Jaroslav Šípal
Česká republika patří k zemím s velmi rozvinutým centralizovaným zásobováním obyvatel teplem a teplou vodou. V této oblasti má proto moderní automatizace velký prostor pro nové přístupy, a to od výroby až po spotřebu tepla. Jednou z možných oblastí je měření spotřeby teplé vody. Měřicí technika v poslední době nebývalým způsobem pokročila kupředu tak, že za rozumnou cenu jsou zvládnuty i komplikované měřicí úlohy, jako je např. měření množství teplé vody v otevřených okruzích. Tato nová měřicí technika může zajistit nejen spravedlivé platby od odběratelů, ale při správném vyhodnocování průběžných výsledků může být užitečná i dodavatelům při údržbě provozovaných zařízení a plánování oprav. Příspěvek, vycházející z výsledků experimentu na skutečné soustavě, seznamuje odběratele i dodavatele teplé vody s přínosy, které jim moderní způsoby měření mohou poskytnout.
1. Úvod
Povinnosti pro podnikání v energetice stanovil zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (dále jen energetický zákon). V rámci právního systému Evropské unie byla schválena Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2006/32/ES o energetické účinnosti konečného užití energie a energetických službách. Tato směrnice byla částečně zavedena do českého právního systému novelami energetického zákona, které dodavatelům teplé vody stanovují povinnost měřit spotřebu teplé vody patními měřiči od 1. září 2011. Výjimka je možná v případě, když se dodavatel se všemi odběrateli dohodne jinak.
2. Obecně o měření spotřeby teplé vody
V systémech centralizovaného zásobování teplem (SCZT) se zásobuje teplou vodou tak, že teplá voda je připravována v předávací stanici, odkud je rozváděna do jednotlivých stavebních objektů a v nich k jednotlivým odběrným místům. Jde o zajištění služby, kterou odběratelé využívají v takové době a množství, které jim vyhovují a uspokojují jejich potřeby. Z tohoto pohledu jde o množinu náhodných veličin. Aby měl odběratel teplou vodu kdykoliv k dispozici, je, co se technické realizace týče, využit cirkulační okruh. Nespotřebovaná teplá voda se vrací zpět do předávací stanice, kde je vrácené vodě doplňována tepelná energie. Popsané uspořádání je schematicky znázorněno na obr. 1.
Způsoby měření spotřeby teplé vody prošly historickým vývojem ve třech stupních podle obr. 2. Jako první bylo měřidlem P měřeno množství studené vody dodané do ohříváku v předávací stanici (první stupeň). Později byly přidány podružné bytové vodoměry S_n_x měřící spotřebu teplé vody u jednotlivých odběratelů (třetí stupeň). V současné době jsou zaváděna měřidla O_n umístěná tzv. na patě jednotlivých objektů (druhý stupeň – požadavek novely energetického zákona). V současnosti je tedy snaha měřit spotřebu teplé vody ve třech stupních.
Způsob měření musí zajistit správné a spravedlivé rozdělení nákladů mezi jednotlivé odběratele a zároveň musí splnit všechny technické a legislativní požadavky. První a třetí stupeň měření jsou v současnosti realizovány bez problémů. Pomocí druhého stupně, který je požadován zmíněnou úpravou legislativy od 1. září 2011, se neměří všude. Měření spotřeby v otevřených systémech na patě objektu (druhý stupeň) je teoreticky snadno řešitelné. V praxi však jde o složitý inženýrský problém, jenž je naznačen ve vloženém textu.
Druhý stupeň měření spotřeby teplé vody je zdrojem diskusí [2]. Názory na měření spotřeby teplé vody patními měřiči jsou různé. Odpůrci této metody upozorňují, že nainstalování patních měřičů vede k nárůstu investičních a provozních nákladů, které budou započítávány do ceny odebrané vody, extrémní názory volají až po vyškrtnutí požadavků Evropského parlamentu z naší legislativy. Příznivci využití uvedené metody namítají, že odběratel získá nástroj ke kontrole stavu rozvodů dané soustavy a ke zprůhlednění kalkulace.
K ověření předpokládaných přínosů měření spotřeby teplé vody při použití patních měřičů, a to na straně jak dodavatele, tak i odběratele, byl uskutečněn popsaný experiment spočívající v měření spotřeby teplé vody v sekundárním okruhu předávací stanice na skutečné soustavě během určitého časového období s následným vyhodnocením naměřených hodnot.
3. Metoda měření a vyhodnocování
Údaje o spotřebě teplé vody, použité jako podklad pro analýzu a vyhodnocení, byly zjišťovány na třech okruzích. Každý měřený okruh se skládal z přípravy teplé vody v předávací stanici (dodavatel) a z pěti až sedmi bytových domů (odběratelé). Z důvodu objektivity byly k vyhodnocení úmyslně vybrány okruhy s odlišnými naměřenými údaji. Na základě jejich analýzy byly vyvozeny závěry podporující předpoklad o výhodnosti měření spotřeby teplé vody patními měřiči pro dodavatele i odběratele.
Spotřeba teplé vody ve všech třech okruzích byla měřena metodou B podle [1] a [4]. Jde o metodu založenou na měření rozdílu mezi údaji dvou měřidel proteklého množství teplé vody, z nichž jedno je umístěno ve vstupním a druhé ve výstupním potrubí s teplou vodou na patě objektu (obr. 3).
Údaje ke zpracování byly získány z měřidel umístěných na sledovaných okruzích podle obr. 4. Množství vody doplňované do okruhu měří měřidlo P, jímž je obvykle rychlostní nebo objemový vodoměr [3]. Měřidla pro jednotlivé stavební objekty jsou označena „O_1“ až „O_n“, kde n je pořadové číslo objektu. Protože jde o měřidla složená ze dvou vodoměrů, pro rozlišení jsou dále jednotlivé vodoměry označovány ještě dalšími indexy, a to 1 pro vodoměr na vstupu do objektu a 2 pro vodoměr na výstupu z objektu (např. O_1.1, O_1.2 atd.).
V praxi je měřidlo P použito jako hlavní a měřidla O jako poměrová. Z pohledu na obr. 4 je zřejmé, že při vyhodnocování údajů z měřidel za určité období mohou nastat tři případy, k jejichž rozlišení určeme velmi malé reálné kladné číslo ε. Matematický popis těchto případů je následující
Rovnice (1)
Rovnice (2)
Rovnice (3)
kde
P je množství vody naměřené měřidlem P,
Oi.1, Oi.2 množství vody naměřené měřidlem Oi.1, popř. Oi.2.
Případ (1) reprezentuje normální provozní stav, kdy existuje malá tolerance mezi oběma naměřenými množstvími vody.
Případ (2) ukazuje na větší naměřené množství doplňované studené vody do systému než odebrané teplé vody. Příčinou může být netěsnost rozvodu teplé vody mezi zdrojem a patními měřiči, popř. porucha některého z patních měřičů.
Případ podle vztahu (3) by mohl být považován za realizaci perpetua mobile – na vstupu do soustavy je menší množství média nežli na výstupu. Ale i tento stav má reálné vysvětlení. Jeho pravděpodobnou příčinou, jestliže nejde o poruchu měřidla P, je netěsnost v teplosměnné ploše ohříváku teplé vody, kterou se médium z primárního okruhu dostává do okruhu sekundárního.
4. Naměřené údaje a jejich analýza
4.1 Naměřené údaje vs. hypotéza o přínosech patních měřičů
K posouzení možnosti detekovat poruchy v soustavě zásobování teplou vodou byly porovnány údaje o spotřebě naměřené ve třech různých okruzích soustavy. V jednotlivých objektech byla instalována měřidla typu Skalár s indukčními průtokoměry. Všechna byla uvedena do provozu během roku 2008, takže jimi naměřené hodnoty lze pokládat za navzájem srovnatelné.
Naměřené údaje spotřeby teplé vody v jednotlivých okruzích z období leden 2009 až duben 2010 (po měsících) jsou zobrazeny v grafech na obr. 5, obr. 6 a obr. 7. Pro větší názornost jsou zobrazeny dvě agregované závisle proměnné, a to:
Rovnice (4)
Červená čára v obrázcích spojuje údaje o množství studené vody doplněné do okruhu (údaje z měřidla P umístěného na vstupu studené vody do ohříváku – viz obr. 4). Šedivý pás znázorňuje povolené toleranční pole ověřeného měřidla ε (zde ±5 %). Černé tečky zobrazují součty údajů o spotřebě teplé vody v jednotlivých objektech získaných z patních měřičů.
Následující analýzy tří skutečných situací potvrzují platnost již vyslovené hypotézy o přínosu použití patních měřičů spotřeby teplé vody z pohledu jak jejích dodavatelů, tak i odběratelů.
4.2 Analýza: skupina objektů A
Hodnoty spotřeby vody naměřené u skupiny stavebních objektů A na obr. 5 reprezentují stav odpovídající vztahu (1) v kap. 3. Součty naměřených hodnot se pohybují v tolerančním pásmu měřidla množství vody doplňované do okruhu. V lednu až březnu 2009 se naměřené součty nacházejí těsně u mezí tolerančního pásma. Možnou příčinou je počáteční časový nesoulad při odečtech údajů jednotlivých přístrojů. Jinak naměřené hodnoty dokládají správný chod okruhu zásobování teplou vodou.
4.3 Analýza: skupina objektů B
Graf na obr. 6 je typickou ukázkou stavu odpovídajícího vztahu (2). Do okruhu je systematicky doplňováno více vody, než kolik se jí, podle údajů ze všech patních měřičů, spotřebuje. A to i při započítání tolerančního pásma měřiče P. Okruh zásobování teplou vodou vykazuje netěsnost potrubí propojujícího předávací stanici s jednotlivými stavebními objekty. V tomto případě by měla následovat revizní prohlídka tras potrubí.
4.4 Analýza: skupina objektů C
Situaci odpovídající vztahu (3) ilustrují výsledky měření na skupině objektů C v grafu na obr. 7, kde množství vody doplňované do okruhu je menší než součet údajů všech patních měřičů. Zjištěný stav lze vysvětlit jako důsledek netěsnosti teplosměnné plochy v ohříváku při přípravě teplé vody. Do sekundárního okruhu se dostává teplonosné médium z primárního okruhu, jehož množství není zahrnuto do bilance. V tomto případě nezbývá než provést zkoušku těsnosti nebo tlakovou zkoušku ohříváku a netěsnost opravit. Z obr. 7 je patrné, že netěsnost byla odhalena a v únoru 2010 opravena.
5. Poznatky z analýzy výsledků měření
V úvodu příspěvku bylo uvedeno, že pokud jde o instalaci patních měřičů, lze po vzájemné dohodě dodavatele a odběratelů získat výjimku z energetického zákona. Výsledky měření však ukazují, že pro odběratele není taková dohoda nejlepším řešením. Instalovaná měřidla jsou sice brána v úvahu jen jako poměrová, ale přesto každý takto měřený stavební objekt zaplatí spravedlivější díl spotřeby, a to pouze poměrnou část z celku odpovídající naměřené spotřebě teplé vody v tomto objektu. Přínosem pro obyvatele stavebního objektu vybaveného patními měřidly jsou tyto skutečnosti:
-
jednotliví odběratelé (obyvatelé objektu) jsou schopni spotřebu teplé vody ovlivnit, protože údaj měřidla na vstupu do objektu je poměrově rozpočítán mezi jednotlivé bytové jednotky na základě údajů bytových vodoměrů,
-
snížení spotřeby teplé vody mohou odběratelé dosáhnout nejen jejím hospodárným využitím, ale, což je velmi důležité, také včasnou údržbou těsnicích prvků v rozvodu v objektu.
Obě skutečnosti se projeví bez ohledu na to, že jde o podružná měřidla.
Dodavatel teplé vody, který provozuje předávací stanici, má zákonnou povinnost instalovat měřidla, čímž mu vzrůstají investičních náklady. V současné době jsou na našem trhu již vyhovující měřiče domácí výroby, jejichž cena i s montáží se pohybuje v řádech desítek tisíc korun. Z dlouhodobého hlediska je možnost přeúčtovávat všechny výrobní náklady na odběratele, bez ohledu na efektivnost vlastního provozu, neudržitelná. Analýza naměřených hodnot v delším časovém výhledu poskytne dodavateli mnoho nových informací o provozovaném zařízení. Přínosem pro dodavatele jsou tyto skutečnosti:
-
porovnáváním údajů patního měřiče v okruhu s údajem měřiče na vstupu do sekundárního obvodu ohříváku možnost sledovat ekonomiku svého provozu (např. množství energie potřebné k přípravě jednoho krychlového metru teplé vody); při netěsnosti v ohříváku dodavatel rozúčtovává menší množství teplé vody, než jaké skutečně dodává do okruhu (viz odstavec 4.4), čímž mu vzniká ekonomická ztráta (která, pomine-li časem možnost ji bez problémů přeúčovávat dalším subjektům, bude dopadat na jeho podnikání),
-
možnost sledovat stav zařízení, tj. těsnost ohříváků, úniky média na trase a stav izolace potrubních rozvodů (viz odstavec 4.3) a při zjištění nedostatků předem naplánovat údržbu; plánovaná údržba je vždy levnější než okamžité řešení poruchových stavů.
Při měření metodou B [1] je nutné si uvědomit, že jsou porovnávány údaje naměřené přístroji různé konstrukce, a tudíž s rozdílnou přesností. Bude-li dodavatel teplé vody (provozovatel předávací stanice) chtít naměřené údaje podrobněji analyzovat, je vhodné instalovat v místě připojení okruhu (na výstup z ohříváku a do vratného potrubí teplé vody) měřidla shodného typu. Potom bude možné lépe určit ztráty teplé vody v okruhu i popř. rychleji reagovat na vzniklé netěsnosti v ohříváku.
6. Závěr
Příspěvek se zabývá problematikou měření spotřeby teplé vody s použitím patních měřičů ve snaze posoudit přínos dané metody, vyžadující určité investiční náklady, pro obě strany, dodavatele i odběratele. Vychází přitom z měření uskutečněných na reálných provozovaných soustavách SCZT.
Po teoretickém rozboru problematiky jsou předloženy skutečně naměřené údaje odpovídající jednotlivým případům teoretického rozboru. Závěrem jsou shrnuty poznatky získané analýzou výsledků měření.
Experimentem doložené závěry mluví jasně ve prospěch měření spotřeby teplé vody ve třech stupních uvedených v příspěvku, tj. včetně použití patních měřičů, které přinášejí výhody odběratelům i dodavatelům a činí jejich vzájemné porovnání transparentnějším než při použití jiných postupů.
Do budoucna lze očekávat další snižování cen indukčních průtokoměrů vyznačujících se velkou přesností. Tím se prostředky k přesnému měření spotřeby teplé vody stanou ještě dostupnějšími.
Poznatky a závěry uvedené v článku nelze bohužel porovnat se zahraničními zkušenostmi, protože zajišťování centrálního vytápění a dodávky teplé vody z jednoho zdroje je specifikem České republiky a Slovenska. Bývalé Československo v 70. a 80. letech minulého století zažilo nebývalý rozvoj panelové sídlištní výstavby s velmi komfortním zajištěním všech služeb obyvatelstvu. V okolních státech, zejména v Německu a Rakousku, ale i např. v Dánsku a ve Švédsku, se teplá voda pro obyvatele připravuje v jednotlivých objektech a tepelná energie je distribuována především vedením horké vody dvoutrubkovým systémem. Teplá voda je tam rovněž připravována na místě ve spotřebitelském objektu.
Závěrem se sluší poděkovat pracovníkům firmy Ulitep s. r. o. za vstřícnou spolupráci a za poskytnuté údaje. Zabývat se problematikou měření spotřeby teplé vody bylo možné především díky těsné součinnosti této firmy s pracovištěm autora.
Literatura a odkazy na internet:
[1] ŠÍPAL, J.: Problematika měření teplé vody patními měřiči. Topenářství instalace, 2010, roč. 44, č. 4 (pořadové č. 251), Technické vydavatelství, Praha.
[2] –: Měření TUV na patě objektu – Novelizace zákona 458 – podmínky pro podnikání s energií... Diskusní fórum. TZB-Info, 2005. http://forum.tzb-info.cz/t.py?t=11&i=101775; cit. 21. 7.2010.
[3] FANTIŠ, J. – VALENTA, V.: Ohřívání užitkové vody. CTI – cech topenářů a instalatérů ČR; Brno, 1998.
doc. Ing. Jaroslav Šípal, Ph.D.,
Fakulta výrobních technologií
a managementu,
Univerzita Jana Evengelisty Purkyně,
Ústí nad Labem
Obr. 1. Schéma rozvodu teplé vody do objektů
Obr. 2. Tři historické stupně měření spotřeby teplé vody
Obr. 3. Princip měření spotřeby teplé vody v objektu metodou B
Obr. 4. Schéma umístění měřidel při experimentu
Obr. 5. Údaje ze skupiny objektů A – žádoucí vyvážený stav
Obr. 6. Údaje ze skupiny objektů B – pravděpodobná netěsnost v rozvodu
Obr. 7. Údaje ze skupiny objektů C – pravděpodobná netěsnost teplosměnné plochy v ohříváku
Měření spotřeby teplé vody v otevřených systémech na patě objektu (druhý stupeň) jako inženýrský problém
K objasnění složitosti měření spotřeby teplé vody v otevřených systémech na patě objektu je možné použít následující jednoduchý příklad. K měření proteklého množství vody se používá ověřený vodoměr, který může mít chybu při jmenovitém průtoku až 3 % z naměřeného množství. Pokud budou takovéto vodoměry instalovány na vstupní i cirkulační potrubí, dojde ke skládání chyby. V případě použití dvou vodoměrů nelze vyloučit součet chyb, což znamená, že při naměřeném množství 100 m3 může být chyba až 6 m3 uvedeného vyplývá, že kdyby byly použity běžné vodoměry, byť i schválené jako stanovená měřidla.