jiné požadavky.

Regulace podle zátěže
Regulace podle zátěže představuje řízení teploty vody v závislosti na potřebě tepla, a to bez použití venkovního, nebo prostorového čidla teploty. Snímá se teplota výstupní kotlové vody (spolupracuje tak i kotlový termostat) a mapuje se doba chodu hořáku v časové periodě. 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.
Požadovaná teplota kotlové vody či teplota vody přiváděné do soustavy je řízena podle křivek zátěže. 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).

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

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

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.

Požadavky na řízení moderních zdrojů tepla
Správná regulace dodávky tepla, ať už pro vytápění či jiné technologie, je jednou ze základních podmínek hospodárného provozu. U regulace výkonu zdroje tepla jde především o regulaci tepelného výkonu kotlů a výměníků tepla. Ve většině případů se jedná o regulaci teploty vody, vystupující ze zdroje tepla.
U kotlů se tak využívají různé možnosti, kterými jsou především jednostupňový provoz, vícestupňový provoz, modulovaný provoz kotle a jejich uplatnění v kaskádovém řazení kotlů.
U jednostupňového provozu se jedná o konvenční nejméně úspornou regulaci vypínáním a zapínáním hořáku v daném časovém úseku. Oproti dříve používaným malým spínacím diferencím se dnes využívají rozšířené spínací diference obzvláště v období nízkého odběru tepla. Tak se prodlužují doby mezi jednotlivými starty hořáku a optimalizuje se jak regulace, tak úspora energie a snižuje míra znečišťování ovzduší vázaná na start hořáku s tím, že se prodlužuje životnost zařízení. Skutečná doba provozu hořáku je ovlivněna navrženým výkonem kotle a aktuální potřebou tepla. Optimální řešení se nabízí v podobě přizpůsobení velikosti spínací diference zatížení (potřebě tepla). To vede ke stále častějšímu využívání tzv. proměnné spínací diference.
U vícestupňového provozu se setkáváme především s dvoustupňovou regulací. Prodlužuje se doba chodu kotle a tím se zmenšují pohotovostní ztráty. U této regulace se rovněž při nízkém výkonu kotle snižuje teplota spalin a kotel pracuje s vyšším stupněm využití.
Modulovaný provoz kotle je termín vyjadřující plynulou regulaci výkonu kotle v maximálním dosažitelném rozsahu. Vždy však potřebujeme základní výkonový stupeň, tzv. startovací výkon, ze kterého lze plynule zvyšovat zatížení. Regulace se uskutečňuje regulátorem s PI charakteristikou. Modulovaným řízením kotle lze dosáhnout nízkých teplot spalin a tak získat vysoký stupeň využití kotle.

Současné nároky na tepelný komfort a místní regulace
Regulace především teplotních parametrů v jednotlivých místnostech je z hlediska investora a provozovatele jednou z nejkritičtějších technologií v budově, neboť přichází do bezprostředního kontaktu s uživatelem. Legislativní požadavky dané především vyhláškami, č. 193 a 194/2007 Sb., řadí mezi požadovaná regulační opatření:

• Regulace teploty otopné vody v závislosti na venkovní teplotě. Jde o regulaci, která musí být zajištěna především u dodávek tepla pro ústřední vytápění, s výjimkou dodávek tepla z kotelen vybavených násypnými kotli na tuhá paliva.
• Samostatná automatická regulace jednotlivých zón. Jedná se o tzv. zónovou regulaci, která se používá, když je objekt vhodně situován vzhledem ke světovým stranám (zohlednění vnějších tepelných zisků především z oslunění), nebo jednotlivé části budovy vykazují výrazně jinou tepelnou akumulaci a jí odpovídající výrazně odlišné dynamické chování, či jsou části budovy využívány zcela odlišně. U zónové regulace jde např. o regulaci více otopných těles v jediné místnosti (zóně) jedním společným regulačním prvkem a jedním regulátorem či více vytápěných místností zásobovaných jedním hydraulickým okruhem (zónou), vykazujících stejné či velmi podobné tepelně technické chování. O využití zónové regulace musí rozhodnout již projektant techniky prostředí staveb a příslušným způsobem dělit soustavu do zón.
• Místní (individuální) automatická regulace v jednotlivých vytápěných místnostech. Místní regulace zpravidla vychází z použití termostatických regulačních ventilů (TRV).

V našich podmínkách se místní regulace týká především ústředního vytápění. U budov se systémem rozvodu vzduchu pak ventilátorových konvektorů (fancoil), případně boxů CAV/VAV. Méně obvyklé je zajišťování místní regulace chladicích panelů.
U ústředního vytápění je nejčastějším řešením využití termostatických regulačních ventilů (TRV) u otopných těles, opatřených proporcionálním regulátorem (termostatickou hlavicí). Poněkud komfortnější případ představuje ventil s vestavěným ovládačem a odděleným - dálkovým snímačem teploty, ventil s oddělenou kombinací dálkového ovládače a snímače teploty či ventil s odděleným dálkovým snímačem a dálkovým ovládačem. Dalším krokem k úsporám energie je instalace elektronického regulátoru a elektromotorického nebo elektrotermického pohonu. Vědecké experimenty stran místní regulace prokázaly, že využitím elektronických regulátorů s elektronickým ovládáním oproti proporcionálním regulátorům (termostatickým hlavicím) je možné dosáhnout snížení spotřeby tepla až o 8 %. U ventilátorových konvektorů (fancoil) se s místní regulací teploty sdružuje ještě regulace otáček ventilátoru. Otáčky ventilátoru jsou při automatické regulaci odvozeny z míry otevření regulačního ventilu otopné či chladicí vody, tj. z vlastní regulační odchylky.

Využívání DDC systémů a nástup fuzzy logiky
Přes programovatelné časové spínače, programovatelné pokojové termostaty a regulátory s pevným algoritmem se dostáváme až k volně programovatelným regulátorům. Tato technika se může skládat u DDC (Direct Digital Control) regulačních systémů z programovatelné řídicí jednotky s pamětí na rovině vstupů a výstupů. Jde tedy zároveň o regulátory víceparametrové, které svou ústřední částí dokáží obsáhnout i několik funkcí, provádět několik druhů a způsobů regulace, a zároveň dokáží pracovat se všemi potřebnými snímači a výstupními obvody najednou. Do této oblasti lze zařadit i ústřední části adaptivních, duálních a samoučících se regulačních stanic včetně, fuzzy regulátorů.
Alternativním přístupem k řízení, přinášejícím další úspory energie, je využití fuzzy regulátorů. Ty mají obecně nelineární charakteristiku a jejich strukturu lze vyjádřit pomocí lingvistických pravidel. K vytváření automatického generování fuzzy pravidel se používá zpracování všech dostupných znalostí o řízeném procesu, včetně naměřených dat.

Regulace podlahového vytápění
Teplovodní podlahové vytápění klade na regulaci výkonu podlahové otopné plochy obdobné nároky, jako teplovodní vytápění s jinými otopnými plochami. Hlavním rozdílem, který bychom měli respektovat, je akumulační schopnost podlahové otopné plochy a s ní související odlišná setrvačnost náběhu, resp. reakce otopné plochy na regulační zásah.
U regulace podle vnitřní teploty se změna poruchové veličiny projeví na teplotě místnosti téměř okamžitě. Odpovídající reakce akčního členu, která by měla vliv na odstranění regulační odchylky, se pro velkou akumulační schopnost podlahového vytápění projeví s velkým zpožděním. Vzhledem k této skutečnosti se použití regulace podlahového, vytápění podle teploty místnosti spoléhá na tzv. samoregulační schopnost podlahové otopné plochy. Použití je opodstatněné v případech, kdy podlahová otopná plocha zajišťuje pouze příslušnou povrchovou teplotu podlahy, ale tepelné ztráty místnosti pokrývá z větší části jiná otopná soustava, která má schopnost reagovat mnohem dynamičtěji (např. podlahové konvektory s ventilátorem).
Regulaci podle teploty venkovního vzduchu odpovídá funkční zapojení, složené z regulátoru, snímače teploty venkovního vzduchu a snímače teploty otopné vody. Akčními členy jsou směšovací trojcestný ventil či dvoucestný ventil v zapojení pro směšování v pevném bodě potrubní sítě. V případě velkých směšovacích poměrů, které by bylo obtížné zajistit vzhledem k charakteristikám směšovacích armatur, projektujeme i pevný zkrat, neboť jen tak zajistíme u regulační armatury regulovatelnost v širokém rozsahu zdvihu. Použitelná je rovněž regulace kvantitativní s využitím škrticího dvoucestného regulačního ventilu.
V regulátoru je nastavena příslušná otopná křivka. Při změně venkovní teploty regulátor dává povel k přestavení např. trojcestné armatury tak, aby teplota přívodní otopné vody odpovídala geometrické venkovní teplotě. I zde se však odpovídající reakce akčního členu díky velké setrvačnosti náběhu podlahového vytápění projeví na změně regulované veličiny s velkým zpožděním. U klasického ekvitermního regulátoru se tak musíme opět spolehnout na tzv. samoregulační schopnost podlahové otopné plochy.
Samoregulační schopnost podlahové otopné plochy vychází ze základního definičního vztahu pro přestup tepla na otopné ploše. Pro měrný tepelný výkon podlahové otopné plochy je určující rozdíl povrchové teploty podlahy a teploty vzduchu. Změní-li se teplota vzduchu, změní se i měrný tepelný tok.

Celkový součinitel přestupu tepla v sobě respektuje jak sálání, tak konvekci a je uvažován

Kriteriální rovnice pro určení součinitele přestupu tepla konvekcí nám však v naprosté většině neposkytují příliš velikou přesnost a jsou vždy omezeny jen na konkrétní případ za definovaných okrajových podmínek. Lze proto pro určení samoregulační schopnosti podlahové otopné plochy vyjít z experimentálně stanovených hodnot výkonů, s respektováním tepelně technických a geometrických vlastností otopné plochy. Respektování výše uvedených vlastností postihne teplotní exponent podlahové otopné plochy, který je roven n = 1,1. Rozhodující vztah, ukazující nám samoregulační chování podlahové otopné plochy v závislosti na změně vnitřní teploty, vypadá následovně:

Uvažujme např. teplotu podlahové otopné plochy (OP) t_P = 26 °C a pro teplotu vzduchu:
a) ti = 20 °C, pak je q = 64 W/m²
b) ti = 22 °C, pak je q = 41 W/m²
Vidíme, že díky tzv. samoregulační schopnosti podlahové otopné plochy dojde ke snížení měrného tepelného výkonu, ale za cenu zvýšení teploty vzduchu ve vytápěném prostoru, a tudíž i tepelné ztráty. To, že při výše uvedených dvou způsobech regulace spoléháme také na samoregulační schopnost podlahové otopné plochy znamená, že po dobu, než se projeví odezva na regulační zásah (např. 2,6 hod.), je požadovaná hodnota regulované veličiny stále překračována.
Ekvitermní regulace se zpětnou vazbou na vnitřní teplotu je u podlahového vytápění možnou variantou optimalizace regulačního procesu. Vzhledem k vnějším a vnitřním tepelným ziskům vstupuje do ekvitermní regulace zpětná vazba z prostoru. Abychom dosáhli požadovaných výsledků, je třeba použít tzv. samo adaptivní regulátor se schopností ?učit se?. Regulátor si na základě dříve uložených a vyhodnocovaných dat sám koriguje otopnou křivku v souladu s předjímaným časovým průběhem teplot. Jinými slovy dá např. povel k přenastavení trojcestné směšovací armatury o např. 2,2 hod. dříve, na základě vyhodnocení průběhů venkovní a vnitřní teploty z minulých dní a předpokládaného současného trendu vývoje teplot. Zároveň zpětně koriguje své ?rozhodnutí? na základě aktuálně snímaných teplot a přizpůsobuje se na nové podmínky.
Použití konvenčních regulátorů pro podlahové vytápění vede k více či méně významným odchylkám od žádané hodnoty teploty vnitřního vzduchu. Samo-adaptivní regulátor nabízí vhodnou alternativu pro komfortní regulaci teploty vzduchu ve vytápěném prostoru. Parametry regulátoru se vhodně nastavují, regulační zásah se přizpůsobuje předpokládané reakci místnosti, resp. otopné plochy a kvalita regulace se zlepšuje.
Práce vznikla s podporou Výzkumného záměru MSM 6840770011 Technika životního prostředí.

Použitá 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] Felsmann, C., Knabe, G.: Test von Reglern für Fußbodenheizungen. In: Heizung Lüftung/Klima Haustechnik, Bd. 53, 8/2002. s. 75-82. ISSN 1436-5103
[4] Bašta, J.: Regulácia výkonu zdrojov tepla. In: Stavebnícka ročenka 2003. Vydavateĺstvo Jaga Group, v.o.s., Bratislava 2002. s. 177-181. ISBN 80-88905-82-6
[5] Knabe, G.: Regeldynamisches Verhalten von Räumen mit Niedertemperaturheizungen. Stadt- und Gebäudetechnik 38 (1984) [6] Firemní podklady