Zameranie výskumu
Do ,,Inteligentných budov” je možné zaradiť inteligentný riadiaci systém vykurovania a chladenia v priestoroch Centrálnych laboratórií Stavebnej fakulty STU v Bratislave, v mestskej časti Trnávka. Orientácia miestností s inteligentným riadiacim systémom sa nachádza na 2. poschodí. Miestnosti majú rovnakú dispozíciu a pôdorysné rozmery. Inteligentný riadiaci system pozostáva s tepelného čerpadla a troch sálavých systémov integrovaných do podlahy, stropu a steny.
- Riadiaca jednotka tepelného čerpadla umožňuje riadiť celý systém ekvitermickou reguláciou, inteligentným riadením, predpoveďou počasia alebo iným nastavením. Je možné nastaviť ekvitermickú krivku. Do riadiacej jednotky sú napojené snímače teploty vody v prívodnom a vratnom potrubí, snímač vonkajšej teploty vzduchu umiestený za tepelným čerpadlom a ostatné snímače, na základe ktorých je možné systém riadiť a merať.
- Ekvitermické riadenie zabezpečuje, že tepelné čerpadlo vyrába a prispôsobuje teplotu vykurovacej vody podľa vonkajšej teploty, aby udržiavalo v obytnom priestore stálu a komfortnú vnútornú teplotu vzduchu s čo najnižšou spotrebou energie. Tepelné čerpadlo neustále meria vonkajšiu teplotu pomocou teplotného snímača. Na základe tejto hodnoty riadiaca jednotka určuje, aká má byť teplota vody v systéme (napríklad v podlahovom, stropnom a stenovom). Snímač vonkajšej teploty meria aktuálnu teplotu vzduchu. Regulátor tepelného čerpadla na základe nastavenej krivky vypočíta požadovanú teplotu vody. Čerpadlo prispôsobí výkon a mení rýchlosť kompresora (invertorové), alebo zapína/vypína v určitých intervaloch. Snímač teploty vody kontroluje, či výstupná teplota zodpovedá cieľu. Ak nezodpovedá, regulácia ju doladí.
- Ekvitermická krivka sa určuje dvoma hlavnými parametrami: sklon krivky určuje, ako rýchlo rastie teplota vody pri poklese vonkajšej teploty; posun krivky (offset) posúva celú krivku hore alebo dole, podľa požadovanej vyššej alebo nižšej teploty.
- Výhoda ekvitermickej regulácie spočíva v maximálnej úspore energie, pretože tepelné čerpadlo pracuje s najnižšou potrebnou teplotou vody, čo zvyšuje jeho účinnosť (COP). Zabezpečuje stabilnú teplotu v dome bez výkyvov a nutnosti častého manuálneho nastavovania. Zabezpečuje dlhšiu životnosť kompresora vďaka menšiemu počtu štartov a plynulejšej prevádzke a umožňuje spoluprácu s vnútorným termostatom pre jemné doladenie podľa vnútornej teploty.
- Súčasťou riadenia sú tzv. stupňominúty (degree minutes), ktoré sa u tepelného čerpadla používajú na jemné riadenie zapínania a vypínania kompresora, aby čerpadlo pracovalo plynule, efektívne a s čo najmenším počtom štartov. Stupňominúty vyjadrujú integrovaný rozdiel medzi požadovanou a skutočnou teplotou vody (zvyčajne výstupnej teploty do systému) v čase. Predstavujú násobky rozdielu teplôt a času, ktoré sa sčítavajú každú minútu. Napríklad požadovaná teplota vody (z ekvitermickej krivky): 35 °C, skutočná teplota vody: 34 °C a rozdiel je –1 K. Každú minútu sa teda k hodnote stupňominút pripočíta –1 (lebo systém „zaostáva“ o 1 °C). Ak by bola voda teplejšia, rozdiel by bol kladný – stupňominúty by sa vracali k nule.
- Tepelné čerpadlo má dva (niekedy tri) dôležité prahy: spodný limit (napríklad –120 K·min) – keď sa hodnota dostane pod túto hranicu, čerpadlo sa zapne (voda je dlhodobo chladnejšia, než by mala byť); horný limit (napríklad 0 alebo +10 K·min) – keď sa hodnota opäť zvýši nad túto hranicu, čerpadlo sa vypne (voda je dostatočne teplá). Stupňominúty tak filtrujú krátkodobé výkyvy. Tepelné čerpadlo sa nezapne hneď, keď teplota vody klesne o 0,5 °C, ale čaká, kým rozdiel trvá dostatočne dlho, aby sa prejavil v akumulovaných stupňominútach. Výsledkom je menej cyklovania, plynulejšia a úspornejšia prevádzka.
- Stupňominúty sú kľúčové pre: stabilitu teploty – menej kolísania vo vykurovaní/chladení, životnosť kompresora – menej štartov znamená dlhšiu životnosť, vyššiu účinnosť – čerpadlo beží dlhšie a plynulejšie a v optimálnych podmienkach. Keďže tepelné čerpadlo je reverzibilné, možno ním chladiť a vykurovať. Zmenu týchto režimov tiež dokáže vykonávať samostatne pomocou riadiaceho systému.
Vybrané publikácie
- ŠIMKO, Martin - PETRÁŠ, Dušan - SZABÓ, Daniel - ŽIVNER, Lukáš - TAKÁCS, Ján. Testing the Efficiency of a Heat Pump with Radiant Systems in Heating Mode. In Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. Vol. 68, no. 4 (2024), s. 320-327. ISSN 0324-6051 (2023: 1.3 - IF, Q3 - JCR Best Q, 0.331 - SJR, Q3 - SJR Best Q). DOI: 10.3311/PPme.36791
- JUNASOVÁ, Barbora - KRAJČÍK, Michal - ŠIKULA, Ondřej - ARICI, Müslüm - ŠIMKO, Martin. Adapting the construction of radiant heating and cooling systems for building retrofit. In Energy and buildings. No. 268 (2022), [15] s., art. no. 112228. ISSN 0378-7788 (2022: 6.7 - IF, Q1 - JCR Best Q, 1.608 - SJR, Q1 - SJR Best Q). DOI: 10.1016/j.enbuild.2022.112228
