Obecně o regulaci Princip ETATHERM Energetický aspekt volby akčních členů

OBECNĚ O REGULACI VYTÁPĚNÍ

Otopné soustavy jsou ve smyslu příslušných norem projektovány a dimenzovány podle tepelných ztrát vytápěného objektu a pro nejnižší venkovní teplotu v daném regionu; v našich krajích jde o teploty cca -15°C (-18°C). Skutečný počet dnů s takto nízkými teplotami je však nepatrný a otopná soustava je tak po většinu trvání topné sezóny značně předimenzovaná. Její výkon je třeba snižovat a k tomuto účelu slouží právě nejrůznější způsoby regulace. Dalším důvodem k regulaci je také dosažení tepelné pohody, což je ovšem také dosti individuální záležitost.

V současné době se pro vytápění používají především otopné soustavy: Pomineme-li velmi jednoduché formy ovládání výkonu otopné soustavy, lze pro účely tohoto výkladu rozdělit oblasti regulace na:

REGULACE ZDROJE

Týká se samozřejmě pouze otopných soustav teplovodního vytápění. Do nedávné doby byly běžně používány pouze dva základní principy:

Regulace pokojovým termostatem v referenční místnosti

Ve vytápěném objektu je vybrána místnost, jejíž teplotní režim je určen jako vztažný a rozhoduje o míře vytápění celého objektu. V rodinném domku to může být např. obývací pokoj, v administrativní budově vhodně vybraná kancelář a podobně. Jakmile je v této místnosti dosaženo požadované teploty, je pokojovým termostatem vyslán povel zdroji s požadavkem jeho vypnutí či potřebného omezení okamžitého výkonu. Dojde-li naopak ke snížení teploty v referenční místnosti pod požadovanou míru (což je dáno citlivostí, resp. hysterezí termostatu), obdrží zdroj povel k zapnutí či zvýšení okamžitého výkonu.

Praktická provedení termostatů mohou být rozličná. Od nejjednodušších prostých termostatů s jediným ovládacím kolečkem (potenciometrem) k nastavení požadované teploty až po komfortní programovatelné termostaty s možností nastavení několika různých útlumů během dne; ve spolupráci s dostatečně inteligentním kotlem i možností relativního plynulého automatického nastavování okamžitého výkonu kotle (jen v určitém rozsahu).

Ekvitermní regulace

Zabezpečuje přizpůsobení okamžitého výkonu otopné soustavy aktuální venkovní teplotě prostřednictvím regulace teploty otopného média. Bude-li pro minimální venkovní teplotu (např. -15°C) potřebná teplota náběhové vody 90°C, stanoví projekt, jaké teploty náběhové vody budou potřebné pro jiné (vyšší) venkovní teploty. Tato závislot se ve formě vhodně zvolené křivky zadá ekvitermnímu regulátoru. Možná je i kombinace s pokojovým termostatem.

Technicky se potřebné teploty náběhové vody dosahuje zpravidla směšováním teplé vody z kotle s vratnou vodou ve směšovací armatuře řízené elektrickým pohonem z ekvitermního regulátoru.

Konstrukce a možnosti ekvitermních regulátorů jsou rozmanité, mohou být i s časovým programem vhodných útlumů a podobně. Problémem je umístění venkovního čidla s ohledem na jeho případné oslunění či další (povětrnostní) vlivy.

Regulace zdroje tepla oběma výše popsanými metodami byla v minulosti dosti široce využívaná. I dnes je její použití časté - zejména proto, že ji agresivně doporučují a dodávají výrobci kotlů. Je to pochopitelné, neboť regulací zdroje nelze řešit řízenou distribuci tepla do jednotlivých částí objektu. To je bohužel hranice, kterou tyto regulátory nemohou překročit.

Prakticky to znamená, že např. v rodinném domku s termostatem v obývacím pokoji musím tuto místnost vytápět vždy, když chci mít teplo v kterékoliv další místnosti a to i v případě, že obývací pokoj v tomto čase nikdo využívat nebude.

Další problémy vznikají působením vnějších vlivů - např. osluněním.

Bude-li svítit slunce do referenční místnosti, termostat dříve vypne a ostatní (i neosluněné) místnosti budou chladnější, než je obvyklé. Naopak, budou-li osluněny pouze některé jiné místnosti (nikoliv referenční), otopná soustava to nijak nezaznamená a tyto místnosti budou přetápěny. Nelze jednoduše efektivně zabezpečit např. běžnou situaci při ranním vstávání. Požadavkem je zpravidla přiměřeně vytopit koupelnu, kuchyni a jídelnu; musíme však (zbytečně) vytápět i obývací pokoj s termostatem a všechny ostatní místnosti. Večer, kdy je využíván především obývací pokoj se zase zbytečně vytápějí zbylé místnosti.

Systém je neefektivní a neekonomický. U ekvitermní regulace bez použití pokojového termostatu je situace obdobná.

Poznámka k vypínání kotlů

Ve vytápěném objektu nastává během topného období řada časových úseků, ve kterých není potřebná dodávka tepla z kotle. Může to být např. každodenní zařazení teplotních útlumů na začátku noci, kdy tepelná setrvačnost objektu způsobuje jeho pomalé (několikahodinové) chládnutí na útlumovou teplotu. Pravidelně taková situace nastává především v přechodných obdobích (září-listopad, březen-duben), kdy bývá potřebné topit prakticky jen ráno a navečer, protože během dne stačí k vyhřátí ještě dosatečně intenzivní sluneční svit při nepříliš nízkých venkovních teplotách. V takových situacích může být kotel zcela vypnut. Jsou však kotle, kterým tento režim neprospívá. Jedná se především o kotle ocelové, u kterých především při zátopu studeného kotle (a navíc při souběžně spuštěném čerpadle) dochází k orosení ocelového výměníku a "nízkoteplotní korozi". Existuje několik možností, jak tento nežádoucí vliv omezit (rozběh čerpadla až při dosažení určité teploty náběhové vody, zařazení nádrže pro akumulaci ohřáté vody), většina výrobců však vyžaduje trvalé dodržení určité minimální teploty výměníku (cca 40-50°C), což se řeší směšovací armaturou (trojcestným či čtyřcestným ventilem). Takto nahřátý kotel však tuto energii vyzařuje do svého okolí a teplo částečně odvádí i komín. S touto nepříjemnou komplikací je třeba počítat při rozhodování o výběru kotle při jeho pořizování.
Tento problém se nemusí týkat elektrických kotlů, které nemají odtah do komína a lze je relativně dobře tepelněizolovat.

REGULACE OTOPNÝCH TĚLES

Metody regulace zdroje tepla jsou na hranici svých možností a s výjimkou nepatrného zvyšování účinnosti jednotlivých prvků otopné soustavy je již nelze dále rozvíjet. Zásadním krokem vpřed je metoda nesoučasného vytápění jednotlivých místností; jejím cílem je vytápět jednotlivé místnosti na takové teploty, které jsou v daném čase požadované a potřebné. Znamená to ovšem jednoznačně přechod od regulace zdroje k regulaci výkonu otopných těles (u teplovodních radiátorů tedy omezováním průtoku otopného média radiátorovým ventilem). Nejde již o regulaci teploty otopné vody, ale o regulaci průtoku - tedy množství otopné vody. Tato změna regulačního principu má rovněž dopad na hydrauliku otopné soustavy (zabezpečení rovnoměrného zaplavování jednotlivých větví otopné soustavy a dodržení určitého rozmezí diferenčního tlaku vyvozovaného oběhovým čerpadlem).

Ruční regulace

Ruční otevírání a uzavírání radiátoru jeho kohoutem je nejprostší metodou regulace. Lidská obsluha je však pracná, drahá a nespolehlivá. Ve stávajících objektech jsou kohouty často již nepohyblivé vlivem usazeného vodního kamene či jiných nečistot a tak i samotná možnost ruční regulace nepřipadá prakticky v úvahu.

Termostatické hlavice

Ventily s termostatickými hlavicemi jsou přímočinné proporcionální regulátory s malým pásmem proporcionality. Nepracují s žádnou pomocnou energií a reagují na odchylku mezi nastavenou a skutečnou teplotou v místnosti. Používané pásmo proporcionality bývá zpravidla 2K (tedy např. při 20°C bude ventil otevřen, při 22°C uzavřen). Teplotní čidlo hlavice je založeno na tepelné roztažnosti pracovní látky (vosk, speciální kapalina); při ohřátí se látka roztahuje v pružné nádobce (vlnovci) a tlačí na kuželku ventilu uzavírajícího průtok otopného média radiátorem. Požadovaná teplota se nastavuje ručně prostřednictvím otočné části hlavice.

Pro uspokojivou funkci otopné soustavy s termostatickými ventily je nezbytné její poměrně dokonalé hydraulické vyvážení zabezpečující stejnou tlakovou ztrátu každého otopného tělesa a stabilní průtok jednotlivými částmi otopné soustavy ve všech situacích. Tohoto stavu lze většinou uspokojivě dosáhnout u nových staveb při pečlivém projektování i vlastní montáži. Problémem jsou rekonstrukce stávajících otopných soustav. Náklady na jejich dodatečné vyvážení často přesáhnou cenu vlastního pořízení nových termostatických ventilů; při podcenění této nezbytné podmínky bývají výsledky často žalostné.

Reakční doba termostatické hlavice je relativně velmi dlouhá. Při jejím regulačním zásahu navíc dochází ke vzájemnému ovlivňování ostatních hydraulických okruhů - změna průtoku jedním ventilem ovlivňuje změnu průtoku jinými ventily a naopak. Dokonalé vyvážení je tedy prakticky vyloučené, nestabilita soustavy může způsobovat i její kmitání. Řešením může být použití speciálních radiátorových ventilů s integrovaným regulátorem diferenčního tlaku (které se objevily až v nedávné době a jejich cena je výrazně vyšší) nebo elektronické regulační soupravy s dostatečně rychlou reakcí, která vzniklá nevyvážení rychle kompenzuje.

Praktickou provozní nevýhodou termostatických hlavic je nebezpečí jejich zatuhnutí působením vodního kamene a jiných nečistot. Nastává zpravidla po skončení letního období, kdy hlavice byla několik měsíců bez pohybu; doporučení výrobce k občasnému ručnímu protočení na tom jen stěží něco změní.

Systémovou nevýhodou termostatických hlavic je absence časového (programového) řízení.

V rodinném domku jde např. o klasickou situaci: "jak nastavit hlavice při odchodu do zaměstnání a škol". Nastaví-li se všude útlumové teploty, vrací se obyvatelé do prochladlého bytu a relativně dlouho čekají na jeho vyhřátí. Ponechají-li se hlavice v nastavení teplot komfortních, vytápí se po celou dobu nepřítomnosti osob zcela zbytečně. Obdobných situací je v průběhu dne celá řada.


Kombinované regulace

Ve snaze o odstranění některých nevýhod výše uvedených regulací vznikla celá řada kombinovaných systémů; mezi hlavní z nich patří:

Rozbor jednotlivých aplikací se již vymyká rozsahu tohoto článku. Ve stručnosti lze říci, že některé aplikace dosahují určitého mírného zlepšení (regulace jednotlivých zón může být jistě přesnější než regulace celku), některé jsou sporné (kombinace ekvitermní regulace s množstevní regulací termostatickými hlavicemi má většinou neblahý vliv na hydraulické vyvážení a hlavice degraduje do pozice limiterů maximální teploty). Dá se očekávat, že jejich význam postupně vymizí s nástupem nových koncepcí využívajících možností elektroniky.


Rozvoj elektroniky umožnil reálnou a cenově přístupnou konstrukci systémů pro individuální regulaci vytápění jednotlivých místností (IRC - individual room control). Celková spotřeba tepelné energie v objektu se skládá ze součtu energetických spotřeb jeho jednotlivých částí (místností). Snížení teploty v kterékoliv místnosti se svým dílem příznivě projeví ve snížení celkové spotřeby energie. Rádoby "kvalifikovaná" tvrzení o tom, že dotopení místnosti po předchozím útlumu znamená celkově vyšší spotřebu ve srovnání s trvalým vytápěním, jsou nesmyslná; odporují zdravému rozumu i zákonu o zachování energie. Elektronické regulační soupravy snadno dosahují vyšší přesnosti regulace a mají bohaté programové možnosti. Jednou z mnoha samozřejmostí bývá např. občasné automatické "procvičení" ventilu zabraňující usazování vodního kamene s nebezpečím zatuhnutí ventilu.

Jednotlivé druhy systémů IRC se mezi sebou liší především typem použitého akčního členu (termopohon, servopohon) a také systémem komunikace řídicí centrály s akčními členy.

Elektronická regulace dvoustavová s termopohony

Běžný termopohon je zařízení, které vychází z principu termostatické hlavice. Řídicí veličinou však není teplota okolí, nýbrž teplo vestavěného topného článku vyhřívaného přivedeným elektrickým proudem. Termopohony jsou vyráběny jak pro síťové napájení 230V, tak i pro napětí nižší (24V). Připojují se dvěma neorientovanými vodiči. Přivedením proudu dojde k ohřátí vlnovce a uzavření ventilu, po odpojení proudu se ventil opět otevře; existují však i termopohony s funkcí opačnou. I na termopohon přirozeně působí také teplota okolí, což může v některých případech ovlivnit jeho funkci (např. při umístění na rozdělovači podlahového topení). Termopohon má proto definován pracovní režim v určitém pásmu okolních teplot a pro správnou funkci je nezbytné tuto vlastnost respektovat. Z téhož důvodu rovněž nelze v žádném případě doporučit jakékoliv dodatečné úpravy konstrukce těchto členů, případně dodatečné doplňování termostatických hlavic topnými články.

Základní nevýhody běžných termopohonů:

Od okamžiku přivedení proudu do termopohonu k jeho uzavřeníuplyne určitá doba - elektrická energie se musí změnit na tepelnou, "ohřát" vlnovec a ten teprve svým roztažením uzavře ventil. Tato doba se v praxi pohybuje v rozmezí od cca 3 do 15 minut (možnost zkrácení této doby krátkodobě zvýšeným příkonem existuje, přináší však určité komplikace na straně termopohonu i napájecích obvodů). Při odpojení proudu do termopohonu musí vlnovec opět zchládnout a pak teprve ventil otevře. U "pomalejších" termopohonů tak dochází např. k nežádoucímu zaplavování radiátoru horkou vodou při nedostatečně rychlém uzavření ventilu v situaci, kdy požadované teploty v místnosti již bylo dosaženo.

grafický průběh

Běžný termopohon pracuje v režimu dvou stavů: otevřen/uzavřen. Regulace teploty vzduchu v místnosti se tedy provádí střídavým zapínáním a odpínáním elektrického napájení termopohonu. Subjektivní pocit uživatele z takového způsobu regulace závisí i na dalších faktorech otopné soustavy (typu radiátoru, setrvačnosti, množství vody v soustavě, atd.), ale obecně nemusí být příjemný. Pocitový vjem se totiž skládá jak z vnímání teploty vzduchu, tak teploty povrchu stěn (a tedy i radiátorů).

Jak vyplývá z principu činnosti, termopohony vyžadují trvalé napájení (tedy jak k přepnutí stavu, tak k udržení v jedné z možných poloh). Tento fakt předurčuje koncepci řídicí elektroniky a představuje jistá omezení. Je-li termopohon napájen, odebírá cca 2 ÷ 3 W elektrické energie, což u většího počtu řízených radiátorů představuje za topnou sezónu nikoliv nezanedbatelnou energii. Viz detailní rozbor v článku Energetický aspekt volby akčních členů.

Kromě běžných dvoustavových termopohonů existují v nabídce některých předních světových výrobců i modely s možností plynulého ovládání (zpravidla řídicím napětím 0 - 10V). Jedná se však o poněkud odlišnou kategorii výrobků v jiné cenové hladině.

Elektronické regulace s termopohony jsou řešeny zpravidla s centrální řídicí jednotkou osazenou mikropočítačem. Prostřednictvím teplotních čidel jsou snímány teploty v jednotlivých místnostech, porovnávány s požadovanou (programovanou) teplotou a na základě výsledku jsou spínány či odepínány příslušné termopohony. Českým výrobcem těchto regulačních souprav je firma TRASCO, s.r.o. z Rožnova pod Radhoštěm (www.trasco.cz).

Elektronická regulace plynulá se servopohony

Servopohon je akční člen, jehož vlastnosti jsou pro konstrukci programově řízeného vytápění velmi vhodné. První takovou vlastností je plynulé ovládání průtoku otopného média škrcením radiátorového ventilu. Servopohon obsahuje malý elektromotorek a převodovku s ozubenými koly ze speciálních plastových materiálů a výstupním šnekovým šroubem. V nabídce předních světových výrobců patří mezi špičkové elementy regulačních souprav v příslušné cenové relaci. Tento princip využívá firma ETATHERM ke konstrukci svých elektronických hlavic od počátku své existence, přičemž cenové relace celé regulační soupravy jsou přinejmenším srovnatelné se soupravami používajícími termopohony. Druhou skvělou vlastností servopohonu s elektromotorkem je jeho paměťová funkce - mechanismus je samodržný a nastavenou polohu si zachová i při odpojeném napájení. Elektronické hlavice se servopohony tak lze řídit v určitých (pravidelných) intervalech nepatrnou energií i při jejich nasazení ve velkých množstvích.

Jediným negativním projevem servopohonu může být jeho hluk při činném chodu způsobený hlukem motorku a převodovky. Tomuto problému věnovala firma ETATHERM značnou pozornost a provedla řadu opatření v mechanické konstrukci i optimalizaci řízení běhu mechanismu. Je třeba připustit, že v prvních letech výroby se objevovaly hlavice, jejichž hluk byl relativně značný. Přesto však (díky krátkému běhu servopohonu při regulačním zásahu) tento problém nebyl uživateli vnímán jako zásadní a i dnešní ohlasy starších zákazníků jsou vesměs pochvalné. Po provedení konstrukčních změn a převedení výroby přímo do vlastní firmy byla hladina hluku výrazně snížena. Hluk takových hlavic byl vnímán pouze při soustředěném poslechu ve velmi tichém prostředí; plně snese srovnání s předními zahraničními výrobky mnohem vyšších cenových relací.
V roce 2007 uvedla firma ETATHERM na trh hlavice řady HS, které používají bezkomutátorové motorky. Jejich hlučnost je zcela nepatrná a běžně nepostřehnutelná.

Elektronické regulační soupravy pro individuální řízení teplot jednotlivých místností vyžadují komunikaci akčních členů s řídicí jednotkou. Tato komunikace musí být spolehlivá a měla by být instalačně snadná.

ETATHERM používá vlastní dvouvodičovou sběrnici, ke které se jednotlivé hlavice (moduly) připojují v libovolném místě a libovolném pořadí (z jedné řídicí jednotky 2 větve, každá po osmi adresách s max. třemi hlavicemi na jedné adrese). Sběrnice zabezpečuje komunikaci i napájení hlavic, napětí na ní nepřevýší 10V; jde tedy o velmi jednoduchou instalační záležitost.
Další podrobnosti o možnostech soupravy ETATHERM jsou uvedeny na příslušných stránkách tohoto serveru.

Soupravy IRC nabízí řada významných světových výrobců (Honeywell, Landis&Staefa, ...), jedná se však většinou o velké hierarchické struktury značně vysoké ceny. Některé dnešní koncepce používají i bezdrátovou komunikaci mezi řídicí centrálou a elektronickými hlavicemi. Na první pohled je to ideální řešení (byť za vyšší cenu); problematické je napájení hlavic vnitřními bateriovými články (zpravidla 2 ÷ 3 tužkové články) - nebezpečí nespolehlivých kontaktů a nutnost výměny článků po jejich vybití výhodu bezdrátové komunikace značně degraduje.
Na trhu jsou také samostatné elektronické hlavice (Honeywell) s programátorem, napájené bateriemi (bez vazby na centrální řízení).

Centrální řízení má při regulaci domku, bytů, škol, hotelů, ... nezastupitelnou roli. Umožňuje totiž prostřednictvím řídicí jednotky:

Běžnou možností dnešních regulací s centrální řídicí jednotkou (nebo jednotkami) je jejich připojení k osobnímu počítači. Pomocí dodaného programu (ETATHERM své programy nabízí zdarma) lze řídicí jednotku programovat, konfigurovat i jinak ovládat s mnohem vyšším komfortem. PC rovněž umožní archivaci mnohých dat, sad programů atd. S rychlým průnikem PC do domácností je tato funkce regulační soupravy vysoce oceňována. U velkých objektů (hotely, školy, ...) je využití PC praktickou nutností.


Regulace přímotopného elektrického vytápění

Do této skupiny jsou často zařazovány také elektrické kotle, tepelná čerpadla, elektricky vyhřívané zásobníky, atd.; pro účely tohoto výkladu jsou tato zařízení považována za zdroje teplovodního vytápění.

Skutečně přímotopnými topidly jsou tedy:

Ve smyslu předchozího výkladu platí, že plynule regulovatelná topidla poskytují vyšší komfort oproti dvoustavové regulaci zapnuto/vypnuto. Obecně to platí přirozeně i pro elektrická topidla. Prakticky se však plynulá regulace výkonu používá zřídka. Důvodem jsou značné komplikace regulačních členů (nutnost odvodu ztrátového tepla spínacích triaků, nutnost náročného odrušení či "spínání v nule" potřeba bezpečného galvanického oddělení) a z toho plynoucí jak vysoká cena, tak instalační potíže (rozměry členů, odvod ztrátového tepla). Z obecného pohledu vychází proto pro regulaci elektrických topných těles jako optimální regulace spínacími relé. U těchto prvků totiž nenastávají zpoždění obvyklá u termopohonů a dvoustavová regulace je při obvyklých časových konstantách elektrických topidel dostatečná - při rozumné hysterezi teplotních snímačů a četnosti regulačních zásahů centrálního systému.

U souprav ETATHERM jsou použita paměťová relé a regulační protokol provádí kontrolu každé čtyři minuty. Vzhledem ke zvolené koncepci paměťových koncových členů lze jakkoliv kombinovat regulaci elektrických i teplovodních otopných těles v rámci jediné řídicí jednotky.