Simulační studie potenciální úspory energie u systému řízení vytápění s využitím detekce přítomnosti osob a předpovědi počasi

Vychozí situace

Konvenční systémy řízení vytápění regulují teploty výhradně na základě místních měření – teploty vzduchu uvnitř a vně budovy. Pokročilé systémy umožňují uživatelům naprogramovat časový harmonogram vytápění. Ve stanovených obdobích nepřítomnosti snižuje nastavení nižší teploty v místnostech spotřebu energie na vytápění. Takovéto systémy však nedokáží reagovat na přítomnost či nepřítomnost uživatelů mimo nastavená období ani neberou v potaz vývoj klimatických podmínek v nejbližších hodinách.

Zkoumaný systém

Vedle funkcí totožných s konvenčními systémy řízení vytápění, jako je možnost nastavit období nepřítomnosti, dokáže zkoumaný systém detekovat polohu chytrých telefonů uživatelů prostřednictvím satelitní navigace GPS. Na základě těchto údajů statistiky kalkuluje předpokládaný čas příchodu každého člena domácnosti. Tento inteligentní systém se také učí, jak dlouho trvá prostory vyhřát na požadovanou teplotu, aby aktivoval vytápění s příslušným předstihem před příchodem prvního obyvatele. Volbou úrovně teplotního komfortu může uživatel ovlivnit předstih, s jakým bude vytápění aktivováno, a tedy teplotní komfort dosažený do doby příchodu.

Dále má systém přístup k místní předpovědi počasí a shromažďuje data o vlivu předpovědi slunečního svitu na teplotu vzduchu v místnostech. Je-li v následující hodině očekáváno dostatečně slunečné počasí, řídicí systém na základě těchto dat s předstihem vytápění ztlumí.

Metoda

Studie je založena na analýze přechodného systému (s pomocí nástroje TRNSYS 17). Algoritmus zkoumaného systému je ve zjednodušené podobě replikován a propojen s nástrojem TRNSYS. Studie byla provedena na typickém jednogeneračním rodinném domě a typickém bytě o 5 místnostech, a to dvakrát při různém stáří staveb.

K posouzení různých způsobů užívání slouží scénáře s jednočlennou a vícečlennou domácností, přičemž pro každý scénář jsou definovány realistické teplotní profily.

Pro simulaci chování topného systému včetně realistických teplot teplonosného média zahrnuje simulační model i teplotní křivku závislou na venkovní teplotě a podrobné modely otopných těles a jejich řízení. Tato studie uvažuje nastavení systému na jeden z nižších stupňů teplotního komfortu.

Referenční budova

Výsledky ze zkoumané budovy jsou porovnávány s referenční budovou. Jedná se o zcela identickou budovu, vyjma jediného rozdílu: konvenční termostaty na radiátorech ve všech místnostech jsou nastavené tak, aby po celý den udržovaly konstantní teplotu 20 °C. V noci je kvůli snížení pokojové teploty teplota teplonosného média nižší o 10 K [1].

Simulace předpovědi počasí

Zkoumaný systém využívá globální předpověď slunečního svitu. Tato předpověď a skutečná intenzita slunečního záření se přirozeně liší. Za skutečné hodnoty – stejně jako u ostatních klimatických veličin – jsou dosazovány hodnoty referenčního roku (2004) pro Mnichov [2]. Rozdíly mezi předpovědí a skutečnými hodnotami jsou stanoveny na základě rozdílu mezi předpovědí pro město Holzkirchen a naměřenými údaji z vlastní meteorologické stanice ústavu. Na základě získaných dat byl vytvořen vhodný matematický model odchylek. Studie pracuje s daty z globální předpovědi slunečního svitu TRY upravenými pomocí tohoto modelu.

Výsledky

Bylo zjištěno, že zkoumaný systém dokáže snížit energetické nároky vytápění u zkoumaných domácností o 14-26 % pomocí inteligentního řízení zdroje tepla (např. kotle nebo tepelného čerpadla). Vzhledem k tomu, že bylo v této studii užito nastavení nižšího teplotního komfortu, není v některých případech domácnost při příchodu prvního obyvatele ještě zcela vytopena a v některých obdobích skutečná teplota nedosahuje cílové hodnoty. Vedle zvoleného nastavení teplotního komfortu závisí dosažitelná úspora energie především na době, kterou obyvatelé denně stráví doma, zvolené teplotě vzduchu v místnosti v době nepřítomnosti a na vnitřních zdrojích tepla (lednice, sporák apod.). Čím častěji uživatelé domov opouští a čím déle jsou nepřítomni, tím vyšší je potenciální úspora energie, které systém dosahuje, protože se prodlužuje délka a četnost období se sníženou teplotou vzduchu v místnostech. U systémů s přednastaveným harmonogramem se může stát, že uživatel přijde do chladného domova, vrací-li se v neočekávanou dobu. Aby byla domácnost při příchodu obyvatel spolehlivě vytopena, je tedy nutné období přítomnosti nastavit s dostatečnou rezervou. Právě při nepravidelných obdobích přítomnosti a nepřítomnosti se výrazněji projeví silná stránka zkoumaného systému s automatickou detekcí uživatelů, kdy není nutné předpokládat delší období přítomnosti a teplota je přizpůsobována skutečnému stavu.

Bylo zjištěno, že detekce přítomnosti sama o sobě může snížit spotřebu energie na vytápění až o 24 %. Snižování teploty pouze podle předpovědi počasí může snížit spotřebu až o dalších 7 % v závislosti na velikosti oken. Je-li plocha oken relativně velká, efekt bude příslušně vyšší. Zkoumaný systém zvaný „tado°“ je k dispozici od listopadu 2012.

Obr.1: Čistá úspora energie při vytápění u nerekonstruovaného bytu obývaného jednou osobou a u jednogeneračního rodinného domu obývaného rodinou.

Užitá literatura

[1] DIN V 18599-10:2007-02. Energy effciency of buildings – Calculation of the energy needs, delivered energy and primary energy for heating, cooling, ventilation, domestic hot water and lighting – Part 10: Boundary conditions of use, climatic data.

[2] Christoffer, Jürgen; Deutschländer, Thomas; Webs, Monika: Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere und extreme Witterungs-verhältnisse TRY. Offenbach a. Main: Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, 2004.

© Fraunhofer Institute for Building Physics IBP – Šíření nebo užití textu a grafiky, a to vcelku nebo zčásti, je možné pouze s předchozím písemným souhlasem Fraunhofer IBP.

Originál studie v angličtině si přečtěte zde.