Regulace spotřeby energie v domech a bytech

Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra Informatiky a kvantitativních metod

Regulace spotřeby energie v domech a bytech (Úvaha a výpočty nad systémem) Bakalářská práce

Autor:

Lukáš Kalivoda Informační technologie

Vedoucí práce:

Praha

Ing. Martin Uher

04/2015

Prohlášení Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou pouţitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, ţe odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámen se skutečností, ţe se práce bude archivovat v knihovně BIVS a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací.

V Mladé Boleslavi dne 22.04.2015

Podpis autora

1

Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Martinu Uhrovi za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce.

2

Anotace Předkládaná bakalářská práce se skládá ze součtu úvah a výpočtů nad systémy regulací spotřeby energií v domech a bytech. K detailnímu porozumění problematiky šetření energií se práce věnuje podrobnému popisu pouţití, spotřeby, druhů regulací a principu funkce všeobecných spotřebičů elektrické energie společných prostor bytového domu.

Klíčova slova: Spotřeba, domácnost, elektřina, regulace, měření, řízení, úspora, energie.

Anotation Presented bachelor thesis is based on summary of considerations and calculations of system regulating energy consumption in houses and apartments. For detailed understanding of the issues in energy savings is this thesis dedicated to an detailed description of the use and consumption of the energy, also to the type of regulations, basics functions of common electrical appliances in common areas of apartment buildings

Keywords: Consumption, Household, electric, regulation, measuring, control, reduction, energy.

3

Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 6 1

Analýza běžných spotřebičů elektrické energie v domácnostech ................................ 7 1.1

Spotřeba elektrické energie v domácnostech ............................................................... 7

1.2

Přehled hodnot spotřeby elektrické energie v domácnosti ........................................... 9

1.2.1

Ohřev teplé vody..................................................................................................... 9

1.2.2

Kuchyně .................................................................................................................. 9

1.2.3

Obývací pokoj....................................................................................................... 10

1.2.4

Pracovna ............................................................................................................... 10

1.2.5

Domácí úklid ........................................................................................................ 10

1.2.6

Energetické třídy elektrospotřebičů ...................................................................... 10

2

Možnosti automatických regulací ................................................................................. 12 2.1

Osvětlení ..................................................................................................................... 12

2.1.1

Princip LED osvětlení........................................................................................... 13

2.1.2

Důleţité parametry světla ..................................................................................... 14

2.1.3

Kde a kdy se LED osvětlení vyplatí ..................................................................... 15

2.1.4

Inteligentní osvětlení ............................................................................................ 17

2.2 2.2.1 2.3 2.3.1 2.4

Vytápění v domácnostech .......................................................................................... 18 Regulátory............................................................................................................. 22 Ohřev teplé vody ........................................................................................................ 24 Akumulační ohřívače ............................................................................................ 25 Inteligentní řízení sniţuje spotřebu ............................................................................ 26

2.4.1

Co znamená BEMS............................................................................................... 26

2.4.2

Jak BEMS funguje ................................................................................................ 26

2.4.3

Výhody BEMS...................................................................................................... 27

4

2.4.4 2.5

Co vše můţe BEMS zahrnovat ............................................................................. 27 Senzory pro všechny oblasti domovní automatizace ................................................. 28

2.5.1

Topologie sběrnicových systémů ......................................................................... 31

2.5.2

Sběrnice CAN (Controller Area Network) ........................................................... 33

2.5.3

Sběrnice KNX ....................................................................................................... 34

2.5.4

Sběrnice DALI ...................................................................................................... 35

3

Měření a analýza spotřeby elektrické energie společných prostor bytového domu 37 3.1

Hodnoty spotřeby elektrické energie .......................................................................... 37

3.2

Návrh řešení pro sníţení spotřeby elektrické energie ................................................ 39

4

Úspory elektrické energie .............................................................................................. 41 4.1

Potenciální úspory elektrické energie s vyuţitím systémových elektroinstalací ....... 41

Závěr ........................................................................................................................................ 45 Seznam použité literatury ...................................................................................................... 46 Slovník pojmů a zkratek ........................................................................................................ 48 Seznam použitých obrázků, tabulek a vzorců ..................................................................... 49

5

Úvod Měření a regulace se vzhledem k neustále rostoucím nákladům na energie stává klíčovým oborem při navrhování a provozování nejenom komerčních objektů a administrativních budov, ale také se tento trend čím dál více dostává do nekomerčních prostorů domácností bytů, rodinných domů. Jedním důvodem je snaha investorů a zejména pak provozovatelů budov minimalizovat provozní náklady při rostoucích cenách energií. Topení, chlazení a osvětlení obytných a nebytových budov spotřebuje v technologicky vyspělých státech přibliţně 40 % veškeré energie. Z provedených studií, které byly obsahem bakalářské práce, vyplývá, ţe automatizace řízení budov dokáţe v závislosti na typu řízených technologií, dispozicích budov a způsobu jejich vyuţívání ročně uspořit energii v dvouciferném rozsahu. Jako vzorový příklad je uvedena studie, ve které se uvádí srovnání spotřeby elektrické energie ve společných prostorách bytového domu před a po zavedení nových systémů automatizace spotřebičů elektrické energie. Investor, provozovatel nebo uţivatel je nucen také ze strany legislativy Evropské unie a svých členských států uţ při návrhu přemýšlet nad moţnostmi sníţení spotřeby energií na provozování komerčních a nekomerčních objektů, a to zejména vydána směrnice Evropského parlamentu a Rady č. 2002/91/EC o energetické náročnosti budov, jejímţ hlavním poţadavkem je sníţení spotřeby energie v budovách. Jiţ od roku 2013 musí členské státy EU zajistit, aby nové budovy plnily minimální poţadavky na energetickou náročnost budov. Také stávající budovy procházející větší rekonstrukcí budou muset tyto minimální poţadavky plnit. Jako prostředek k ověření lze povaţovat průkaz energetické náročnosti budov (PENB) a energetický audit budovy. Energetický průkaz neboli štítek hodnotí budovu z hlediska stavebních konstrukcí a všech energií, které do budov vstupují. Energetický audit je úplný posudek jiţ aktuálního stavu budovy, zařízení, všech nákladů na energie, emisí a klimatických podmínek v lokalitě.

6

1 1.1

Analýza běžných spotřebičů elektrické energie v domácnostech Spotřeba elektrické energie v domácnostech

Růst spotřeby v domácnostech lze vysvětlit jednak stále ještě rozsáhlým pouţíváním starších neefektivních spotřebičů, ale také růstem počtu elektrických spotřebičů. Dnes má jiţ řada domácností dvě aţ tři televize, ledničky a mrazničky a stále více se setkáváme se sušičkami na prádlo nebo klimatizací. Za zmínku také stojí narůstající počet zábavné elektroniky, bez které si v dnešní době člověk neumí představit běţný ţivot. Navíc roste i počet rodinných domů a velkých bytů (roste obytná plocha). Obr. 1 uvádí zajímavý rozdíl mezi trendem spotřeby energie na vytápění a spotřebou energie na provoz domácích spotřebičů. V posledních letech došlo k poměrně výraznému zpřísnění norem pro tepelné vlastnosti budov a tedy i odpovídajícímu sníţení spotřeby energie na vytápění nově postavených nebo rekonstruovaných domů. Spotřeba elektrické energie na běţný provoz v domácnostech naopak ale vzrostla. Dle průměrných hodnot informačních zdrojů [1] je spotřeba elektrické energie v domácnostech členěna následovně:

Obr. 1 Členění spotřeby elektrické energie v domácnostech Tab. 1 Rozdělení spotřeby elektrické energie v domácnostech – celková Vytápění

Ohřev vody

Ostatní elektrické spotřebiče

60%

20%

20%

7

Tab. 2 Rozdělení spotřeby elektrické energie v domácnostech – ostatní elektrické spotřebiče Chladící technika

18 %

Prací technika

5,2 %

Mycí technika

7,8 %

Příprava jídel a nápojů

20,7 %

Video technika

8,3 %

Audio technika

2,8 %

Kancelářská technika

13,7 %

Osvětlení

16,6 %

Ostatní

6,9 %

Kaţdá domácnost je samozřejmě jiná. Liší se nejen velikostí a typem obytného prostoru, počtem osob, vybavením elektrospotřebiči, ale i svým ţivotním stylem. Tomu odpovídá také rozmezí jednotlivých hodnot v předchozí tabulce. Predikce spotřeby elektřiny je vytvářena odděleně pro dvě hlavní oblasti spotřeby: výrobní sféru a sféru domácností. První se odráţí od predikcí ekonomického vývoje na makroekonomické úrovni, druhá vyuţívá demografických projekcí, zejména projekcí počtu domácností. Aktuální předpoklady, relevantní přímo pro predikce spotřeby elektřiny maloodběru obyvatelstva – domácností, je moţné shrnout do následujících několika bodů: Spotřeba elektřiny jedné domácnosti bude v dlouhodobém horizontu narůstat přibliţně na průměrnou úroveň zemí E28 (Belgie, Bulharsko, Česká republika, Chorvatsko, Dánsko, Estonsko, Finsko, Francie, Irsko, Itálie, Kypr, Litva, Lotyšsko, Lucembursko, Maďarsko, Malta, Německo, Nizozemsko, Polsko, Portugalsko, Rakousko, Řecko, Rumunsko, Slovensko, Slovinsko, Španělsko, Spojené království, Švédsko). Predikce předpokládají výrazné úspory energie na vytápění, související se sniţováním energetické náročnosti budov. V predikcích je dále zahrnut předpoklad úspor souvisejících s kontinuální obnovou elektrických spotřebičů, resp. navyšováním jejich energetické účinnosti, Mnoţství a vyuţití elektrických spotřebičů v domácnostech má tendenci růst, z toho plyne důsledek zvyšování spotřeby nejen v subsektoru ostatní spotřeby, ale i celkově.

8

Mezi roky 2014 a 2040 předpokládá predikce, dle referenčního scénáře, následující úspory spotřeby elektřiny [1]: Elektrické vytápění – pokles měrné spotřeby o 22 %. Ohřev TUV elektřinou – pokles měrné spotřeby o 18 %. 1.2 1.2.1

Přehled hodnot spotřeby elektrické energie v domácnosti Ohřev teplé vody Elektrický bojler – pro ohřev vody na teplotu cca 55 C pro čtyřčlennou rodinu je denní spotřeba elektrické energie v rozmezí 8 – 15 kWh. Náklady se pohybují za den v částce kolem 35 Kč, za rok 12 775 Kč. (Počítáno pro objem 120 litrů, účinnost ohřevu 0.98, vstupní teplota vody 10oC, příkon bojleru 2kW, doba ohřevu 3h 12minut) Průtokový ohřívač – pro ohřev vody na teplotu cca 40 C pro čtyřčlennou rodinu je denní spotřeba elektrické energie v rozmezí 1 – 3 kWh. (Počítáno pro objem 30 – 40 litrů, vstupní teplota vody 10oC, příkon ohřívače 2,5 kW), náklady se pohybují za den v částce kolem 10 Kč, za rok 3 650 Kč.

1.2.2

Kuchyně Kombinovaná lednice s mrazákem, 100L – roční provoz vyjde (v úsporné třídě A++) od 1095 Kč do 2530 Kč (v úsporné třídě C) – viz kapitola 1.2.6 Energetické třídy elektrospotřebičů. Kuchyňský sporák spolu s digestoří – v návaznosti na příkon, délku kaţdodenního vaření, pouţití elektrické trouby se spotřeba pohybuje 2 – 5 kWh denně, ročně je cena za energii 3504 Kč aţ 8760 Kč. Topinkovač – náklad na dva tousty je 0,17 Kč (příkon 900W), v průměru 850 – 1120 Kč za rok dle četnosti pouţití Varná konvice – uvaření 3 litrů vody spotřebuje 0,1 kWh, které stojí 50 haléřů, za rok v průměru 300 litrů uvařené vody je cena 150 Kč. (Počítáno s vyuţitím 15 min. denně) Mikrovlnná trouba – při pouţití mikrovlnné trouby 10 minut denně při výkonu 800W stojí provoz za den 60 haléřů, za rok je to 219 Kč. Spolu se stand-by reţimem (v případě provozu ve stand-by 24h/denně, 365 dnů v roce, je spotřeba cca 24kWh, tj. 120 Kč) vychází provoz na rok 349 Kč.

9

Kuchyňský robot – strouhání, příprava těsta, mixování, za hodinu týdně spotřeba 5 Kč, za rok je to 260 Kč. Myčka nádobí – při mytí 8 sad nádobí týdně se cena za provoz pohybuje ročně mezi 700-960 Kč. Ve stand-by reţimu je spotřeba pro 24h/denně, 365 dnů v roce cca 80 Kč. Pračka – za vyprání jedné várky na 60 C horké vody je cena od 3,6 Kč do 9 Kč. Ročně je to v součtu suma od 750 do 1 872 Kč. Stand-by reţim spotřebuje 220 Kč ročně v provozu 24h/denně. 1.2.3

Obývací pokoj Televize – podle typu televize LED, LCD, Plazma, CRT, podle doby sledování, podle uhlopříčky, atd. průměrná spotřeba od 0,04 kWh aţ 0,3 kWh. Za rok je moţné počítat s cenou od 490 K do 2840 K. Stand-by reţim vychází pro LED TV 101-120 cm 6W v době 19 hodin denně. Satelitní komplet – nejenom provoz „online“ ale taky stand-by reţim (při trvání 19h/denně je roční spotřeba 36 kWh a cena 180 Kč) má vliv na roční spotřebu, která je podle typu zařízení od 550 do 1300 Kč.

1.2.4

Pracovna Stolní počítač - v závislosti od doby provozu a také od vybavení celé sestavy včetně příslušenství. Roční suma za spotřebu je za komplet od 500 do 2810 Kč, přitom reţim stand-by vykazuje spotřebu při provozu 18h/denně ročně 30kWh, tj. 150 Kč. Notebook – při pouţití v průměru dvě hodiny denně přenosní počítač spotřebuje za rok od 330 Kč do 1100 Kč.

1.2.5

Domácí úklid Vysavač – při úklidu 1 hodinu týdne se cena za spotřebu můţe dostat na 740 – 1200 Kč ročně.

1.2.6

Energetické třídy elektrospotřebičů

Výrobci elektrospotřebičů mají povinnost uvádět hodnoty efektívnosti vyráběných elektrospotřebičů pomocí energetických tříd. Podle úspornosti provozu se pak přístroj řadí do jedné ze sedmi kategorií (A aţ G) podle úspornosti provozu. Kategorie A zahrnuje nejlepší a nejúspornější výrobky, které jsou v průměru o polovinu lepší neţ výrobky kategorie C a D,

10

které jsou uváděny jako standardní. Kategorie F je jiţ o 25 % horší neţ standard. Dále bude uvedený příklad pro chladničky a mrazničky, které musí mít ve třídě A+ spotřebu energie minimálně o 25 % niţší, neţ je spotřeba energie spotřebičů třídy A. Chladničky v energetické třídě A++ mají o 30 % menší spotřebu oproti energetické třídě A+. Pokud chladničky v energetické třídě A++ dosahují o třetinu menší spotřeby neţ ve třídě A, můţeme porovnat roční úsporu při koupi o třídu úspornější chladničky. Roční spotřeba spotřebiče chladničky A++ ve výši 219 kWh (0,6 kWh/den x 365) se při ceně energie 5 Kč/kWh vyšplhá na 1095 Kč. Pokud by byla spotřeba o třetinu vyšší (292 kWh), byly by náklady na roční provoz ve výši 1460 Kč. [2] Nejúspornější jsou výrobky třídy A+++, liší se však podle kategorie výrobků, k příkladu u televizorů je to zatím A++.

11

2 2.1

Možnosti automatických regulací Osvětlení

Osvětlení domácnosti, společných prostor v bytovém domě se stává jednou z prvních moţností, kde je moţné poměrně snadno a rychle sníţit spotřebu elektrické energie. Proto se v téhle části bakalářské práce budeme podrobněji věnovat osvětlení LED (Light emitting diode). Osvětlení vnitřních i vnějších prostor je jednou ze základních podmínek k tomu, aby bylo moţné budovu vyuţívat. Kvalita osvětlení je důleţitým a v některých případech i rozhodujícím parametrem kvality vnitřního prostředí, neméně důleţitá je ale v dnešní době i spotřeba energie. Vývoj světelných zdrojů a svítidel probíhá jiţ od úsvitu civilizace, a pokud se ohlédneme zpátky, zjistíme, ţe jde o historii více neţ zajímavou. Lze říci, ţe zásadním krokem ve vývoji světelných zdrojů bylo pouţití elektřiny jako zdroje energie a vynález ţárovky jako zdroje světla. Její poslední vývojová forma, halogenová ţárovka, je výborným zdrojem světla, který splňuje většinu poţadavků, jeţ na zdroj světla klademe. Má však několik zcela zásadních nevýhod: malou účinnost, relativně nízkou barevnou teplotou a relativně krátkou ţivotnost. Snaha najít zdroj světla s podstatně vyšší účinností a tedy i niţší spotřebou energie stimulovala koncem 20. století velký rozvoj v oblasti světelných zdrojů – objevily se kompaktní zářivky, nové druhy výbojek a nakonec i výkonové LED diody pro osvětlení. Právě LED zaţívají v poslední době rychlý vývoj a zdá se, ţe se stanou ideálním nástupcem ţárovky se všemi jejími výhodami a ţádnou z jejích nevýhod. LED diody mají poměrně vysokou účinnost, kterou je moţné ještě zvyšovat, mohou mít téměř libovolnou barevnou teplotu a mají velmi dlouhou ţivotnost. Zatím nemohou zcela nahradit zářivky nebo výbojky tam, kde je potřeba rozptýlené světlo o větších intenzitách, respektive nejsou v této oblasti dostatečně cenově konkurenceschopné. Předpokládá se, ţe organické LED (OLED), které se zatím pouţívají na displeje, by mohly časem slouţit také jako levné plošné zdroje světla. To bude ovšem pravděpodobně podobně ještě nějaký čas trvat. Organické LED mají zatím příliš vysokou cenu a stále ještě nízkou účinnost. Časem se však nepochybně objeví ještě další moţnosti zvyšování účinnosti světlených zdrojů. Zatím se ovšem zdá, ţe v blízké budoucnosti se v oblasti osvětlování budov prosadí světelné zdroje s LED, které jsou velmi flexibilní, dobře se hodí pro moderní velkovýrobu (podobné technologie jako pro výrobu polovodičových součástek), jsou přátelské k ţivotnímu prostředí (neobsahují rtuť ani jiné těţké kovy) a mají dlouhou ţivotnost.

12

2.1.1

Princip LED osvětlení

Zkratka LED je z anglického light-emitting diode. Jde o polovodičovou součástku s takzvaným p-n přechodem, podobně jako u usměrňovacích diod nebo třeba u fotovoltaických článků. Dalo by se říci, ţe LED diody a fotovoltaické články jsou v principu analogická zařízení, ovšem s inverzní funkcí. Ve fotovoltaickém článku se mění energie fotonů dopadajícího záření na energii elektrického proudu a v LED diodách naopak procházející elektrický proud vyvolává emisi fotonů. Pokud jde o praktické provedení, jsou ovšem mezi fotovoltaickým článkem a LED rozdíly zcela zásadní. V polovodičích s takzvaným „přímým zakázaným pásem“ (direkt band gap semiconductors) dochází k tomu, ţe při průchodu proudu přes p-n přechod a následné rekombinaci děr a elektronů dojde k vyzáření fotonů (takzvaná elektroluminiscence). Vlnová délka a tedy barva vyzářeného světla odpovídá rozdílu energie mezi posledním obsazeným orbitalem a prvním neobsazeným orbitalem (band gap) a je tedy daná pouţitým polovodičem.

Obr. 2 Příklad principu elektroluminiscence Pro praktickou realizaci výše uvedeného fyzikálního principu emise fotonů (viz obr. 2) bylo třeba vyřešit celou řadu problémů. V počátcích byl největší problém s malou intenzitou světla a také s jeho barvou, proto se nejdříve LED diody pouţívaly jen jako kontrolky nebo segmentové displeje. Pro tyto účely stačí 30-60 mW elektrického výkonu, ale pro osvětlení je třeba výkon aţ tisíckrát větší. Toho lze dosáhnout pouţitím velkého mnoţství jednotlivých malých LED. To můţe být rozumné řešení, pokud potřebujeme plošné osvětlení. Jednotlivé čipy mohou být individuálně zapouzdřené nebo pod společným krytem. Pouţití velkého mnoţství malých čipů ale není moţné tam, kde potřebujeme malý a výkonný zdroj například pro bodové osvětlení. V kaţdém případě vývoj směřuje ke stále výkonnějším čipům. Zvyšování světelného výkonu LED zdrojů probíhá exponenciálně – podobně, jako je tomu u zvyšování po-

13

čtu tranzistorů, respektive výpočetního výkonu mikroprocesorů. (existuje dokonce analogie k Moorovu zákonu, takzvaný Haitzův zákon). Výkonné čipy je ovšem nutné efektivně chladit, protoţe větší část dodané energie se promění na teplo, které však – na rozdíl od ţárovek nebo výbojek – není vyzářeno, ale musí být odvedeno. Proto se čipy montují na vhodnou tepelně vodivou podloţku. Na rozdíl třeba od počítačových procesorů tady obvykle nepřichází v úvahu poţití chladiče s ventilátorem – pouţívají se tedy různé pasivní ţebrované chladiče. Pokud jde o barvu světla, LED diody jsou z principu jednobarevný zdroj. K vytvoření víceméně bílého světla je moţné pouţít dvě cesty: buď lze jako základ vzít LED vyzařující v modré nebo dokonce v ultrafialové oblasti a přidat vhodný luminofor, který toto záření přemění na delší vlnové délky mechanismem nazývaným Stokesův posun, nebo zkombinovat červenou, zelenou a modrou LED. Dnes nejběţnější bílé LED diody obvykle pouţívají jako polovodič InGaN produkující modré světlo a luminofor, který jeho část transformuje na vlnové délky v rozmezí 500 aţ 700nm. To dohromady vytvoří bílou barvu. Kvalita barevného podání záleţí na pouţitém luminoforu a ve spektru je vţdy více nebo méně znatelný „peak“ v oblasti modré barvy. Lepšího výsledku lze dosáhnout pouţitím několika různých, vhodně vybraných luminoforů. Obvykle se pak zlepší kvalita barevného podání na úkor účinnosti nebo naopak. Například LUXEON S (od firmy Philips) má index barevného podání (CRI) 85%, coţ je velmi dobrá hodnota, ale jeho energetická účinnost je jen kolem 80lm/W. Luxeon R pouţívaný pro méně náročné průmyslové prostory má CRI jen asi 70 %, ale zase dosahuje při menším proudu účinnost 128 lm/W. 2.1.2

Důležité parametry světla

Při srovnávání různých světelných zdrojů nás zajímá celá řada parametrů, například: Světelný tok – měří se v lumenech (lm) a vyjadřuje mnoţství vyzářeného světla s přihlédnutím ke spektrální citlivosti našeho oka. Světelná účinnost – udává se v lm/W. Ideální bílý zdroj by měl mít 251 lm/W (při barevné teplotě 5800K), ideální monochromatický zdroj pak 683 lm/W (v oblasti kolem 555nm). Barva světla – je zpravidla popsána teplotou chromatičnosti, která je definovaná jako teplota „černého tělesa“ (např. vlákno ţárovky), jehoţ světlo vyvolá stejný barevný vjem. Obvykle se rozeznávají tří hlavní skupiny: teple bílá (Warm White) méně neţ 3300 K, chladně bílá (Cool White) 3300 K aţ 5000 K a denní bílá (Daylight) více neţ 5000 K.

14

Index barevného podání (Ra, obvykle však CRI z angl. Color rendering index) – hodnocení věrnosti barevného vjemu, který vznikne osvětlením z daného zdroje v porovnání s tím, jaký barevný vjem by vznikl ve světle slunce. Hodnota CRI můţe být od 0 do 100. hodnota 0 znamená nemoţnost rozeznat barvy, 100 znamená zcela dokonalé podání barev. Životnost, resp. střední doba života – udává se počtem provozních hodin, neţ dojde k poklesu výkonu pod určitou akceptovatelnou hranici nebo ke zničení zdroje. Závisí na mnoha parametrech (na teplotě, stabilitě napájení, potu cyklů zapnutí/vypnutí apod.). Je to statická veličina, tj. konkrétní zdroj můţe vydrţet delší nebo kratší dobu. Cena – důleţitá není jen pořizovací cena světelného zdroje, objektivnější je zvaţovat celkové náklady na provoz zdroje po dobu jeho ţivotnosti: zdroj, který má vysokou účinnost a dlouhou ţivotnost, se vyplatí, i kdyţ je draţší. Velikost zdroje, jeho jas a směrovost – pro rozptýlené celkové osvětlení jsou vhodné plošné zdroje s menším jasem, protoţe při pohledu neoslňují. Do optických soustav (projektor), nebo pokud potřebujeme nasvětlit nějaký malý předmět, je lepší malý zdroj s co největším jasem a úzkým kuţelem světla. Možnosti změny intenzity (stmívání) – energeticky efektivní regulace intenzity světla umoţňuje plynule přizpůsobit osvětlení okamţité potřebě a je velmi důleţitá pro úsporu energie. Ideální je, kdyţ se při tom nemění barva světla. Požadavky na napájení (stejnosměrný/střídavý proud a napětí) – moţnost pouţít malé stejnosměrné napětí je výhodná u nouzového osvětlení napájeného z baterií. 2.1.3

Kde a kdy se LED osvětlení vyplatí

Porovnání z hlediska výše uvedených parametrů moderních LED zdrojů, v čem mají ve srovnání s jinými běţně dostupnými zdroji výhody a kde zaostávají. Světelný tok – i přes stálé a velmi výrazné zvyšování výkonu nejsou LED zdroje vhodné tam, kde je třeba vysoký světelný tok. Například na fotbalových stadionech se pouţívají metalhalogenidové výbojky aţ 2000W. Pro osvětlení běţných interiérů jsou však současné výkony LED aţ dostačující. Světelná účinnost – v tomto parametru jsou uţ LED lepší neţ jiné zdroje se srovnatelným barevným podáním. Tam, kde na barvě nezáleţí, jsou ale stále lepší některé výbojky.

15

Barva světla – zde jasně vítězí LED. Pouţitím tří čipů (RGB LED) je moţné namíchat v podstatě libovolnou barvu. Pokud se pouţijí vhodná čidla a regulátor, pak je moţné nastavenou barvu velmi přesně udrţovat i při změnách podmínek (intenzita osvětlení, teplota apod.) Index barevného podání – v tomto případě naopak vítězí tepelné zdroje, tj. například halogenové ţárovky, případně zářivky s vícepásmovými luminofory. Většina LED nicméně dosahuje hodnoty CRI > 80, coţ je pro běţné osvětlení dostačující. Existují však uţ i LED s CRI > 90%, které je moţné vyuţívat i k osvětlení obrazových galerií, jejich účinnost je však poměrně nízká a cena vysoká. Životnost – to je silná stránka LED zdrojů. Různé prameny uvádí, ţe led ţárovky od renomovaných výrobců mohou při správném provozování svítit i více neţ 100 000 hodin. Výhodou je, ţe nejsou citlivé na zapínání a vypínání (jako třeba zářivky a výbojky), velmi snadno se ale zničí překročením maximální povolená teploty čipu (to ale platí pro většinu polovodičových součástek). Je ovšem třeba počítat s určitým stárnutím a změnou některých parametrů. U bílých LED jde především o sniţování světelného toku v důsledku změn luminoforu. Udává se, ţe světelný tok po 50 000 hodinách dosahuje hodnot mezi 50 aţ 70% počáteční hodnoty. Cena – „no name“ LED s výkony do 7W stojí pod 300KČ a ani cena 12W LED od renomovaných výrobců uţ zpravidla nepřekračuje 1000 Kč. Velikost – to je silná stránka LED. Moderní výkonné čipy umoţňují dosahovat vysoké svítivosti při malých rozměrech. Regulace výkonu – výkon je moţné snadno regulovat změnou proudu nebo bezztrátově změnou střídy napájecích impulzů (změna doby ZAPNUTO/VYPNUTO). LED mohou být spínány s vysokou frekvencí, takţe blikání je nepostřehnutelné. Řízení je označováno jako řízení PWM modulací. Napájení – pouţívá se stejnosměrný proud a jednotlivé LED, respektive jejich čipy, se řadí do série. Pokud je třeba napájet ze sítě, musí se pouţit vhodný předřadník. Obecně platí, ţe LED by měly být napájeny ze zdroje konstantního proudu. Z výše uvedeného je vidět, ţe LED světelné zdroje jsou v současné době zajímavou a široce vyuţitelnou alternativou ke klasickým zdrojům světla a díky rychlému vývoji technologie a sniţování cen lze očekávat jejich výrazné rozšíření. Můţeme říci, ţe jsou ideálním osvětlením pro inteligentní budovy, protoţe umoţňují velmi snadno měnit intenzitu světla, jsou přitom

16

velmi energeticky úsporné a mohou spolupracovat s různými regulačními systémy, které řídí osvětlení podle potřeb uţivatelů. 2.1.4

Inteligentní osvětlení

Osvětlování takzvaných inteligentních budov a domácností klade na světelné zdroje nové poţadavky. Jedním z nejdůleţitějších je pochopitelně energetická účinnost, neméně důleţitá je ale i kompatibilita s regulačními systémy, které se v těchto budovách nebo domácnostech pouţívají (například DALI – kap. 3.1.5). Světelné zdroje by měli splňovat tyto poţadavky: Moţnost přizpůsobování intenzity světla měnícím se podmínkám bez změny barevné teploty světla (při pouţití LED), např. vyrovnávání kolísání intenzity denního světla (daylight equalisation) nebo přizpůsobení intenzity světla poţadavkům obyvatel. Vypínání světla – buď časové řízení, nebo detektory pohybu. Zónování, tj. pouţívání dalších zdrojů světla (vedle celkového osvětlení), které v určitém místě a čase zajistí poţadovanou intenzitu osvětlení s minimální spotřebou a bez nepříznivého ovlivnění zbytku prostoru. Rozumně dlouhá ţivotnost zdrojů a časová stabilita intenzity světla. V inteligentních budovách a domácnostech je spousta elektronických zařízení, proto je velmi důleţitá i naprostá elektromagnetická kompatibilita osvětlovacích zdrojů. Efektivní a flexibilní software pro ovládání osvětlení, který umoţní snadné ovládání (třeba i z jednotlivých osobních počítačů) a ve spojení s instalovaným hardwarem dokáţe výrazně sníţit spotřebu. Například firma Digital Lumens [3] na svých stránkách tvrdí, ţe v budovách dokáţou jejich inteligentní osvětlovací systémy s LED sníţit spotřebu energie na osvětlení aţ o 90 %). Osvětlení patří mezi neoddělitelnou součást domácností. Vhodným způsobem automatizace je moţné navýšit komfort bydlení a řízení denního a umělého osvětlení, které přitom můţe významnou měrou přispět k úspoře elektrické energie. Ověření energetické náročnosti je moţné fyzicky (zkušebním zapojením komponentů), nebo v dnešní době informačních technologií pomocí softwarové simulace ve virtuálním prostředí. Výhoda virtuálních modelů plyne z jejich univerzálnosti, finanční nenáročnosti, vysoké efektivity, dlouhodobého testování, simulace velkého mnoţství podmínek, které by se v reálním prostředí daly nasimulovat jenom stěţí. Navrhnuté modely mohou být jednoduše upravovatelné a aktualizované přesně podle poţadavků uţivatele. Hlavní výhodou je finanční stránka, vzhledem k tomu, ţe pořízení takového software pro simulaci je mnohonásobně levnější variantou neţli pořízení různých systé-

17

mů řízení, které by se po otestování jevily jako nepřijatelné. Jako jeden z velkého mnoţství softwarových produktů určených ke komplexní dynamické simulaci budov lze zvolit program DesignBuilder. Program DesignBuilder kombinuje rychlost modelování budov a snadnost pouţití prvků nejmodernější energetické dynamické simulace. Pomocí DesignBuilder lze snadno porovnávat různé alternativní návrhy, optimalizovat návrhy v jakékoli fázi návrhu, rychle a snadno importovat a modelovat stávající návrhy CAD a BIM, generovat vizualizace a krátké filmy, které znázorňují kompletní simulaci světelných podmínek jak v interiéru, tak i v externím prostředí budov. Také je moţné vypočítat předběţné náklady na výstavbu, provozování, údrţbu, znehodnocení a nárůst cen energií z namodelované simulace. [4] 2.2

Vytápění v domácnostech

Jednou z forem ohřevu prostředí uvnitř domů a bytů je kromě topení na tuhá paliva, zemní plyn, solární energie i elektřina. Bakalářská práce se dále bude zabývat výhradně elektrickým vytápěním, vzhledem k tomu, ţe podle autora lze v případě pouţití elektrického vytápění nejvíce nákladů ušetřit automatizací a zefektivněním procesů topení a větrání. K uskutečnění optimální regulace nebo optimálního řízení je nezbytné znát informace o dynamických a statických vlastnostech regulované či řízené soustavy. Tyto informace představují souhrn takových údajů, které soustavu popisují a určují její parametry. Určit matematický model nebo optimální regulátor můţeme buď jednou provţdy (pokud jsou vlastnosti neměnné), nebo určit optimální regulátor trvale v procesu regulace, mění-li se dynamické vlastnosti v čase a rozměru. Vyuţití informace o dynamice regulované soustavy je při návrhu regulačních obvodů vţdy jiné, ať uţ se jedná o určení matematického modelu, jiné u adaptivních systémů řízení, jiné u duálních systémů nebo u tzv. učících se systémů. Systémy posledně jmenované jsou dnes předmětem nasazování do ústředních členů regulací jako centralizovaný systém řízení. Nejdokonalejší regulační soustavou se všemi prvky regulace (čidlo, snímač, přenos, poruchové veličiny, ústřední regulátor, akční veličina, výstupní člen, koncová servosmyčka) je člověk sám, který dokáţe rychle nebo pomalu reagovat na vnější podněty, aniţ by musel zvlášť nastavovat tzv. "konstanty regulátoru", kterými jsou v automatizační technice zesílení, proporcionalita

(obr.

3

vysvětluje

činnost

proporcionality

na

příkladu

regulace

teploty

uvnitř místnosti), integrační konstanta (obr. 4), derivační konstanta (obr. 5), zpoţdění derivačního kanálu a jiné. Nepřeberné mnoţství podnětů, které se na technologiích pracně snímají snímači (tlak, teplota, otáčky, rychlost, rozdíly teplot, průtok) a přenášejí do ústředního členu,

18

člověk dokonale zpracuje během milisekund, aniţ by pouţil drahé snímače provozních hodnot a svým algoritmem reaguje pomocí tzv. výstupních členů.

Obr. 3 Příklad teplotní proporcionality

19

Obr. 4 Integrační konstanta TI Integrační časová konstanta je čas, který by potřeboval čistě integrační regulátor (přechodová charakteristika regulátoru je na obr. 4 čárkovaná), aby přestavil akční člen (výstupní signál) do polohy, které dosáhne regulátor v čase t = 0 vlivem své proporcionální sloţky.

Vzorec 1 - TI jako integrační konstanta

20

Obr. 5 Derivační konstanta – Td [s] Derivační časová konstanta je čas, který by potřeboval čistě proporcionální regulátor (přechodová charakteristika regulátoru je na obr. 3 čárkovaná), aby přestavil akční člen (výstupní signál) do polohy, které dosáhne regulátor v čase t = 0 vlivem své derivační sloţky.

Vzorec 2 - T0 jako derivační konstanta Je pravdou, ţe někdy s kladnou zpětnou vazbou (coţ je princip pokus - omyl), ale většinou správně se zápornou zpětnou vazbou, coţ je podmínka správné regulace, v automatizační technice nazývané, tzv. "tři kmity". Těchto tří kmitů musíme dosáhnout při správně nastavených konstantách regulačního obvodu, ať uţ jakéhokoliv, k tomu směřuje úsilí při hledání optimálního nastavení technologie a práce seřizovacího technika na hotových a smontovaných technologiích. Regulované soustavy, které se v praxi vyskytují, vykazují více či méně nelineární vlastnosti (statické i dynamické), coţ značně ztěţuje návrh regulačních obvodů, zejména odhad jejich vlastností v době zpracování projektu automatické regulace.

21

Pokud samotný regulátor nemá adaptivní vlastnosti (nepřizpůsobuje svůj algoritmus řízení proměnným provozním vlastnostem regulované soustavy), musí být nastaven pro průměrné statické a dynamické vlastnosti regulované soustavy. Dále se v regulační technice rozeznávají pojmy jako akční veličina, poruchová veličina, regulovaná veličina, doba průtahu, doba náběhu, okamţitá hodnota, integrační, derivační časová konstanta aj. V další části bakalářské práce se budeme zabývat popisem jednotlivých částí a členů regulačního obvodu. 2.2.1

Regulátory

Pod pojmem regulátor je v regulační technice zahrnována veškerá přístrojová technika, připojena k technologickému zařízení za účelem jeho regulace. V případě jednoduchých jednosmyčkových obvodů se jedná o snímač, ústřední regulátor, koncovou servosmyčku, akční orgán. Dále lze rozdělit regulátory z hlediska typu poţité komunikační cesty mezi jednotlivými částmi regulačního systému. V závislosti na určení druhu a povahy obytného prostoru (rodinný dům, panelový byt, vícegenerační rodinný dům apod.) je moţné si vybrat ze tří základních provedení snímacího a regulačního systému, kde jsou snímače a aktory propojené buď drátovou, nebo bezdrátovou komunikační sítí. Snímač (čidlo) Převádí fyzikální hodnotu regulované veličiny na signál vhodný k přenosu informace o stavu této veličiny na větší vzdálenosti a poté je vhodný ke zpracování v dalších částech regulátoru. Přitom pod pojmem čidlo rozumíme vlastní měřicí element (např. odporová vloţka teploměru, membrána apod.), zatímco pojem snímač představuje jiţ konkrétní přístrojové vybavení, které v sobě zahrnuje jednak čidlo, jednak část pro převedení signálů čidla na signál jednotné úrovně (př. 0 - 20 mA, 4 - 20 mA, 0 - 5 V, 0 - 10 V, odpor Ω, aj.). Při volbě čidla, prezentované snímačem, pro regulační soustavu musíme postupovat dosti obezřetně a vybírat ze široké škály nabízené různými výrobci tak, abychom se uţ v této fázi nedopustili velké chyby a tou je časová konstanta přenosu, nelinearita čidla, ne-li jeho nepřesnost, vhodnost pouţití do prostředí, připojení atd. Teploměry v jímkách mají časovou konstantu aţ několik minut, coţ můţe způsobit rozkmitání soustavy nezávisle na funkci regulátoru. Volíme vţdy s co moţná nejkratšími časovými konstantami. Pokud se totiţ shodují časové konstanty soustavy a regulátoru, pro regulaci nastává nejnepříznivější stav a regulace se rozkmitá – stav rezonance. Toto můţe nastat i v případě dlouhodobého "nečištění" jímek, ve kte-

22

rých jsou umístěny teploměry. Nánosy kamene způsobí zhoršení přenosu teploty na čidlo a nastává stejná situace - rozkmitání regulace. Ústřední regulátor Představuje prvek regulačního obvodu, ve kterém se informace o stavu regulované veličiny zpracovává podle předem daného a nastaveného algoritmu. Sem patří široká škála regulátorů jejich ústředních částí - od různých výrobců, kterých je na trhu opravdu dost. Všechny tyto tzv. klasické regulátory mají buď pevně předem daný algoritmus řízení, u něhoţ se nastavováním jeho parametrů potlačují, nebo naopak zesilují jeho funkční sloţky. Takřka výhradně se pouţívají algoritmy typu P - proporcionální, PI - proporcionálně integrační, PID - proporcionálně integračně derivační. Bliţší specifikace a vysvětlení algoritmů je mimo rozsah této bakalářské práce, proto se zde uvádí jenom stručný popis. U klasických jednoparametrových regulátorů - ústředních částí - s uvedenými algoritmy se ustálily rozsahy stavitelných parametrů v provozně i výrobně výhodných mezích, takţe návrhy nových přístrojových řešení se zaměřují spíše na konstrukční řešení a propojení signálových cest. Jiná situace je u regulátorů víceparametrových, které svou ústřední částí dokáţí obsáhnout i několik funkcí, provést několik druhů a způsobů regulace a dokáţí pracovat i se všemi snímači a výstupními obvody najednou. Jedná se o digitální regulátory, které vedle základního programového vybavení mají moţnost sestavení programu řízení programátorem, který dle poţadovaného algoritmu řízení regulované soustavy jako celku sestavený a odladěný program do ústřední části tzv. vypálí do paměti. Tento program lze v průběhu provozu měnit, doplňovat, avšak pouze pouţitím technických prostředků stejných, jako při tvorbě programu. Je moţno rovněţ pouţití zaknihovaných programů nebo modulů ústředních částí s předem připraveným programem, který se vymění podobně jako vestavný blok s konektorem. Na rozdíl od klasických, analogových, kde úpravu činnosti lze provádět bez programátora. Zde jsou zastoupeny digitální stanice, mající moţnosti desítek vstupů AI, DI a výstupů AO a DO. Velikost a kapacita se určují poţadavky technologie provozu. Klasické regulátory zajišťující jednoparametrovou regulaci nebo modulové verze těchto analogových regulátorů (jsou i digitální) jsou ve srovnání s výše popsanými podstatně levnější, jak materiálově, tak i co se týká inţenýrských prací při uvádění do provozu, tvorbě programu apod. Tvorba vlastního algoritmu řízení vytápěcí soustavy nebo nuceného větrání je záleţitostí technologa, který zvolí způsob řazení jednotlivých úkonů v čase s ohledem na potřeby a stav technologie. Z jeho podrobného popisu pak programátor sestaví uţivatelský program řízení a

23

přenese do paměti ústředního členu. Doladění programu probíhá za provozu soustavy. Způsob, jak je sestaven a odladěn program, elektrické zapojení silno-slaboproud, je know-how prováděcí firmy. Řídí-li se akumulační nádrţ, pak se jedná o nabíjení a vybíjení, regulaci teplot, řazení zdrojů a všechny úkony s tímto související. Dodavatel řídicího systému zvolí dle počtu vstupů a výstupů, paměťového prostoru pro aplikační program typ stanice. Další výhodou řídicích stanic je moţnost komunikace s nadřazenými stanicemi, s PC, operátorskými stanicemi přes sběrnice (KNX, ethernet) a elektrické rozhraní RS 232, 422, 485, telefonní či radiovou síť, které bude v další části bakalářské práce také popsáno. Podlahové vytápění, stěnové vytápění, radiátory Způsob řízení těchto soustav je vţdy závislý na provedení jednotlivých jeho částí a obyčejně se řídí jako celek - regulace směšováním, nebo jako průtočná s omezováním průtočného mnoţství řízením čerpadla, ventilů apod. Vyplývá to i z hlediska časové návaznosti stavby, kdy technik regulace je na stavbu pozván v období jiţ hotového díla a nezbývá mu uţ nic jiného. Spolupracuje-li projektant topení uţ při tvorbě se specialistou v oboru, vţdy dosáhne lepšího výsledku a lepší tepelné pohody ve vztahu s náklady na vytápění. Pouţívá-li se centrální řízení směšováním, závislé ekvitermně na venkovní teplotě a teplotě referenční místnosti, pak je na trhu nepřeberné mnoţství regulátorů, které dokáţí poţadované splnit, včetně hydraulických armatur. Kaţdý projektant má svého favorita, kterého upřednostňuje před jinými, je to jen otázka ceny. V zásadě platí, ţe řídit tyto nízkoteplotní systémy lze a dají se podstatně ovlivnit náklady na vytápění u zařízení: 2.3

Ohřev teplé vody

Mít doma tekoucí teplou vodu je v dnešní době samozřejmost, kterou si uţ téměř neuvědomujeme. V domácnostech se teplá voda vyuţívá na mnohé nevyhnutné činnosti – mytí, sprchování, koupání, uklízení, praní. Podle odhadů průměrná domácnost na vyuţití teplé vody spotřebuje minimálně 7 aţ 30 % spotřebované energie. Hodnota spotřeby je závislá od nároků spotřebitele, poţadované teploty vody, rozloţení čerpání ve dne, způsobu ohřevu vody a také od prostorů, které jsou k dispozici. V přepočtu na finanční obnos se dostaneme na částku, při které se rozhodně vyplatí přemýšlet nad minimalizací, zefektivnění hospodaření s výrobou, dodávkou a uţíváním teplé vody. Rozdělení zařízení na ohřev teplé vody je na průtokové, zásobníkové (akumulační), elektrické nebo plynové, solární.

24

2.3.1

Akumulační ohřívače

Ohřev vody se provádí do zásoby. Při nastavení optimální teploty obsah bojleru by měl vydrţet celý den aţ do dalšího odběru. Akumulační ohřívač poskytuje vodu se stabilní teplotou a ve velikém mnoţství za krátký čas. Je vhodnější, pokud se v domácnosti vyuţívá hydromasáţní sprcha, nebo vana. V případě dobře vyřešeného umístnění ohřívače, nastavení a údrţbě se vyuţití akumulačního ohřívače jeví jako ekonomická varianta. Energie se spotřebuje jenom při ohřevu později spotřebované vody a v případě sníţení teploty vody v důsledku vzniklých tepelných ztrát izolace pláště ohřívače. Důleţitým parametrem při výběru akumulačního ohřívače je proto hodnota koeficientu měrných tepelných ztrát. Tenhle koeficient je ukazatelem, kolik tepla se spotřebuje na 1 liter vody, v případě uchování teplé vody v bojleru po dobu 24 hodin na nastavenou teplotu. Koeficient se nejčastěji uvádí na štítku s popisem výrobce. Další ukazatel efektivity ohřívače je třída energetické spotřeby (A++, A+, A, B, C…). Rozdíl tříd spočívá v provedení izolace pláště bojleru, která můţe být realizována z polyuretanové pěny, sklených vláken atd. Vhodným umístněním je moţné také sníţit tepelné ztráty. Elektrický ohřívač bude mít menší ztrátu v případě umístnění v místnosti s pokojovou teplotou, naopak umístění v kůlně a podobných chladných místech zvýší ztrátu tepla. Vhodné umístnění spotřebiče (umývadlo) se dají minimalizovat ztráty na vedení – voda ve vedení při uzavřeném kohoutku chladne i v případě kvalitní izolace potrubí. Při výběru ideálního akumulačního ohřívače je potřeba vybírat optimální velikost. Při zbytečně velkém objemu dochází k zvyšování nákladů, přitom malý objem sniţuje uţivatelský komfort. Normovaná spotřeba teplé vody je 60 litrů na osobu za den, podle individuálních zvyklostí se můţe počítat s hodnotou od 40 litrů do 85 litrů. Pro jednu aţ dvě osoby v domácnosti můţe stačit objem 80 litrů, pro tři aţ čtyři osoby 120 litrů, pro čtyři aţ pět osob je ideální objem 150 litrů, pro pět a víc osob nejvhodnější objem 180 litrů (údaje, které uvádí výrobci na popisových štítcích). Vhodnou kombinaci akumulačního ohřívače s levnou elektřinou (noční proud od 22 do 6 hodiny) je moţné docílit také výrazných úspor. Akumulační ohřívač je moţné kombinovat s obnovitelnými zdroji energie (solární kolektory, tepelní čerpadla). V tom případě je moţné napojit rozvod teplé vody také na některé druhy spotřebičů – pračka, myčka nádobí. Důleţitý faktor je také nastavena teplota pro ohřev. Teplota pro mytí nádobí by měla být alespoň 50 oC, sprchování a mytí rukou minimálně 38 oC. Při nastavení ohřevu na víc neţ 60 oC je potřeba počítat s vytvářením vodního kamene (v případě pouţití tvrdé vody), které vede k vyšší spotřebě, pomalejšímu ohřevu a v konečném důsledku k moţné nefunkčnosti zařízení. Za optimální nastavení teploty se dá povaţovat rozmezí 55 aţ 60 oC. Před odchodem na dovolenou je

25

moţné nastavit teplotu ohřevu na min. a to 10oC. Spotřeba se dá sníţit také vhodnými uţivatelskými návyky. Pouţití sprchy místo vany k osobní hygieně, včasnou opravou kapajících kohoutků, pouţití úsporných pákových baterií a úsporných sprchových hlavic, které mohou ušetřit aţ 30 % teplé vody. V místech s tvrdou vodou je potřeba zabezpečit pravidelný servis a to čištění a odstraňování nánosů vodního kamene na vytápěcím tělese, termostatu, výměna hořčíkové tyče ochraňující vnitřek nádrţe před korozí. V případě vody s vysokým obsahem minerálů je moţné nainstalování a pouţití magnetické, elektromagnetické, elektrostatické nebo ultrazvukové fyzikální úpravy na přívodu vody před bojlerem. [2] 2.4

Inteligentní řízení snižuje spotřebu

Úspor energií lze v inteligentních budovách dosáhnout mnoha různými způsoby, např. monitoringem a řízením osvětlení, větrání či elektronických systémů. K zefektivnění celého procesu slouţí tzv. BEMS – Building Energy Management Systems. Jak BEMS funguje a k čemu všemu jej lze vyuţívat, to bude vysvětleno v následující části bakalářské práce. 2.4.1

Co znamená BEMS

BEMS je počítačový řídicí systém, který automaticky monitoruje a kontroluje celou řadu provozních zařízení v budovách, včetně klimatizace,větrání, vytápění, osvětlení a dalších „spotřebitelů“ energie. Některé systémy dokáţou zajistit také efektivní hospodaření v oblasti spotřeby plynu a vody. Instalovaný systém se skládá z hardwaru a softwaru, obvykle je nastaven hierarchicky a můţe pouţívat protokoly jako například C-Bus, Profi bus, případně můţe být integrován pomocí internetových protokolů a otevřených standardů, jako jsou DeviceNet, SOAP, XML, BACnet, LonWorks a Modbus, Zigbee – Podrobnější popis zmíněných standardů je mimo rozsah bakalářské práce, proto se zde systémy jenom uvádí. 2.4.2

Jak BEMS funguje

V praxi BEMS v první řadě řídí vnitřní prostředí v budově s ohledem na úspory energií, a to zejména pomocí řízení teploty, tedy ovládáním vytápění a chlazení k dosaţení poţadované teploty v místnostech, ale s minimálními tepelnými ztrátami. Kvůli ovládání vnitřního prostředí v budově můţe být systém spojený s kontrolou přístupu do budovy (například prostřednictvím přístupových dveří s ověřováním oprávnění vstupovat) nebo s jinými bezpečnostními systémy (jako jsou například pohybové detektory nebo uzavřený televizní okruh – CCTV). V některých případech je na systém napojena

elektronická poţární

26

signalizace – dojde-li k detekci poţáru, systém můţe vypnout systém větrání, aby zastavil šíření kouře, a automaticky pošle všechny výtahy do přízemí, kde je zaparkuje, aby je lidé při poţáru nemohli pouţít a neohrozili tak své zdraví a ţivoty. Dále BEMS řídí systém osvětlení, které můţe zapínat, vypínat, nebo postupně stmívat buď v závislosti na denní době, nebo podle nastavení senzorů a časovačů – například pokud snímač vyšle signál o pohybu v místnosti, světla se automaticky rozsvítí. Popřípadě můţe být mimo budovu umístěna fotobuňka, která snímá světelné podmínky zvenčí, a systém podle ní upravuje osvětlení. 2.4.3

Výhody BEMS

S pouţitím BEMS je spojeno několik výhod jak pro uţivatele, tak pro majitele budov: Poskytuje energetickou analýzu, řízení a kontrolu informací. Účinně monitoruje a zaměřuje spotřebu energie a tím minimalizuje plýtvání energií, coţ můţe mít významný dopad na pravidelné výdaje za energie. Umoţňuje, aby se různá zařízení (klimatizace, osvětlení atd.) zapínala a vypínala automaticky. Dovoluje provozovateli dělat v případě potřeby změny v automatizačních systémech budovy. Optimalizuje vytápění v budově. Šetří čas a peníze při údrţbě budovy. Přispívá k vyššímu komfortu a pohodlí v budově (například předchází špatné kvalitě ovzduší při nedostatečném větrání). Umoţňuje sledování stavu zařízení a podmínek okolního prostředí. Je zde moţnost centrálního nebo dálkového ovládání a monitorování budovy. Lze včas detekovat případné problémy. Budova je v provozu na maximální úrovni efektivity a výkonnosti. 2.4.4

Co vše může BEMS zahrnovat Systém napájení budovy Osvětlovací systém Elektrický řídicí systém Systém vytápění, větrání a klimatizace Bezpečnostní a sledovací systém Přístupový systém (např. na základě magnetických karet)

27

Systém poţárního poplachu Správu senzorů alarmu Ovládání výtahů Zabezpečovací zařízení, CCTV Topné kabely Domovní instalace Ostatní inţenýrské systémy S příchodem systémů inteligentních sítí Smart Grid pak BEMS můţe pomoci lépe řídit poptávku po elektrické energii. V závislosti na měnící se ceně elektřiny BEMS dále můţe naprogramovat systém tak, aby zapínal a vypínal zatíţení sítě, aniţ by to omezilo bezpečnost, pohodlí a produktivitu uţivatelů inteligentních budov, informačních zdrojů. Obvykle měří změny teploty a vlhkosti v budově a její momentální obsazenosti, aby vypočítal aktuální spotřebu energie. Mnoho systémů řízení energie také měří kvalitu ovzduší a mnoţství oxidu uhličitého ve vzduchu, aby tak zabezpečily zdravé vnitřní prostředí. Na základě těchto informací mohou programy doporučit konkrétní techniky s cílem maximalizovat uţivatelský komfort a zároveň minimalizovat spotřebu energie. BEMS také současně monitoruje případné provozní poruchy a dohlíţí na běţnou údrţbu. 2.5

Senzory pro všechny oblasti domovní automatizace

Dnešní moderní inteligentní budovy a domy jsou vytvářeny tak, aby byly všechny prvky domovní techniky, jako je topení, chlazení nebo osvětlení, úzce provázány a fungovaly se zřetelem na energickou efektivnost. Dále se bakalářská práce zaobírá rozdělením, provedením, umístněním senzorů, bez kterých by nebylo moţné regulovat všechna funkční procesy inteligentních systému budov a domovů. Teplota Široké portfolio nabízí škálu teplotních snímačů pro většinu aplikací v automatizaci budov (topení, chlazení i vzduchotechnika). Nechybí senzory interiérové, venkovní, příloţné, kabelové nebo kanálové.

28

Vlhkost Dalším segmentem domovní senzoriky jsou snímače relativní vlhkosti a teploty v obytných a komerčních prostorách, v plynných médiích, v topných, větracích a klimatizačních zařízeních. Senzory kondenzace a prosakování i hygrostaty lze připojit na regulační a zobrazovací systémy. Světlo a pohyb Senzory světla a pohybu umoţňují přesnou a spolehlivou detekci a mohou být pouţity ve vnitřním i vnějším prostředí. Senzory lze umístit na/pod omítku či na strop. Se stropním multisenzorem je moţné sledovat přítomnost osob v místnosti a současně snímat a řídit intenzitu osvětlení. Kvalita vzduchu a CO2 Čidla směsných plynů a CO2 umoţňují individuální regulaci okolního vzduchu dle potřeby, a tím optimalizují jak kvalitu vzduchu, tak spotřebu energie. Senzory mohou být integrovány do ventilačního systému, nebo připevněny přímo v místnosti. Snímače nabízí uţivateli okamţité vyhodnocení aktuální kvality vzduchu na displeji nebo pomocí tří světelných diod (semafor: červená/ţlutá/zelená). Protimrazová ochrana Stále větší důleţitost ve ventilačních a klimatizačních zařízeních nabývá sledování teploty vzduchu. Škodám způsobeným mrazem zabraňuje protimrazový termostat. Malá spínací diference a vysoká opakovatelnost poskytují různé moţnosti ochrany proti mrazu, jako např. vypnutí ventilace, spuštění ohřevu či spuštění alarmu. Ovládací panely Multifunkční ovládací panely místností slouţí nejen k regulaci teploty, ale i ovládání osvětlení, ţaluzií, ventilace a relativní vlhkosti. Vynikají svým designem a díky několika barevným provedením, designu rámů a variabilnímu počtu ovládacích tlačítek se stanou vkusným doplňkem místností.

29

Magnetické detektory Po přerušení smyčky odešlou signál do ústředního řídicího systému, jsou zvláště vhodné pro pouţití na dveřích, oknech, garáţových vratech apod. Nevýhodou jejích nasazení je potřeba propojení. GSM komunikátor GSM komunikátor obstarává komunikaci s vnějším světem (zejména v místech, kde není k dispozici klasická telefonní linka nebo u objektů s vyšší rizikovostí) a v případě potřeby rozesílá SMS zprávy, volá na PCO, popřípadě můţe přenášet hlas i video, pokud je ústředna vybavena příslušenstvím pro zpracování hlasu a videa. Wifi modul Pomocí Wi-fi modulu pak můţete k ústředně připojit bezdrátové detektory. Následně lze řídicí systém nastavit tak, aby v případě, ţe rádiový detektor neodpovídá, zareagoval poplachem. Bezpečnostní systémy Bezpečnostní systémy se stále zdokonalují. Není proto výjimkou, ţe dnes můţe otevírání dveří v celém objektu fungovat na principu čipů (popř. RFID karet), které za vámi zase hned automaticky zamknou. Díky čipům také můţete mít skvělý přehled o tom, kdo se kdy po objektu pohyboval – kdyţ mikroprocesor porovná čísla v paměti s právě přečteným kódem a pak osobu pustí dovnitř, přečtený kód v paměti zůstává. Další zajímavou moţností je například barevná kamera, kterou lze ukrýt v kukátku vchodových dveří. Díky této kameře můţete

sledovat

osoby

před

dveřmi

na

kterémkoliv

monitoru

u

vás

doma.

Nové systémy také dokáţou plně integrovat bezpečnostní a poţární sloţku, přičemţ systém hlavní komunikace je snadno ovladatelný a pouţitelný. Jedná-li se o systém s modulární konstrukcí, pak jsou velice snadné i různé další úpravy či rozšíření, které lze provést rychle a často i úsporně. Mobilní systém LTE bude podporovat širokopásmové datové sluţby, například zajištění bezpečnosti mobilního videa či videosluţby vztahující se k poloze uţivatele.

30

Bezdrátová zařízení pro snadnější život Bezdrátové produkty pro svůj provoz vyuţívají solární energii nebo energii vytvořenou z nepatrné změny pohybu. Elektrická vedení jiţ nejsou potřeba, proto lze umístění senzorů flexibilně měnit dle poţadavků na danou místnost, ať uţ jde o kancelář nebo památkově chráněnou budovu. Bezdrátové produkty vyuţívají pevný protokol podle bezdrátového standardu EnOcean, Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi čímţ je zajištěno, ţe senzory a přijímače mohou být kombinovány s přístroji jiných výrobců. V bezdrátovém provedení jsou k dispozici zařízení pro kontrolu a snímání teploty, relativní vlhkosti, CO2, intenzity osvětlení, pohybu a stavu otevření okna. Zajímavé jsou bezdrátové vypínače, které existují v různých barevných variantách a lze je přizpůsobit široké škále programů od výrobců ABB, GIRA, JUNG, MERTEN, SIEMENS aj. Všechny senzory, regulátory, ovládací prvky a ostatní technické jednotky v budově jsou vzájemně zasíťovány na bázi tzv. Bus-Systému , který zajišťuje jejich vzájemnou interakci. Kompatibilita / Sběrnicové systémy Základním předpokladem pro vysokou energetickou účinnost budov je integrace systémů a inteligentních prvků, která umoţňuje vytvořit energeticky efektivní a k ţivotnímu prostředí šetrné budovy. Vzájemna kompatibilita jednotlivých prvků inteligentních budov je zaručena díky pouţití unifikovaných sběrnicových systémů nebo bezdrátových systémů. Přijímače mohou být vybaveny rozhraními Dali, LON, Modbus, BACnet, KNX nebo RS485 a jsou pouţívány jako mezisíť pro různé nadřazené regulační systémy. 2.5.1

Topologie sběrnicových systémů

Liniová topologie - Prvky jsou zapojené za sebou. Tohle řešení je snadné jednoduché a nejlevnější variantou, ovšem při výpadku či poruše jakéhokoliv prvku v cestě, přestane fungovat celá struktura.

Obr. 6 Liniová topologie

31

Lineární topologie - Podobné jako liniová topologie akorát je zapojení více přehledné ovšem opět při výpadku či poruše propojovacího prvku v cestě, přestane fungovat celá struktura.

Obr. 7 Lineární topologie Hvězdicová topologie Je zapojená do hvězdy, kde navíc je zapojen koncentrátor, který je propojen se všemi prvky. Tím se nám řeší ten problém, ţe kdyţ jeden z prvků selţe, nepřestává nám fungovat celá struktura. Bohuţel na hvězdicovou topologii spotřebujeme více kabeláţe díky koncentrátoru, ke kterému jsou zvlášť zapojeny všechny prvky.

Obr. 8 Hvězdicová technologie Kruhová topologie Neobsahuje ţádný centrální prvek, celá sběrnice je zapojená do kruhu, takţe pokud nám jeden z prvků selţe, tak to nemá ţádný dopad na celou strukturu. Tato topologie je rovněţ nenáročná na rozloţení propojení.

Obr. 9 Kruhová topolodie

32

Stromová topologie Jednotlivé prvky zapojeny ve větších počtech jsou připojeny na centrální sběrnici. Takţe pokud jeden z prvků selţe, nefunguje pouze dotyčná větev, ve které se prvek nachází.

Obr. 10 Stromová topologie 2.5.2

Sběrnice CAN (Controller Area Network)

Tato datová komunikační síť byla vyvinuta německou firmou Robert BOSCH GmbH v 80. letech a stala se mezinárodním standardem (ISO 11898). Původně slouţila výhradně pro úsporu elektroinstalace a pro zabezpečení přenosu dat mezi senzory a funkčními jednotkami v automobilu. Díky dobrým vlastnostem komunikační sítě si nachází uplatnění i v jiných sférách automatizace. CAN nejdříve pouţívala modifikované rozhraní RS 485, které bylo později definováno normou ISO. Tato norma pojednává o popisu elektrického rozhraní (fyzická vrstva) a popisu datového protokolu (linková vrstva). Jako přenosové médium slouţí sběrnice, která je provedena dvouvodičovým vedením. Signálové vodiče jsou vyznačeny jako CAN_H a CAN_L, a jsou ukončeny odpory o hodnotě 120Ω. Na tuto sběrnici se napojují individuální sdělovací uzly, jejichţ mnoţství můţe být aţ 110. Po sběrnici se posílají dva logické stavy: aktivní (dominantní - log.0) a pasivní (recesivní - log.1). Sběrnice je v aktivním stavu, je-li alespoň jeden její uzel v dominantním stavu a v pasivním stavu se nachází sběrnice, jsou-li všechny uzly v recesivním stavu. Dominantním stavem je rozuměno nenulovým rozdílem napětí mezi vodiči CAN_H a CAN_L a jako recesivní stav se povaţuje nulový rozdíl napětí. Nejvyšší rychlost přenosu je stanovena pro délku sběrnice do 40 m a to na 1Mbit/s. S rostoucí délkou sběrnice rychlost klesá. Při délce 130 m na 500kbit/s, při délce 560 m na 125kbit/s a při délce 3300 m rychlost klesne na pouhých 20kbit/s. Komunikace po sběrnici CAN je řešená tak, ţe libovolný uzel má moţnost pouţití sběrnice pro zasílání svých vlastních sdělení. Sdělení, které je posíláno, obsahuje identifikační číslo vysílajícího uzlu. Identifikátor přesně určí nikoli jen obsah zprávy, ale i přednost přístupu na sběrnici. Takto je moţno poslat zprávu

33

z jednoho uzlu do druhého nebo několik dalších uzlů zároveň. Sběrnice CAN pracuje ve dvou reţimech - více nadřízených uzlů (multi-master) a jeden uzel nadřízený a více podřízených uzlů (master-slave). [23]

Obr. 11 Topologie sběrnice CAN 2.5.3

Sběrnice KNX

KNX je celistvý systém pro komplexní ovládání domácností a inteligentních budov, který je plně v souladu s Evropskou normou EN50090 (European Standard for Home and Building Systems) a s normou ISO/IEC 14543. Její pouţití najdeme jak pro ovládání zakrývacích prvků (rolety, markýzy, ţaluzie), tak i pro ovládání osvětlení, topení v budově a pro dohled jiných technik v domě. Všechny technologické úseky v budově, které zvyšují komfort bydlení a jsou sdruţeny do jednoho logicky utříděného systému. Asociace Konnex, která sídlí v Bruselu, byla zaloţena v roce 1999 a měla tyto cíle: Definice nového standardu KNX pro inteligentní instalaci v budovách Zřízení značky KNX jako záruka jakosti a kompatibility mezi jinými výrobci Podpora KNX jako standardu pro Evropu KNX je plně decentralizovaný systém a můţe v něm vzájemně komunikovat aţ 65 536 zařízení díky 16bitového adresování. Struktura KNX je seřazena do tří úrovní. Ta nejvyšší úroveň je centrální, nebo se nazývá i páteřní linie (backbone line), která obsahuje 15 hlavních linií (main line - střední úroveň). Na kaţdou hlavní linii se můţe spojit dalších 15 linií (spodní úroveň - podsítě). Spodní úroveň umoţňuje připojení aţ 256 zařízení k jedné lince, které se zahrnují spolu s částí páteřní linie a s hlavní linií do jedné skupiny nazývané zóna (oblast) 1. Aby nebyla struktura omezena pouze na jednu páteřní linii, ke které můţeme napojit maximálně 256 jednotek, tak tato tříúrovňová struktura sítě potřebuje oddělovače zón a linií. [24]

34

2.5.4

Sběrnice DALI

Zkratka DALI se skládá z názvu Digital Addressable Lighting Interface (digitálně adresovatelné rozhraní osvětlení). Komunikace DALI pracuje na systému master-slave. Slave je zařízení, které ovládá osvětlení jakými jsou elektronické předřadníky, nebo měniče pro LED. Master rozesílá příkazy pro zařízení slave. Master zařízení můţe komunikovat i s jinými master zařízeními. Komunikace mezi master a slave zařízeními probíhá pomocí 2 bitových zpráv.Slave zařízení můţe pracovat pouze s master zařízeními, které jej ovládají. Slave zařízení můţe být maximálně v DALI síti 64. Komunikace mezi master-master zařízeními je pomocí 3-bitových zpráv. Maximální počet master zařízení v DALI síti je 64.

Obr. 12 Průběh komunikace DALI

Obr. 13 Struktura komunikačních rámců DALI Komunikace DALI se provádí po datové sběrnici tvořící dva vodiče, všechny DALI předřadníky, spínače, relé jsou na ní připojeny. Zapojení můte být libovolnou kombinací

35

větvené a hvězdicové struktury. Zapojovat zařízení do kruhové struktury není povoleno. Systém je navţen, aby tak aby bylo moţné připojit maximálně 64 individuálně adresovatelných jednotek DALI do maximálně 16 skupin, se 16 scénami. Aplikovat systém můţeme jako: Samostatný systém – pouţití pouze systému DALI. Subsystém v rámci celkového systému – systém je přidruţen jako podsystém k systémům, kterými jsou například EIB, LON atd.

36

3

Měření a analýza spotřeby elektrické energie společných prostor bytového domu

Část 3. Měření a analýza spotřeby elektrické energie společných prostor bytového domu se zabývá ověřením rozdílu mezi spotřebou elektrické energie bytového domu – Jako referenční objekt byl pro účel vybrán bytový dům nacházejíci se v Mladé Boleslavi. Společné prostory domu (zejména chodby, sklepy, schodiště, společně uţívané místnosti – prádelny, kočárkárna, sušárna apod.) jsou uţívány, tzn. osvětlovány, vytápěny a větrány (klimatizace se dosud v bytovém domě nevyskytuje). Nejen z ekonomického, ale i z energetického pohledu je problematice ověření hodnot spotřeby v případě provedení zásahů do elektrických rozvodů stavby vhodné věnovat pozornost. S energií spotřebovávanou ve společných prostorách bytových domů je známý také vztah problematiky zpracování PENB (Průkaz energetické náročnosti budov), případně energetický audit. Dům, který je předmětem zkoumání spotřebovává část energií ve společných prostorech na základě projektového řešení a poţadavků ze 70. a 80. let minulého století (klasické ţárovky, aktivace světel pro celé vchodové sekce). Stropní svítidla s klasickou wolframovou ţárovkou, pořád instalovanou (dle správce bytového domu z důvodu jejích nízké pořizovací ceně a relativně dlouhé ţivotnosti). Také jsou instalovány úsporné ţárovky, které jsou v místě, kde se svítí déle, část noci (před vchodem do bytového domu). V místech, kde se nachází schodiště, jsou instalována nouzová svítidla s vlastním zdrojem elektrické energie v případě výpadku napájení od dodavatele. Otevření vchodového zámku dveří zabezpečuje domovní zvonkový systém, který je připojen do stejného okruhu jako osvětlení společných prostor. Ke spotřebičům elektrické energie patří nainstalované switche, které svým zasíťováním pokrývají veškerá patra bytového domu sítí ethernet. 3.1

Hodnoty spotřeby elektrické energie

V období 08/2014 aţ 03/2015 byli hodnoty spotřeby elektrické energie společných prostor v předmětnem bytovém domě zobrazeny v tab. 3 a obr. 14

37

Tab. 3 - Vývoj měsíční spotřeby elektrické energie Datum srpen 14 září 14 říjen 14 listopad 14 prosinec 14 leden 15 únor 15 březen 15

Aktuální stav měřiče kWh 18625,7 18737,7 18856,9 18993,3 19136,3 19288,0 19438,8 19582,4

Spotřeba za měsíc kWh 112,0 119,2 136,4 143,0 151,7 150,8 143,6 135,6

Vývoj měšíční spotřeby elektrické energie v kWh 160

150

kWh

140

130

120

110

100 VIII-14

IX-14

X-14

XI-14

XII-14

I-15

II-15

III-15

měsíc Obr. 14 Vývoj měsíční spotřeby elektrické energie Graf vývoje spotřeby zobrazuje hodnoty v kWh spotřebované elektrické energie určené na provoz elektrických zařízení ve společných prostorech jednoho ze tří vchodů bytového domu v Mladé Boleslavi. Hodnota spotřeby elektrické energie (tab. 4) byla určena odečtem z elektroměru umístněném na přívodném vedení napájení 230V společných prostor v poslední den kalendárního měsíce. Počet všech spotřebičů a také hodnoty příkonu (dle hodnot výrobce) jsou uvedené v tab. 4 (spotřebiče byli fyzicky sepsány – technická dokumentace nebyla provozovatelem předloţena).

38

Klasické vláknové ţárovky jsou uţívány ve společných prostorech (i vzhledem na to velký počet nevýhod, které byli popsány v kapitole 3.1) z těchto důvodů: nízka pořizovací cena, relativně dlouhá doba ţivotnosti několik tisíc provozních hodin, rychlý náběh maximálního svitu po zapnutí, velký počtu cyklů sepnutí a vypnutí. Zářivky jsou instalovány ve společných prostorech z těchto důvodů: větší intenzita osvětlení, nízký počet spínacích cyklů, rozptýlené světlo vhodné do pracovného prostředí – technické místnosti, vysoký stupěň krytí aţ IP66. Úsporné ţárovky jsou provozovány z těchto důvodů: osvětlení vnějších prostor. nejsou nároky na vysokou světelnou intenzitu. nízky počet sepnutí – zářivka svíti nepřetrţitě počas noci. Tab. 4 - Seznam a počet prvků připojených na rozvod elektrické energie společných prostor

Žárovka 40W Sklepní prostory Přízemí 1. patro 2. patro 3. patro 4. patro 5. patro 6. patro 3.2

6 2 8 8 8 8 8 8

Seznam a počet instalovaných zařízení Úsporná Lan Nouzové Elektrický Zářivka T8 žárovka Switch osvětlení vrátní 18W 14W 12W 2W systém 9W 4 3 0 3 0 6 4 0 3 1 0 2 1 4 0 1 2 0 4 0 0 2 1 4 0 0 2 0 4 0 0 2 1 4 0 0 2 0 2 0

Návrh řešení pro snížení spotřeby elektrické energie

Při revitalizacích – zejména týkajících se obálky budovy – byly některé nedostatky odstraněny (výměna sklepních oken, rekonstrukce části osvětlení apod.). Dalších úspor by bylo dosaţeno výměnami klasických ţárovek za ţárovky LED. Větších úspor by bylo dosaţeno oddělením dílčích osvětlovaných úseků od celku. Instalací pohybových čidel do míst s větší intenzi-

39

tou pohybu osob (schodiště). Tým by bylo dosaţeno dílčí sníţení spotřeby elektrické energie na osvětlení a niţší měsíční náklady na platby za elektrickou energii. Nevýhodou předchozího řešení je evidována vyšší pořizovací cena ţárovek LED a dalších investic v podobě prací na elektroinstalaci – připojení snímačů pohybu, stmívačů. Pouţití sběrnicového systému (příklad: DALI), nebo inteligentního systému BEMS lze povaţovat za investici, která na tak malý rozsah spotřebičů ve společných prostorech bytového domu a relativně nízkou měsíční hodnotou spotřeby elektrické energie, vykazuje dlouhou dobu návratnosti.

40

4

Úspory elektrické energie

V roce 2010 byla schválena přepracovaná směrnice Evropského parlamentu a Rady č. 2010/31/EU o energetické náročnosti budov, která dále zpřísňuje poţadavky na energetickou náročnost budov. Jiţ od roku 2013 musí členské státy EU zajistit, aby nové budovy plnily minimální poţadavky na energetickou náročnost budov. Také stávající budovy procházející větší rekonstrukcí budou muset tyto minimální poţadavky plnit. Nejpozději od roku 2019 pak budou muset být všechny nové budovy uţívané a vlastněné orgány veřejné moci budovami s téměř nulovou spotřebou energie. Nejpozději od roku 2021 se tento poţadavek bude týkat všech nových budov. V České republice se však plánuje, ţe přísnějšími poţadavky se nové budovy nebudou řídit aţ od roku 2019, resp. 2021. Bude zvoleno postupné zavádění do praxe, přičemţ první vlna zpřísnění poţadavků přijde pravděpodobně jiţ v roce 2015. Současný světový trend je charakterizován podporou energeticky účinných technologií. Evropská norma EN 15232 (Energetická náročnost budov – Vliv automatizace, řízení a správy budov) byla zpracována v úzké návaznosti na evropskou směrnici 2010/31/EU, kterou se nahrazuje 2002/91/EC, o energetické náročnosti budov. Norma uvádí metody pro vyhodnocení vlivu automatizace budov a technického řízení budov na energetickou spotřebu budov. Za tím účelem byly zavedeny čtyři třídy energetické účinnosti (A aţ D). Jakmile je budova vybavena systémy automatizace a řízení, je přiřazena k jedné z těchto tříd. Potenciální úspory tepelné a elektrické energie je moţno vypočítat pro kaţdou tuto třídu podle typu budovy a jejího účelu. Hodnoty energetické třídy C jsou pak vyuţívány jako referenční hodnoty pro porovnání účinnosti. 4.1

Potenciální úspory elektrické energie s využitím systémových elektroinstalací

O tom, zda v právě projektovaném komerčním a podobném objektu bude vyuţita systémová elektrická instalace, lze rozhodnout zcela jednoduše v závislosti na tom, do které ze tříd podle energetické náročnosti (v souladu se směrnicí 2010/31/EU) má být objekt zařazen. V bytových objektech je nutné nejdříve co nejpodrobněji popsat činnosti všech funkcí pouţitých v budově a teprve poté lze rozhodnout, zda pouţít některý z řídicích systémů. Nejde přitom pouze o obvyklé funkce, mezi něţ patří spínání a stmívání osvětlení, včetně vytváření scén, řízení vytápění, ventilace a klimatizace, včetně časových a jiných programů, řízení provozu stínicí techniky, oken a dveří, spínání zásuvkových a jiných silových okruhů, ale také o spolupráci s mnoha dalšími oblastmi funkcí.

41

Rozdělení tříd energetické náročnosti budov: A – Systém automatizace a řízení budovy (BACS) s vysokou energetickou účinností a vysoce výkonný systém technické správy budovy (TBM) B – Pokročilý BACS a TBM C – Standardní BACS D – BACS bez funkce energetické účinnost

Tab. 5 – Třída energetické náročnosti budov A, B, C, D. Řízení topení /

Řízení ventilace /

chlazení

klimatizace

Ochrana proti slunečnímu záření

Individuální řízení

Řízení proudění

Automatické řízení

Kombinované řízení

jednotlivých míst-

vzduchu v místnos-

denního světla

osvětlení/ţaluzií/topení/

ností s komunikací

tech v závislosti na

mezi kontroléry.

poţadavcích nebo

Automatická detekce

přítomnosti osob.

přítomnosti osob,

Vnitřní měření teplo-

A

Osvětlení

větrání/klimatizace (HVAC)

manuální zap. / au-

ty pro řízení teploty

Nastavení teploty s

ve vodovodní distri-

kompenzací teploty

buční síti.

dodávaného vzdu-

Automatická detekce

chu.

přítomnosti, manuál-

Úplné vzájemné

tomatické vyp.

ní zap./stmívání

blokování mezi řídi-

Řízení vlhkosti vstu-

cím systémem vytá-

pujícího a vystupují-

Automatická detekce

pění a chlazení.

cího vzduchu

přítomnosti, automat.

v místnosti.

zap./automatické vyp. Automatická detekce přítomnosti, automatické zap./stmívání.

42

Řízení topení /

Řízení ventilace /

chlazení

klimatizace

Osvětlení

Ochrana proti slunečnímu záření

Individuální řízení

Časově závislé řízení

Manuální řízení den-

Motorické ovládání s

jednotlivých místnos-

proudění vzduchu v

ního světla.

automatickým říze-

tí s komunikací mezi

jednotlivých místnos-

kontroléry.

tech.

ním ţaluzií. Automatická detekce přítomnosti osob,

B

Vnitřní měření teplo-

Nastavení teploty s

manuální zap./

ty pro řízení teploty

kompenzací teploty

automatické vyp.

ve vodovodní distri-

dodávaného vzduchu.

buční síti.

Automatická detekce Řízení vlhkosti vstu-

přítomnosti, manuální

Částečné vzájemné

pujícího a vystupují-

zap./stmívání.

blokování mezi řídi-

cího vzduchu v míst-

cím systémem vytá-

nosti.

Automatická detekce

pění a chlazení (ne-

přítomnosti, automat.

závisle na systému

zap./automatické vyp.

HVAC= topení, větrání, klimatizace).

Automatická detekce přítomnosti, automatické zap./stmívání.

43

Řízení topení /

Řízení ventilace /

chlazení

klimatizace

Individuální automa-

Časově závislé řízení

Manuální řízení den-

Motorické ovládání s

tické řízení jednotli-

proudění vzduchu v

ního světla.

manuálním ovládá-

vých místností termo-

jednotlivých místnos-

statickými ventily

tech.

C

Ochrana proti slunečnímu záření

ním ţaluzií. Manuální spínač

nebo elektronickým řídicím systémem.

Osvětlení

zap./vyp. + přídavný Konstantní nastavení

signál pro rychlé

teploty vzduchu.

zhasnutí.

teploty ve vodovodní

Omezení vlhkosti

Manuální spínač pro

distribuční síti podle

vstupujícího vzduchu.

zapnutí/vypnutí.

Kompenzované řízení

venkovní teploty. Částečné vzájemné blokování mezi systémy řízení topení/chlazení (závislé na systému HVAC). Řízení topení / chla-

Řízení ventilace /

zení

klimatizace

Osvětlení

Ochrana proti slunečnímu záření

Ţádné automatické

Ţádné řízení proudění

Manuální řízení den-

Manuální ovládání

řízení.

vzduchu

ního světla.

ţaluzií.

v jednotlivých místD

Ţádné řízení teploty

nostech.

vody v distribuční síti.

Manuální spínač pro zapnutí/vypnutí+

Ţádné řízení teploty

přídavný signál pro

vstupujícího vzduchu.

rychlé zhasnutí.

blokování mezi sys-

Ţádné řízení vlhkosti

Manuální spínač pro

témem řízení vytápě-

vzduchu.

zapnutí/vypnutí.

Ţádné vzájemné

ní/chlazení.

44

Závěr Rychlý vývoj informačních technológií a elektronických systémů umoţňuje projektantům, integrátorům a koncovým uţivatelům zvýšit komfort bydlení spolu se sníţením nákladů na provoz a údrţbu obytných budov a domů. Potřeba renovace a následné investice do obytných budov je nevyhnutná né jenom z hlediska fyzického opotřebění ale také i morálného opotřebění. Také legislativní poţadavky se zpřísňují a nařizují přísnější podmínky pro ekonomiku provozu. Část rozboru hodnot spotřeb elektrické energie spotřebičů přibliţuje a ozřejmuje obecnou problematiku provozu elektrických zařízení, nabízí uţitečné informace. Velkým překvapením bylo zjištění hodnot provozního reţimu „Stand-by“ u vybraných spotřebičů, kdy sledované zařízení zbytečně zvyšovali finanční náklady uţivatele, aniţ by byl tento reţim nevyhnutný. Z provedené úvahy nad spotřebou elektrické energie společných prostor předmětného obytného domu bylo vypozorováno, ţe spotřeba elektrické energie mněla tendenci stoupat počas hlídaného období v závislosti na četnosti vyuţití osvětlění a potřeby většího přisvětlení v zimním období. V letních měsících naopak spotřeba mněla tendenci klesat. Dále se uvádí také moţné řešení, které by vedlo k dlouhodobému sníţení spotřeby elektrické energie. Kromně technických řešení a automatizace je potřeba ale spomenout skutečnost, ţe značný podíl na hodnotách spotřebované elektrické energie mají samotný nájemnící svým chováním. Častým jevem v předmětném bytovém domě byli situace, kdy někteří nájemníci zapomínali zhasínát osvětlení v sklepných prostorech, to v mnoha případech svítilo aţ několik dnů.

45

Seznam použité literatury [1]

ENERGY WEB. Energie v domácnosti [online]. 2009. Dostupné z: http://www.energyweb.cz/web/index.php?

[2]

CO MÁ BÝT NA ŠTÍTKU. Webový portál Měšec.cz, 2010. Dostupné z: http://www.mesec.cz/clanky/energeticke-tridy-spotrebicu-vyplati-se-podle-nich-ridit/

[3]

DIGITAL LUMENS, 2014, Dostupné z: http://www.digitallumens.com/

[4]

DESIGNBUILDER SOFTWARE. Webová stránka programu DesignBuilder, 2015. Dostupné z: http://designbuilder.cz/

[5]

ČSN EN 15232. Energetická náročnost budov - Vliv automatizace, řízení a správy budovy. Praha: Český normalizační institut, 2008. 88 s.

[6]

HOSPODÁRNÉ VYTÁPĚNÍ DOMŮ A BYTŮ, Jaroslav Dufka, 2007, nakladatelství Grada, ISBN: 978-80-247-2019-7

[7]

INTERNETOVÝ ČASOPIS INTELIGENTNÍ BUDOVY. Dostupné z: www.inbudovy.cz

[8]

Směrnice 2010/31/EU, Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/pravni-predpisy/smernice2010-31-eu

[9]

PIKE RESEARCH, Dostupné z:www.navigantresearch.com

[10] STAVEBNICTVÍ, ÚSPORY ENERGIÍ, TECHNICKÁ ZAŘÍZENÍ BUDOV. Dostupné z www.tzb-info.cz [11] BECKER, Martin; KNOLL, Peter. Dokumentation zur Literaturübersicht - Energieeinsparpotenzial durch moderne Elektroinstallation. Biberach : Hochschule Biberach, 2007. s. 1-57. [12] ZPRÁVA O OČEKÁVANÉ ROVNOVÁZE MEZI NABÍDKOU A POPTÁVKOU ELEKTŘINY A PLYNU [ONLINE]. Praha: OTE a.s., 2011 [cit. 2011-08-17]. Dostupné z: http://www.ote-cr.cz/o-spolecnosti/soubory-vyrocni-zprava-ote/ZOOR_2010.pdf. [13] EUROPA [ONLINE]. 2009 [cit. 2011-11-14]. Portál Evropské unie - Publikace a dokumenty. Dostupné z:
46

[18] ENERGETICKÝ PORADCE PRE. Skladba spotřeby domácnosti [online]. 2008 [cit. 2012-03-13]. Dostupné z http://www.energetickyporadce.cz/audit-spotreby/skladbaspotreby-domacnosti.html [19] ENERGY WEB. Energie v domácnosti [online]. 2009 [cit. 2012-03-13]. Dostupné z: http://www.energyweb.cz/web/ [20] ENERGETICKÝ PORADCE PRE. Orientační hodnoty spotřeby, 2015. Dostupné z: http://www.energetickyporadce.cz/Files/poradenske-centrum/nase-sluzbyzdarma/pujcovani-mericich-zarizeni/orientacni-hodnoty-spotreby-domacich-spotrebicu/ [21] DALI KOMUNIKAČNÍ SBĚRNICE. Webový portál Ledsmagazine, 2015. Dostupné z: http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/11/microcontrollers-provideconnectivity-of-hb-led-lighting-products.html [22] DYNAMICKÉ VLASTNOSTI SPOJITÝCH REGULÁTORŮ. Webová stránka spojitých typů regulátorů, 2015. Dostupné z: http://195.178.94.43/CAAC_PHP/CAAC/cesky/synteza/s_reg/s_reg.php [23] SBĚRNICE CAN. Implementace protokolu CAN. 2010 Dostupné z: http://measure.feld.cvut.cz/cs/system/files/files/cs/vyuka/predmety/x38ssl/CANPopis.pd f [24] TECHNICKÉ INFORMACE O KNX / EIB SYSTÉMU [online]. Dostupné z: http://www.somfyarchitecture.cz/downloads/buildings/technicke_informace_o_knx_sys temu.pdf

47

Slovník pojmů a zkratek BEMS – Building Energy Management Systems Ekvitermní regulace – regulace teploty topení vzhledem k hodnotě vnější teploty prostředí HVAC (heating, ventilating, air-conditioning) – topení, ventilace, kvalita vzduchu MaR – měření a regulace Master – Nadřazený prvek, který vysílá sadů příkazů pro slave PENB - Průkaz energetické náročnosti budov Slave – Přijímá příkazy od master prvku, případně po vykonání funkce mu odešle odpověď. TZB - technické zařízení budov RFID - Radio Frequency Identification, identifikace na rádiové frekvenci.

48

Seznam použitých obrázků, tabulek a vzorců Obr. 1 - Členění spotřeby elektrické energie v domácnostech .............................................. 7 Obr. 2 - Příklad principu elektroluminiscence ....................................................................... 13 Obr. 3 - Příklad teplotní proporcionality ................................................................................ 19 Obr. 4 - Integrační konstanta – TI ........................................................................................... 20 Obr. 5 - Derivační konstanta – Td [s] ..................................................................................... 21 Obr. 6 - Liniová topologie ...................................................................................................... 31 Obr. 7 - Lineární topologie. ................................................................................................... 32 Obr. 8 - Hvězdicová technologie ........................................................................................... 32 Obr. 9 - Kruhová topolodie. ................................................................................................. 32 Obr. 10 - Stromová topologie .................................................................................................. 33 Obr. 11 - Topologie sběrnice CAN ......................................................................................... 34 Obr. 12 - Průběh komunikace DALI ....................................................................................... 35 Obr. 13 - Struktura komunikačních rámců DALI.................................................................... 35 Obr. 14 - Vývoj měsíční spotřeby elektrické energie .............................................................. 38 Tab. 1 - Rozdělení spotřeby elektrické energie v domácnostech – celková ........................... 7 Tab. 2 - Rozdělení spotřeby el. energie v domácnostech – ostatní el. spotřebiče .................. 8 Tab. 3 - Vývoj měsíční spotřeby elektrické energie ............................................................... 38 Tab. 4 - Seznam a počet prvků připojených na rozvod el. energie společných prostor ......... 39 Tab. 5 - Třída energetické náročnosti budov A, B, C, D ........................................................ 42 Vzorec 1 - TI jako integrační konstanta .................................................................................. 20 Vzorec 2 - T0 jako derivační konstanta .................................................................................. 21

49