Měření, odečet a účtování spotřeby vody a energií v bytovém domě

Měření, odečet a účtování spotřeby vody a energií v bytovém domě

Článek popisuje současný stav v oblasti automatizace měření a odečtu spotřeby vody, plynu a tepla v obytných domech. Uvádí jednotlivé typy měřičů a hodnotí jejich použití z hlediska možnosti začlenit je do domovních systémů měření spotřeby. Velká pozornost je věnována ekonomickým hlediskům aplikace systému automatických odečtů. Navrhované řešení vychází ze současné situace, nevyžaduje speciální měřiče a většinu úkolů spojených s automatizovaným měřením přenechává procesoru nadřízené jednotky. Autoři konstatují, že jako nejvýhodnější řešení se jim jeví integrace měření všech odebíraných komodit.

1. Úvod
Měření spotřebovaného množství vody, tepla a dalších energetických médií v bytech je nejméně dvě desetiletí v popředí zájmu techniků i ekonomů v celém vyspělém světě. S malým zpožděním je tomu tak i v naší zemi. Okruh problémů do značné míry kopíruje předchozí vývoj v průmyslové sféře, kde od šedesátých let bylo investováno obrovské množství prostředků do vývoje a aplikací technických prostředků, zaměřených zejména na centralizaci naměřených dat a jejich vyhodnocení. Zásadní odlišností problematiky měření v bytech ve srovnání s obdobným měřením v průmyslu je požadavek velmi nízkých nákladů. Celkové objemy měřeného množství oproti průmyslovým datovým tokům jsou totiž velmi malé. Odpověď na otázku, proč je v současné době reálné uvažovat o automatizaci sběru naměřených údajů v bytech, lze spatřovat ve dvou okolnostech:

• v rozvoji technologií, zejména mikroelektroniky a výpočetních prostředků,
• v růstu ceny energie (zejména výrazné v ČR a dalších postsocialistických zemích).

K hlubšímu objasnění problematiky v celé šíři použijme pětivrstvový model průmyslových měřicích systémů (tab. 1), modifikovaný pro oblast měření v bytech.

Tab. 1. Pětivrstvový model průmyslových měřicích systémů modifikovaný pro oblast měření v bytech

Současné měřiče spotřeby vody, tepla, elektřiny a plynu lze z hlediska automatizace dělit do tří kategorií:

Uvedené třídění je nezávislé na použitém fyzikálním principu měření a technologické realizaci měřiče. Samozřejmě některé konstrukce lépe vyhovují kategorii a, jiné naopak kategorii c.

2. Snímače spotřeby vody a energií

2.1 Studená a teplá užitková voda [2]
Nejrozšířenější jsou vrtulkové průtokoměry s mechanickým registrem. Výjimečně jsou vybaveny vysílačem impulsů pro vstup do elektronického systému. Mechanické pohyblivé ústrojí je značně ovlivňováno nečistotami, obsaženými zejména v teplé užitkové vodě.

Elektronické principy se začínají používat i pro běžné bytové průtokoměry, zejména jsou-li součástí sběrného elektronického systému. Využití schopností řídicí jednotky s procesorem nejen pro obsluhu jednoho snímače a klesající ceny elektronických součástí umožňují radikálně snížit výrobní náklady indukčních, popř. též ultrazvukových průtokoměrů. Moderní průtokoměry pro teplou užitkovou vodu (TUV) jsou vybaveny teploměrem pro rozlišení kvality, popřípadě, pokud by to v budoucnosti příslušná legislativa připustila, i pro stanovení aktuální ceny podle skutečné teploty vody (podle entalpie).

Přestože bytové průtokoměry jsou podle zákona měřidla stanovená, v dosavadní praxi jsou obvykle používána pro rozpočet náměru patního měřiče, tedy jako měřidla poměrová.

2.2 Teplo pro vytápění [2]
Přestože teplo tvoří dominantní složku nákladů mezi všemi placenými médii, bylo jeho měření dlouhou dobu opomíjeno. Důvodem je obtížnost správného měření vzhledem k necentralizovanému šíření v domě, na rozdíl od ostatních médií. Stále se v odborných i laických kruzích diskutuje zejména o dvou základních přístupech:

• měření skutečně dodaného tepla rozvodem ústředního topení,
• měření užitné hodnoty tepla (tepelné pohody), bez rozlišování cesty, kterou bylo teplo přivedeno.

V systému podle obr. 1 je použit druhý přístup, jsou měřeny teploty text (venkovní teplota) a střední teploty jednotlivých bytů tint. Výpočtem je určen časový integrál (tzv. denostupeň), podle kterého je rozpočítáno spotřebované teplo měřené patním měřičem. Rozpočet není třeba modifikovat žádnými odhadovými koeficienty, jež závisejí na poloze bytu a jiných atributech.

2.3 Plyn [3]
Obtížnost měření malých průtoků výbušného plynu je příčinou využívání mechanického principu měření plynu známého téměř 200 let. Pro snímání spotřeby plynu elektronickým systémem nezbývá než použít klasický měřič s vysílačem impulsů. V současné době se projevují zřetelné snahy o využití známých principů nemechanických, využívaných v průmyslových měřeních. Nadějné jsou především principy ultrazvukového snímání rychlosti proudění [4] a hmotnostní Coriolisův průtokoměr [5].

1 - pojistka, 2 - bytový elektroměr, 3 - povely, 4 - signál výkonu, 5 - napájení 12 V, 6 - plyn, 7 - studená voda, 8 - teplá užitková voda, 9 - t_ins teplota uvnitř bytu, 10 - teplo pro TUV, 11 - teplo pro vytápění, 12 - voda, 13 - GSM, 14 - lokální odečty, 15 - t_ext venkovní teplota

2.4 Elektrická energie
Nejrozšířenější jsou elektroměry elektromechanické, tzv. Ferraisovy, využívající točivý moment úměrný součinu proudu a napětí. Registr je mechanický, jen výjimečně je elektroměr vybaven výstupem impulsů pro vstup do sběrného systému. V posledních deseti letech se postupně rozšiřují elektronické elektroměry, vždy kategorie a, popř. b. Rychlejšímu rozšíření brání dosud větší pořizovací cena vzhledem k elektromechanickým elektroměrům. Optimální, s ohledem na cenu, a relativně snadné je technické řešení snímače elektrické práce. Existuje široká nabídka speciálních integrovaných obvodů [6], které je možné, po doplnění snímacími transformátory proudu a napětí, začlenit do procesoru bytové jednotky.

Rozšíření systému o registraci spotřeby elektřiny odstraní nezbytnost rozvodu napájení k bytovým jednotkám (v obr. 1 vyznačen přerušovanými čarami). Nepříjemnou okolností v stávajících bytových domech je oddělení koridorů rozvodu elektřiny (obvykle schodišťovou šachtou) a vody (šachtou bytových jader). Při současném způsobu výstavby tato nevýhoda zcela odpadá.

3. Požadované aktivity a vlastnosti měřicího systému

3.1 Měřené veličiny
Od měřicích systémů se požaduje, aby měřily tyto veličiny:

• podíl na celkové spotřebě tepla pro vytápění,
• množství odebrané TUV a spotřebovaného tepla pro její přípravu,
• množství odebrané studené vody,
• odebraná elektrická energie – jednofázový odběr, volitelné alespoň dva tarify pomocí HDO,
• odebrané množství plynu.

3.2 Přístup k naměřeným datům
Uživatel bytu musí mít možnost kdykoliv číst aktuální stavy registrů spotřebovaných komodit v jeho bytě. Správce domu nebo jím pověřená osoba musí mít možnost odečítat náměry všech odběrných míst v domě. Pracovníci pověření odečtem pro účely fakturace musí mít prostřednictvím správce domu přístup k odečteným položkám příslušným zastupovanému dodavateli. Umožňuje-li systém dálkový odečet náměrů, musí být dodavatelům komodit dovolen přístup k příslušným náměrům těchto komodit.

3.3 Nejistota náměrů
Základní nejistota náměru je dána dovolenou chybou měření použitého snímače a měřicí metody. Snímače množství SV, TUV, elektrické energie a plynu mají dovolenou chybu obvykle 2 %, chyba rozdělení tepla pro vytápění často dosahuje 10 % (dáno obtížně definovatelnými cestami šíření tepla v domě).

Měření dodávek do bytů je svou podstatou značně prostorově rozptýlené a musí být trvale v provozu bez odborného dohledu. Mimoto má uživatel přirozený zájem na co nejnižších náměrech, které, je-li to usnadněno konstrukcí přístrojového vybavení, upravuje ve svůj prospěch. Technické závady systému mohou způsobit podstatně větší nejistotu údajů, působí-li po relativně velkou část doby mezi odečty. U elektronických systémů jsou možné výpadky měření nebo samovolné načítání. Typický výpadek měření je důsledkem přerušení dodávky elektrické energie pro napájení systému. Samozřejmostí je ukládání dat do energeticky nezávislé paměti a ztráta náměru je pak vztažena jen na dobu výpadku. V současné době doba výpadku jen zcela výjimečně dosáhne deseti hodin za rok, a to při uvažování rovnoměrného odběru znamená nejistotu 10/8 760 = 0,0011 (0,1 %), tedy řádově méně než základní chyba měření.

Hrubé změny stavu systému, včetně záměrných ovlivnění, lze pomocí statistických výpočtů snadněji prověřovat v automatickém systému než při použití individuálních přístrojů.

Nejúčinnější bude kontrola v systému s dálkovým odečtem (např. v síti GSM).

3.4 Ekonomické aspekty měření
Klíčovou otázkou je přijatelná cena technických prostředků měření a provozních nákladů na odečet náměrů a následné fakturace. Jako vždy v ekonomických úvahách jde o řadu psychologických vztahů, často bez věcných hodnocení, spíše vytvořených historickým vývojem. Zatímco dodavatelé elektřiny a plynu pronajímají měřidlo spotřebiteli a jeho amortizaci započítají do odběru, měřicí vybavení pro odběr SV, TUV a tepla pro vytápění bytu je nyní hrazeno uživatelem, popř. majitelem bytu. Návratnost investice do měření je odběratelem hodnocena potenciálními úsporami oproti platbě paušální. Ve všech případech spočívá ekonomický problém ve značné rozptýlenosti odběrů a rostoucí ceně technických prostředků pro měření a centralizaci odečtů. Přestože dálkový odečet náměrů má zásadní přednosti oproti odečtům individuálním, je obtížné, ne-li nemožné, získat věrohodné ekonomické podklady pro věcné hodnocení a uplatnění v procesu vývoje a projektování integrovaného systému. Zejména se to týká odpovědí na otázky:

• jaká je cena jednoho odečtu v bytě?
• jaký je ekonomický význam častějšího odečtu v průběhu účtovacího obdob

Důsledkem neujasněných ekonomických vztahů je nejasné zadání požadavků na vývoj technických prostředků. Ty jsou pak řešeny izolovaně pro jednotlivé energie a média se snahou instalovat v domech samostatný systém dálkového odečtu pro elektroměry, plynoměry, vodoměry a měřiče dodaného tepla. Je zřejmé, že takové řešení je za současného poměru cen dodávaných komodit a cen prostředků informatiky běžně nepoužitelné.

4. Současné technické prostředky firmy Lomex, možnosti rozšíření

Systém dodávaný firmou Lomex pod označením MV1 odpovídá svou strukturou obr.1 (zahrnuje moduly s modrým podtiskem).

Základ systému tvoří bytové měřicí jednotky (BJ), sběrnicově propojené s centrální jednotkou (CJ), umístěnou v rozváděči ve společných prostorách domu. Ke každé BJ je připojeno bytové čidlo teploty (t_int) a průtokoměry pro studenou vodu a teplou užitkovou vodu (SV a TUV). U rozlehlejších bytů se používají dvě čidla teploty. BJ je zpravidla umístěna v blízkosti vertikálních rozvodů vody, kde je také realizováno sběrnicové propojení systému. Bytové čidlo teploty pro měření tepelné pohody bytu je nainstalováno v místě stanoveném projektem, kde se snímá střední teplota bytu. Čidlo venkovní teploty je společné pro všechny BJ a prostřednictvím CJ a sběrnice RS-485 se informace o venkovní teplotě předává do všech BJ.

Na tomto místě je uvedena stručná charakteristika funkčních modulů, podrobný popis je možné nalézt v obchodní dokumentaci [12] a publikacích [2], [13].

Vnitřní a venkovní teplota se snímá platinovým teploměrem, průtok vody indukčním průtokoměrem o světlosti 1/2" s připojovacím závitem G3/4".

Metrologické parametry jsou:

• maximální průtok Q_max = 3 600 l/h,
• nominální průtok Q_t = 200 l/h,
• minimální průtok Q_min = 50 l/h,
• nejistota údaje 2 %, popř. 5 %.

Průtokoměr pro TUV rozlišuje teplotu vody pod hranicí 45 °C a nad ní.

Rozšíření systému v souladu s obr. 1 nebrání žádné zásadní technické překážky. Nabízí se programové rozšíření CJ o obsluhu patních domovních měřidel a komunikační jednotky v síti mobilních telefonů GSM. Připojení plynoměru je řešeno snímáním a registrací impulsů vysílaných plynoměrem. Nejzávažnější je začlenění elektroměru. V současné době není vyráběn elektroměr s optimálním přizpůsobením požadavkům domovního systému. V první etapě rozšíření lze použít běžný elektronický elektroměr připojený k systému snímáním impulsů, obdobně jako plynoměr, popř. rozšířit CJ o obsluhu elektroměru prostřednictvím sběrnice RS-485 (protokol LonWorks). V tomto uspořádání zůstává beze změny centrální napájení bytových jednotek nízkým napětím 48 V (v obr. 1 čárkovaně).

5. Technicky a ekonomicky optimální struktura systému

Prostředky pro měření spotřeby, včetně možnosti dálkového odečtu, jsou dosud vyvíjeny izolovaně pro jednotlivé komodity. Výsledek není překvapivý – jen sporadicky je využívána plná automatizace.

Jaká je optimální struktura domovního měřicího systému? Pokusme se ji specifikovat s respektováním stávajícího uspořádání našich bytových domů. Na obr. 1 je schematické znázornění představy autorů příspěvku.

Měření všech odebíraných komodit je soustředěno do bytové jednotky (BJ). Je napájena z měřicího transformátoru napětí bytového elektroměru. Vlastní elektroměr obsahuje jen nezbytné analogové obvody pro vytváření signálu okamžitého činného výkonu. Registraci, lokální zobrazení náměru, zabezpečení věrohodnosti a komunikaci s centrální (tj. domovní či skupinovou) jednotkou (CJ) zabezpečuje bytová jednotka spolu s obsluhou snímačů zbývajících komodit. Je zřejmé, že nejsou opakovány části systému nezbytné pro každý subsystém příslušné komodity. Datové toky jsou velmi malých objemů, a nejsou tedy kladeny zvláštní nároky na výkon procesoru bytové jednotky. Data jsou ukládána do energeticky nezávislé paměti v bytové jednotce a periodicky přebírána centrální jednotkou k uložení rovněž v energeticky nezávislé paměti, přičemž přenos po sběrnici (v obr. 1 RS-485) je zabezpečen proti chybám.

Centrální jednotka shromažďuje naměřená data všech připojených bytových jednotek, posílá bytovým jednotkám údaj o externí teplotě t_ext pro průběžný výpočet tzv. denostupňového integrálu, přebírá naměřené údaje patních měřidel vody a tepla a zabezpečuje komunikaci s fakturačními středisky, např. po síti mobilních telefonů (GSM).

Naznačené uspořádání minimalizuje opakování funkčně shodných dílů a nároky na instalaci vedení v domě. Všechna související vedení jsou signálová, nepodléhající přísným bezpečnostním normám. Bytové jednotky jsou napájeny z elektrorozvodů bytů; rovněž odpadají námitky proti hrazení energie, byť na úrovni 3 V·A na BJ, ze společné spotřeby domu. Také není zapotřebí centrální zdroj a rozvod napájecího napětí pro bytové jednotky.

6. Závěr

V příspěvku je poukázáno na současný stav měření spotřeby vody, tepla, plynu a elektřiny v bytových domech a na problematiku centralizovaného odečtu náměrů všech zmíněných komodit. Problematika má výrazné ekonomické problémy v praxi, a jsou proto hledány cesty ke zmírnění ekonomických dopadů na uživatele a provozovatele. Za nejúčinnější je považována optimalizace technického řešení systému integrujícího měření spotřeby všech komodit. V systému se neopakují části s obdobnou funkcí, přičemž v důsledku nezbytného nárůstu výkonu se cena společné části systému zvyšuje jen nepodstatně. Zvolený přístup k volbě struktury systému vyžaduje netradiční konstrukci snímačů s postoupením mnoha funkcí společnému procesoru.