Problemy rejestracji i regulacji temperatury w budynkach mieszkalnych

We współczesnym budownictwie mieszkaniowym, zwłaszcza spółdzielczym, istotne są problemy związane z pomiarami energii zużywanej na ogrzewanie mieszkań, rozdziałem kosztów jej zużycia na poszczególne mieszkania, a także z oceną efektywności energetycznej mieszkań czy budynków (energochłonnością). Autorzy od wielu lat proponują własne rozwiązania tych problemów poprzez zastosowanie rejestratorów mierzących temperatury pomieszczeń w całym budynku.

Autorzy:

Dr inż. Marek Durnaś – Wyższa Szkoła Techniczno-Ekonomiczna w Szczecinie
dr inż. Jan Skórski – Wydział Elektryczny, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Ostatnie lata pokazały na przykładach firmowych rozwiązań nowych podzielników kosztów ogrzewania (zastosowano w nich dwuczujnikowy pomiar temperatury, z których jeden mierzy temperaturę grzejnika a drugi temperaturę pomieszczenia w przypadku zamknięcia zaworu grzejnika) prawidłowość proponowanej przez autorów metody. Niestety, podzielniki mimo wprowadzenia pomiaru temperatury pomieszczeń, są nadal umieszczane na grzejnikach z reguły przesłoniętych zasłonami, co fałszuje ich wskazania. Zaproponowaną metodę bezpośredniej rejestracji temperatury pomieszczeń można z powodzeniem wykorzystać także do oceny efektywności energetycznej budynków.

Rejestratory temperatury i wilgotności

W zaproponowanych systemach pomiarowych najistotniejszymi elementami są miniaturowe rejestratory temperatury, które umieszcza się we wszystkich pomieszczeniach w całym budynku. Zastosowane rejestratory temperatury (DS 192x firmy Maxim) mają parametry [9]:

• szeroki zakres pomiaru od -40 do +125°C,
• duża rozdzielczość od 0,5 lub 0,0625°C,
• wbudowany, kwarcowy zegar czasu rzeczywistego,
• pamięć – 2048 lub 4096/8192 próbek,
• programowany czas próbkowania od 1 s do 273 h,
• możliwość pracy w sieci 1-Wire,
• czas pracy do 10 lat.

Niewielkie rozmiary, obudowa odporna na trudne warunki środowiskowe umożliwiają użycie rejestratorów do wielu zastosowań w najtrudniejszych warunkach. Wbudowany zegar czasu rzeczywistego umożliwia przypisanie daty i czasu do każdej zarejestrowanej temperatury. Wewnętrzna pamięć nieulotna umożliwia zapis od 2048 do 8192 pomiarów w zależności od typu rejestratora, co przykładowo przy cogodzinnym pomiarze temperatury umożliwia rejestrację w okresie od 3 do 12 miesięcy. Przykładowe przebiegi zarejestrowanych temperatur pomieszczeń i temperatury zewnętrznej przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Przykładowe wyniki rejestracji temperatur czterech pomieszczeń i temperatury zewnętrznej w okresie od października do grudnia

Wprowadzana w ostatnich latach dodatkowa termoizolacja ścian zewnętrznych budynków i wymiana okien przynosi znaczne ograniczenie poboru ciepła lecz również pogorszenie warunków wentylacji pomieszczeń. Użytkownicy mieszkań zmniejszając koszty ogrzewania, dodatkowo uszczelniają pomieszczenia i zmniejszają ich temperaturę. W wyniku takich działań nadmiernie wzrasta stopień zawilgocenia, prowadzący nieuchronnie do zagrzybienia mieszkań. Z tego względu proponuje się zastosowanie miniaturowych rejestratorów temperatury i wilgotności typu DS1923, idealnie nadających się do przeprowadzania długookresowych badań temperatury i wilgotności pomieszczeń, szczególnie narażonych na zawilgocenie.

Propozycja metody pomiaru ciepła 

W przypadku pomiaru zużycia energii cieplnej tradycyjne metody oparte na wskazaniach stosowanych dziś podzielników nie wchodzą w rachubę z dwóch powodów:

• na podstawie przeprowadzonych badań i analiz metody oparte na wskazaniach podzielników nagrzejnikowych są obarczone dużymi błędami, szczególnie w budynkach o dużej termoizolacyjności ścian zewnętrznych,
• brak możliwości prostego i taniego sprzęgnięcia z siecią pomiarową.

Autorzy proponują pomiar zużycia energii cieplnej i określanie jej kosztów metodą najbardziej zrozumiałą i przemawiającą do lokatorów, w której opłaty są bezpośrednio powiązane z temperaturą pomieszczeń – „komfortem cieplnym” [1, 2, 4, 5]. Przy określaniu kosztów ogrzewania tą metodą, konieczna jest znajomość temperatury w ogrzewanych pomieszczeniach. Należy ją więc mierzyć i rejestrować. Dla każdego mieszkania ustala się wskaźnik zużycia ciepła:

(1)

gdzie:

T_wj – temperatura w pomieszczeniu o numerze j,

T_o – temperatura odniesienia,

S_j – parametr charakteryzujący pomieszczenie (powierzchnia lubkubatura),

k – współczynnik stały,

τ – czas.

Przy uwzględnieniu całkowitych kosztów poszczególni użytkownicy są obciążeni opłatami wynikającymi z zależności:

(2)

gdzie:

K_ob – sumaryczne koszty ogrzewania budynku,

K_sb – koszty stałe ogrzewania budynku,

K_zb – koszty zakupu ciepła do ogrzewania budynku.

Autorzy proponują, żeby do podziału kosztów ogrzewania zastosować miniaturowe rejestratory temperatury umieszczone w każdym z pomieszczeń budynku oraz rejestrację temperatury przez okres sezonu grzewczego z częstotliwością jednego pomiaru na godzinę.

Głównym celem takiej propozycji jest możliwość uwzględnienia przepływów ciepła pomiędzy lokalami oraz ciepła emitowanego przez piony, gałązki itp. W rezultacie mamy możliwość optymalnego dostosowania systemu rozliczeń w taki sposób, aby lokator płacił za ogrzewanie własnego lokalu, a nie lokali sąsiednich. Poprzednie systemy z zastosowaniem podzielników nagrzejnikowych mogą spowodować, że lokator budynku po wprowadzeniu termoizolacji ścian zewnętrznych zapłaci więcej niż poprzednio. Wynika to z faktu, że zmniejszenie strat zewnętrznych nie zapobiega wzrostowi względnych przepływów energii cieplnej do sąsiednich lokali o niższej temperaturze.

W nowym systemie można użyć miniaturowych rejestratorów temperatury z rodziny DS 192x firmy Maxim, których parametry pozwalają na stosowanie ich w budownictwie. Pomiar i rejestracja temperatury pomieszczeń w sezonie grzewczym nadaje się do wykorzystania w rozliczeniach kosztów ciepła w lokalach głównie z tego powodu, że jako jedyna uwzględnia przepływy ciepła pomiędzy lokalami. Metoda ta może być z powodzeniem wykorzystana w starszym budownictwie, gdzie nie ma możliwości wykonania większych prac budowlanych. Najlepszym momentem na wymianę dotychczasowego systemu pomiaru zużycia ciepła za pomocą nagrzejnikowych podzielników kosztów jest termoizolacja, która w istotnym stopniu pogarsza i tak niesprawiedliwy rozdział kosztów ogrzewania ze względu na istotną zmianę przepływów ciepła pomiędzy mieszkaniami. Proponowany system pomiarowy przedstawiono na rysunku 2. Rejestratory są odczytywane indywidualnie i okresowo, a po opracowaniu wyników według określonego powyżej algorytmu, jest wyznaczana część całkowitych kosztów ogrzewania przypadająca na lokal.

Na rysunku 2 przedstawiono również system oparty na rejestratorach temperatury pracujących w sieci 1-Wire. Sieć ta łączy rejestratory w mieszkaniu, mieszkania na klatce czy rejestratory w całym bloku. Zastosowane rejestratory są przystosowane do połączenia w sieć bez zewnętrznego źródła zasilania, co daje możliwość odczytu stanu rejestratorów bez wchodzenia do mieszkań z jednego miejsca w budynku, czy też po rozbudowie sieci łączności, automatycznej transmisji wyników do zarządcy budynków.

Rys. 2. System z rejestratorami temperatury pomieszczeń

Uniwersalny system sieciowy oparty na rejestratorach temperatury pomieszczeń

Większość stosowanych w Polsce metod rozliczania kosztów ogrzewania bazuje na nagrzejnikowych, elektronicznych podzielnikach kosztów. Podstawowym błędem tych metod jest nieuwzględnianie przepływów ciepła pomiędzy lokalami, zmniejszanie cyrkulacji powietrza przez firany czy zasłony przyczyniając się do znaczącego zafałszowania pomiarów. Autorzy proponują wprowadzenie do pomiarów zużycia mediów w nowo powstających lub modernizowanych budynkach systemu opracowanego na podstawie budynkowej sieci LonWorks lub Ethernet, w którym wykorzystuje się wyłącznie rejestratory temperatury pomieszczeń. Przy współpracy z Katedrą Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie i firmą ZDANIA powstał prototyp uniwersalnego, mieszkaniowego modułu monitoringu mediów w wersji, która umożliwia rejestrację temperatury pomieszczeń oraz zużycie pozostałych mediów. Cały system dla budynku (rys. 3) to wersja najbardziej zaawansowana, sieciowa umożliwiająca przekazywanie danych do dystrybutorów mediów czy do zarządcy (spółdzielni mieszkaniowej). System ten jest skalowalny, co umożliwia wybór mierzonych mediów i sukcesywną rozbudowę systemu. W ten sposób można połączyć jedną siecią całe zasoby spółdzielni.

Rys. 3. Sieć monitoringu mediów z wykorzystaniem systemu LonWorks i Internetu

Propozycja metody określania efektywności energetycznej budynku

Przedstawiony system pomiaru zużycia mediów autorzy proponują wykorzystać do oceny eksploatacyjnej (rzeczywistej) efektywności energetycznej, wprowadzając pewne zmiany [8]. Zmiany te polegają na umieszczeniu rejestratorów temperatury także w piwnicach, na strychach, klatkach schodowych itp. Pozwoli to na dokładniejszą ocenę zużycia ciepła. Dla oceny efektywności energetycznej budynku należy pomierzyć wszystkie rodzaje energii dostarczonej do budynku w okresie sezonu grzewczego. Energia dostarczona to: Q_G – ogrzewanie, Q_EE – energia elektryczna, Q_GS – energia spalanego gazu, Q_CW – ciepła woda, Q_S – energia słoneczna, Q_L – ludzie.

Dostarczona energia zostaje zużyta na pokrycie strat ciepła przez ściany pomieszczeń oraz ich wentylację. Większość wymienionych rodzajów energii jest mierzona bezpośrednio lub pośrednio, natomiast niektóre są przyjmowane szacunkowo. Autorzy jako współczynnik efektywności energetycznej proponują przyjąć stosunek sumy energii dostarczonych do budynku (mieszkania) w sezonie grzewczym do energii, która pozostała w budynku w postaci ciepła określonego za pomocą wskaźnika Y_i (1).

(3)

gdzie:

T_wj – temperatura w pomieszczeniu o numerze j,

T_o – temperatura odniesienia,

S_j – parametr charakteryzujący pomieszczenie (powierzchnia lub kubatura),

τ – czas,

m, k – współczynniki stałe.

Proponowana metoda pomiaru efektywności energetycznej budynku pozwala również na wyznaczenie E_EN dla domów jednorodzinnych z indywidualną instalacją grzewczą. Instalacja centralnego ogrzewania stosowana w domach jednorodzinnych składa się ze sterowanego źródła ciepła, najczęściej kotła gazowego, grzejników znajdujących się w poszczególnych pomieszczeniach, połączeń pomiędzy nimi i źródłem ciepła oraz pompy obiegowej. W takich instalacjach grzewczych regulator temperatury steruje temperaturą wody zasilającej na podstawie różnicy pomiędzy temperaturą zadaną a temperaturą w jednym z ogrzewanych pomieszczeń. Regulator jest wyposażony w czujnik temperatury pomieszczenia reprezentatywnego oraz sterownik programowalny, umożliwiający czasowe sterowanie temperaturą zadaną. Jest to typowa dwustawna regulacja temperatury, przy czym grupowy obiekt regulacji jest oddalony od sterowanego źródła ciepła i reprezentowany tylko przez jedno z ogrzewanych pomieszczeń. Po otrzymaniu sygnału z regulatora o zbyt niskiej w stosunku do temperatury zadanej kolejno następuje: włączenie pompy obiegowej wymuszającej cyrkulację wody w instalacji, włączenie zapalnika iskrowego i dwustopniowe otwarcie elektrozaworu w przewodzie doprowadzającym gaz. Po otrzymaniu sygnału z czujnika płomieniowego o zapaleniu się gazu, nagrzewanie wody przepływającej przez piec grzewczy trwa do momentu, w którym regulator zasygnalizuje osiągnięcie temperatury zadanej w czujniku regulatora lub też nastąpi przekroczenie ustawionej przez użytkownika, granicznej temperatury wody zasilającej instalację. W tym momencie następuje zamknięcie dopływu paliwa, a po pewnym czasie wyłączenie pompy obiegowej.

Model symulacyjny ogrzewanego budynku jednorodzinnego z instalacją centralnego ogrzewania

Zależności określające temperaturę ogrzewanych pomieszczeń wykorzystywane do budowy układu symulacyjnego mają postać układu równań różniczkowych [3, 6] 

(4)

gdzie:

c_p i v_iw – odpowiednio ciepło właściwe i objętość powietrza w i-tym

pomieszczeniu,

Θ_wi – temperatura wewnętrzna pomieszczenia,

Θ_z – temperatura zewnętrzna,

Q_wi – moc od dodatkowych źródeł wewnętrznych,

Q_ri – moc promieniowania słonecznego,

α – współczynniki przejmowania ciepła (z odpowiednimi indeksami) na powierzchni grzejników Fgi oraz powierzchniach przegród wewnętrznych F_{wi(i, j)} i zewnętrznych F_zi,

k_i0 – współczynnik przenikania ciepła przez okna o powierzchni F_i0,

Θ_śgi – średnia temperatura powierzchni grzejników,

Θ_św(i,j) – średnia temperatura przegród wewnętrznych pomiędzy sąsiadującymi pomieszczeniami i i j,

v’_iw – objętość strumienia masy infiltrującego powietrza.

Moc grzejnika określająca ilość ciepła dostarczonego do pomieszczenia wyraża się wzorem:

(5)

gdzie:

m_i´ – przepływ wody przez grzejnik,

c – ciepło właściwe wody,

Θ_1,2gi – temperatura zasilania i powrotu z grzejnika.

W modelu symulacyjnym uwzględniono również wpływ zmian warunków atmosferycznych na temperaturę pomieszczeń oraz oddziaływanie zmiennych w czasie opóźnień transportowych w instalacji grzewczej. Jeżeli instalacja centralnego ogrzewania nie jest wyposażona w termoregulatory nagrzejnikowe, wówczas wpływ dodatkowych źródeł ciepła w pomieszczeniach nie jest w pełni kompensowany przez wymianę ciepła pomiędzy pomieszczeniami. Stabilizowana jest jedynie temperatura pomieszczenia, w którym znajduje się regulator pieca grzewczego. Zastosowanie termoregulatorów nagrzejnikowych kompensuje wpływ dodatkowych źródeł ciepła oraz warunków zewnętrznych poprzez zmianę przepływów m_i´(t) przez grzejniki, co wpływa pośrednio na zmianę sumarycznego przepływu M´(t) zgodnie z charakterystyką pompy obiegowej. Dynamikę zmian temperatury grzejników pod wpływem zmian temperatury zasilania można scharakteryzować jako działanie członu inercyjnego drugiego rzędu z opóźnieniem transportowym. W przypadku stosowania regulatorów nagrzejnikowych opóźnienia transportowe zależą od zmiennej w czasie wielkości przepływu przez grzejniki oraz przez źródło ciepła. Zawory nagrzejnikowe nie tylko znacznie zmniejszają wielkość wahań temperatur w poszczególnych pomieszczeniach, lecz również umożliwiają zróżnicowanie ich temperatur w zależności od potrzeb użytkowników. Na rysunku 4 przedstawiono wynik symulacji przebiegu mocy cieplnej, oddawanej przez grzejnik w pomieszczeniu przy dwustawnej regulacji źródła ciepła. 

Rys. 4. Przebieg mocy cieplnej P(t) przekazywanej przez grzejnik do ogrzewanego pomieszczenia. Czas [min], moc grzejnika [W]. Zaznaczono sumaryczny przepływ wody M´(t).

Rys. 5. Wpływ zewnętrznych warunków atmosferycznych na działanie systemu centralnego ogrzewania z termozaworami nagrzejnikowymi. Przebiegi T₁, T₂, T₃ – temperatury pomieszczeń, T_z + T_v – sumaryczny wpływ zmian temperatury zewnętrznej i wiatru (4 m/s) na tle przepływu wody przez źródło ciepła.

Natomiast rysunek 5 przedstawia przebiegi temperatur w trzech pomieszczeniach na tle zmian przepływu przez źródło ciepła i zmian temperatury efektywnej T_z + T_v. 

Przebieg temperatury T₂ w pomieszczeniu regulatora nie odbiega od temperatury zadanej 20^oC. Przebieg T₁ otrzymano dla pomieszczenia o największej kubaturze, natomiast T₂ dla pomieszczenia najmniejszego.

Termozawory nagrzejnikowe umożliwiają oczywiście większe rozstrojenie temperatur pomieszczeń, dochodzące przy względnie dobrej termoizolacyjności budynku do 4^oC od temperatury zadanej.

Wnioski

Przedstawione wyniki badań symulacyjnych pokazują, że model symulacyjny oparty na zależnościach (4) i (5) oraz nieliniowych elementach układów sterowania, zamieszczonych w programie Matlab-Simulink pozwalają na przeprowadzenie wstępnych badań projektowanych systemów instalacji grzewczych w domach jednorodzinnych. Wyniki badań pokazują również, że wahania temperatury pomieszczeń wywołane dwustawną regulacją w instalacji centralnego ogrzewania są nieznaczne i umożliwiają poprawną rejestrację temperatur pomieszczeń dla podziałów kosztów ogrzewania mieszkań czy wyznaczenia rzeczywistej efektywności energetycznej budynków z indywidualnymi źródłami ciepła.

LITERATURA

[1] Skórski J., Skórski A.: Sposób rozliczania energii cieplnej. Zgłoszenie patentowe P342830. Biuletyn Urzędu Patentowego 2002 nr 8

[2] Skórski J., Durnaś M.: Sposób określania zużycia energii cieplnej wraz z systemem rozliczania kosztów w budynkach mieszkalnych i biurowych. IV Konferencja Naukowa „Postępy w Elektrotechnice Stosowanej”, Kościelisko 2003

[3] Durnaś M., Skórski J.: Symulacja dynamiki wpływu zewnętrznych warunków atmosferycznych na temperaturę pomieszczeń mieszkalnych. IV Konferencja Naukowa „Postępy w Elektrotechnice Stosowanej”, Kościelisko 2003

[4] Skórski J., Szaflik W.: Podział kosztów ogrzewania na podstawie pomiaru temperatury w pomieszczeniach za pomocą miniaturowych rejestratorów. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2004 nr 6

[5] Skórski J., Szaflik W.: Propozycje systemów pomiaru zużycia energii cieplnej na ogrzewanie mieszkań dla spółdzielni mieszkaniowych. Przegląd Elektrotechniczny 2008 nr 7

[6] Durnaś M., Skórski J.: Układy sterowania węzłem ciepłowniczym z wykorzystaniem metody MFC i przetwornika szybkości oddawania ciepła. Wiadomości Elektrotechniczne 2009 nr 3

[7] Skórski J.: Interaktywny system pomiaru zużycia mediów i określania ich kosztów w zasobach spółdzielni mieszkaniowych z dostępem lokatorów do przetworzonych danych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2009 nr 9

[8] Skórski J., Durnaś M.: Propozycja systemu pomiaru efektywności energetycznej mieszkań i budynków. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2011 nr 2

[9] Katalogi i noty aplikacyjne firmy Maxim 2011