Riadenie tepelnej pohody v rodinných domoch z hľadiska optimalizácie spotreby energií

V čase schvaľovania investícií sa predkladajú návrhy na energetické zariadenia v modernom rodinnom dome. „Generálny“ projektant technologických zariadení navrhuje celkovú koncepciu tepelných a chladiacich zariadení, riadenie systému merania a regulácie
a v neposlednom rade systémy human na obsluhu a zásahy obsluhy do regulačných systémov. Pri predkladaní návrhu projektu je určené, aké technologické zariadenia budú implementované v modernom rodinnom dome. Ide hlavne o kondenzačné kotlové jednotky, tepelné čerpadlá, solárne panely, kozubové jednotky, kotly na pevné palivo, chladiace stropy atď. Dôležitou úlohou je skĺbiť riadenie všetkých technologických zariadení pomocou kompatibilného riadiaceho systému.

Hlavnou úlohou projektantov jednotlivých technologických celkov je navrhnúť mechanické zapojenie nosičov tepelných médií a osadenie ventilov so servopohonmi, snímacích prvkov, tepelných a chladiacich zariadení, ovládacích prvkov pre tieto zariadenia a nakoniec elektrických a elektronických zariadení. Projektanti musia pri týchto činnostiach úzko spolupracovať, aby sa zabezpečila optimalizácia zložitosti zariadení, ich efektívne využitie, úspory energií, ako aj jednoduchosť a komfort obsluhy.

V úvodnej etape a pri vyčleňovaní investícií na realizáciu sa pozornosť sústreďuje len na úsporu energií, tepelnú pohodu a komfort obsluhy jednotlivých zariadení. Tým vznikajú nedostatky pri projektovaní hlavne v oblasti zabezpečenia optimalizácie zložitosti zariadení. Z dôvodu spolupráce tepelných zdrojov neúmerne narastá hlavne počet regulačných prvkov, elektricky ovládaných servopohonov, ktoré zabezpečujú prepínanie medzi jednotlivými tepelnými zdrojmi.

V praxi to znamená, že jednotlivé elektricky poháňané ventily zohrávajú kľúčovú úlohu pri zabezpečení tepelnej pohody v obývaných priestoroch. Porucha jedného z týchto servopohonov môže vyradiť z činnosti celý tepelný a chladiaci systém. Uvedené technologické zapojenie musí zohľadňovať aj požiadavky na tepelné a chladiace médiá pre zariadenia, ktoré v rámci svojej optimálnej ekonomickej prevádzky musia mať dodržané parametre vratného média, napr. tepelné čerpadlá, nízkotepelné kotly, prípadne kotly na tuhé palivo. Nedodržanie týchto parametrov vedie k zníženiu účinnosti alebo k poruchovosti zariadenia. V prípade technologického zapojenia zariadení mimo hlavných zdrojov tepla alebo chladu v obytných priestoroch treba dbať na účelnú dispozíciu rozvodov podľa príslušnej obsadenosti – ide o tzv. zónové rozvody a reguláciu.

Ovládanie systémov regulácie tepelnej pohody musí byť jednoduché, prístupné a odolné neodborným a kontraproduktívnym zásahom. Ak chceme dodržať všetky atribúty, musíme venovať veľkú pozornosť okrem komerčnej stránky moderného rodinného domu aj technologickému manažmentu pri projektovaní a uvádzaní zariadení do prevádzky. Jeho úlohou je optimálne skĺbiť prevádzku tepelných zariadení a riadiaceho systému merania a regulácie s cieľom dosiahnuť tepelnú pohodu a optimálneho využitia energií.

Moderný rodinný dom disponuje tepelným zdrojom, ktorý môže obsahovať tepelné čerpadlo. Veľmi častým prípadom v prevádzke tepelných čerpadiel je, že vratné médium na sekundárnej strane nesmie prekročiť predpísanú teplotu, aby nedochádzalo k jeho prehrievaniu. Tento prípad nastáva, ak je vratné médium privedené zo zásobníkových nádrží, v ktorých je teplota udržiavaná aj z iných tepelných zdrojov, napr. solárnych kolektorov. Problémom je, že teplota v zásobníkovej nádrži hlavne v prechodných obdobiach nemusí dosahovať hraničné hodnoty nabíjania zásobníka teplej úžitkovej vody. V takýchto prípadoch dochádza k častému spínaniu kompresorov tepelného čerpadla, nakoľko teplota vratného média pre tepelné čerpadlo je vysoká a časté spínanie čerpadla znižuje ich životnosť a prispievak ich poruchovosti. Tento problém nevyrieši žiadna modifikácia v softvéri riadiaceho systému a musí sa pristúpiť k technologickej úprave. Okrem uvedeného, spoločné zásobné nádrže na teplú vodu, ktoré sú tzv. nabíjané z tepelného čerpadla, prípadne solárneho kolektora alebo z tepelného kozuba, vyžadujú komplexné riadenie systémom a neustály riadiaci dohľad nad servopohonmi. Porucha jedného zo servopohonov spôsobí zlyhanie celého tepelného systému.

Na druhej strane v prípade použitia kotla na tuhé palivo je situácia ešte zložitejšia, nakoľko nemožno zastaviť jednoduchým vypnutím. Z tohto dôvodu treba zabezpečiť v prípade výpadku sieťového napätia funkciu servopohonov a čerpadiel, aby nedošlo k poškodeniu kotlových jednotiek. Ak nie sú k dispozícii náhradné sieťové zdroje, treba zabezpečiť inštaláciu servopohonov s vratnou pružinou s bezpečnostnou polohou.

Pri inštalácii plynových kotlov treba v rámci technologického manažmentu zvážiť použitie nízkotepelného alebo kondenzačného kotla. V prípade systému podlahového kúrenia treba počítať s inštaláciou kondenzačného kotla, ktorý má široké spektrum výstupných teplôt. Riadiaci systém musí mať okrem možnosti spínania kotlovej jednotky aj možnosť riadenia výstupnej teploty z kotlovej jednotky. To umožňuje kontinuálne riadiť tepelný výkon v závislosti od požiadaviek tepelných spotrebičov.

Z hľadiska chladiaceho zariadenia a kotlových jednotiek treba zabezpečiť tzv. pásmo nulovej energie hlavne v prechodných obdobiach, aby nedochádzalo k prekrývaniu prevádzky týchto zariadení. Podľa skúseností z prevádzky zariadení pri zabezpečení tepelnej pohody sa stretávame s rozdielnymi pomermi pre výrobu tepelnej energie a jej následnej požadovanej spotreby. Príkladom sú nízkoteplotné kotly, ktoré majú predimenzovaný výkon pre podlahové kúrenie, prípadne solárne panely vs. zásobníkové nádrže alebo tepelné čerpadlo s poddimenzovanou výstupnou teplotou pre ohrievače vzduchotechnických jednotiek na klimatizovanie priestorov.

Záverečnou úlohou technologického manažmentu je pristúpiť ku komplexným skúškam všetkých technologických celkov. Tieto skúšky musia preukázať súčinnosť všetkých systémov na zabezpečenie tepelného komfortu, náležité správanie systému v prípade výskytu alarmových stavov a možnosť zasahovať do správania systému pomocou periférií riadiaceho systému. Na jednej strane musia komplexné skúšky preukázať maximálne dosiahnuté parametre tepelných systémov a na druhej strane správanie systému
v štandardných parametroch, keď musí byť tiež optimálna distribúcia tepla alebo chladu do priestorov.

Z tohto dôvodu musia byť komplexné skúšky vykonané v zimnom alebo letnom období. Na základe skúseností z prevádzky riadiacich systémov a systémov merania a regulácie treba pri návrhu systémov, inštalácií, realizácií a uvádzaní do prevádzky venovať pozornosť technologickému manažmentu, ktorý má skĺbiť funkcie jednotlivých tepelných zdrojov, akčných a snímacích prvkov a optimalizovať prevádzku, prípadne vyvolať a vykonať nevyhnutné zmeny ešte v čase inštalácie. Uvedené zmeny majú vplyv na následnú prevádzku, údržbu a návratnosť investícií.