Měření

Spotřeba tepla a její měření

Když se řekne spotřeba tepla na vytápění, převážně se má na mysli ta složka spotřebované energie, která je do vytápěného prostoru dodávána prostřednictvím otopné soustavy. Důvodem, proč se opomíjí nezanedbatelný vliv tepelných zisků, je skutečnost, že tepelné zisky se na rozdíl od dodávek tepla z otopné soustavy oficiálně neevidují a uvažuje se o nich jako o zdrojích tepla, které jsou zadarmo, byť to bezezbytku platí pouze pro sluneční záření.

Cena tepelné energie stoupá a rostou i společenské a politické tlaky na její úsporu. Neustále se proto hledají cesty, jejichž cílem je nižší spotřeba tepla. Existují v zásadě dva přístupy, topenářský a alternativní. Zatímco topenáři využívají fyzikálních zákonitostí při výkonové regulaci otopných soustav, čímž úspěšně zvyšují energetickou účinnost systému vytápění, zastánci alternativního přístupu vsadili na psychologii. Očekávají, že bude-li se spotřeba tepla měřit a spotřebitelé budou průběžně informováni, lze změnit jejich uživatelské chování, a tím dosáhnout významných úspor.

Zatímco princip topenářského přístupu je pochopitelný a jeho efekt v praxi ověřitelný, u psychologie tomu tak bohužel není. Člověk se svými nedokonalými smysly a nemožností provádět odpovídající manuální regulační zásady na všech otopných tělesech současně a ve správný čas není schopen dosáhnout lepších výsledků než plně automatická regulace fungující přesně a hlavně nepřetržitě 24 hodin denně 7 dní v týdnu.

Na vyvracení smysluplnosti alternativního přístupu k dosažení energetických úspor je pozdě. Byl již zapracován do legislativy a jsme nuceni nastavená pravidla dodržovat, ať dávají smysl, či ne. Nicméně nemůže být sporu o tom, že spotřeba tepla je určujícím parametrem při rozdělování nákladů na vytápění mezi spotřebitele a je proto nezbytné, aby v této oblasti byla zajištěna elementární spravedlnost. Zatím tomu tak není.

Spotřeba tepla na vytápění v legislativě

Myšlenka, aby se spotřeba tepla měřila v místech konečné spotřeby, se v evropské legislativě objevuje již od 70. let minulého století, nejprve jako doporučení členským státům, posléze ve formě usnesení. V kontextu našeho vstupu do EU stojí za pozornost až směrnice 93/76/EHS z roku 1993. Zde se uživatelská spotřeba tepla, studené a teplé vody dostává do popředí zájmu.

Důvodem povinnosti měřit teplo bylo ve směrnici vyslovené přání: „účtování nákladů na vytápění, klimatizaci a teplou vodu uživatelům budov úměrně ke skutečné spotřebě by mohlo přispět k úsporám energie v sektoru domácností“. Myšlenka jistě inspirativní, nicméně narážející na dva zásadní problémy.

Problém 1: Konečná spotřeba tepla se nedá měřit, je to technicky neproveditelné

Neexistuje totiž zařízení, které by umělo změřit množství tepla spotřebované v konkrétním vytápěném prostoru. Kalorimetr, jemuž někteří tuto schopnost přisuzují, měří teplo, které bylo z měřeného okruhu do vytápěného prostoru uvolněno. A dodávka tepla není to samé co jeho spotřeba.

Indikátory měří povrchovou teplotu otopných těles a z ní vyvozují opět množství dodaného tepla, nikoliv spotřebovaného. A gradenová metoda, založená na porovnávání naměřených teplot vzduchu v interiéru a exteriéru, dokáže integrovat tepelné ztráty prostupem do vnějšího prostředí, takže dává obrázek pouze o jedné složce celkové bilance tepla.

Skutečnost, že žádná z uvedených variant „měření“ neposkytuje podklady, ze kterých by se dala odvodit skutečná spotřeba tepla, nezabránila našim zákonodárcům povinnou instalaci těchto zařízení v objektech s ústředním vytápěním do legislativy zakotvit.

Problém 2:  Teplo do prostoru dodané nerovná se teplu spotřebovanému

Implementátoři směrnice do českého právního prostředí evidentně vycházeli z názoru, že teplo do konkrétního prostoru dodané se musí rovnat teplu zde spotřebovanému. To ovšem platí pouze v případě individuálních forem bydlení, u domů s více bytovými jednotkami nikoliv. V okamžiku, kdy za hranicí vytápěného prostoru leží jiný vytápěný prostor, tyto dva se vzájemně tepelně ovlivňují.

Teplo dodané do jednotlivých účetních jednotek migruje po celém objektu a spotřebuje se tam, kde je ho momentální nedostatek. Tedy třeba v bytech, kde jsou zrovna vypnuté radiátory. Spotřeba tepla na vytápění v pojetí českých právních předpisů se tak zcela míjí s vizí nastíněnou směrnicí EU! Výsledek nejlépe vystihuje známé české přísloví. Jeden o voze, druhý o koze…

Spotřeba tepla se musí vypočítat

Skutečná spotřeba tepla se tedy změřit nedá, ale existuje metoda, pomocí které se spotřeba tepla může vypočítat. Řešení technicky možné a finančně únosné, takže jsou splněny dvě ze tří podmínek proveditelnosti, o nichž se zmiňuje směrnice. Jestli i úměrné potenciálním úsporám energie je jiná otázka, jež by si zasloužila hlubší analýzu. Té ale zatím nikdo zodpovědný nevěnoval potřebný čas a energii.

Skutečná spotřeba tepla a její výpočet

Klíčem k určení skutečného množství tepla spotřebovaného na vytápění jednotlivých částí objektu je vyhodnocení tepelné bilance ve všech vytápěných prostorách za příslušné období. Vedle primárního zdroje tepla (otopná soustava) a tepelných toků odvádějících teplo z vytápěného prostoru ven, nesmíme zapomenout na tepelné toky v opačném směru a na sekundární zdroje tepla (tepelné zisky).

Celková tepelná bilance se potom bude skládat z následujících složek:

1. tepelné ztráty prostupem do vnějšího prostředí (-)
2. tepelné ztráty větráním do vnějšího prostředí při výpočtové výměně vzduchu (-)
3. zvýšení/snížení tepelných ztrát větráním vlivem větší/menší výměny vzduchu (-/+)
4. tepelné ztráty prostupem do vnitřního nevytápěného prostředí (-)
5. tepelné ztráty/zisky prostupem do/z vnitřního vytápěného prostředí (-/+)
6. solární tepelné zisky (+)
7. zvýšení/snížení solárních tepelných zisků (+/-)
8. vnitřní tepelné zisky z provozu domácích spotřebičů, metabolického tepla a z teplé vody (+)
9. vnitřní tepelné zisky z neizolovaných rozvodů tepla (+)
10. dodávka tepla z otopné soustavy (+)

Mezi uvedené složky nebyla záměrně zahrnuta akumulace tepla do stavebních konstrukcí. Během roku bezesporu nastávají okamžiky, kdy se teplo do stavebních konstrukcí ukládá, nicméně v jinou dobu pro změnu dochází k jeho zpětnému uvolňování. Energie při tom ani nevzniká, ani nikam nemizí, pouze se zpomaluje její pohyb po objektu. V objektu provozovaném v souladu s pravidly pro vytápění musí být vliv akumulace při dlouhodobém pohledu zcela zanedbatelný, ne-li nulový.

Vzhledem k tomu, že smyslem dodávky tepla z otopné soustavy je zajistit projektem stanovenou kvalitu vnitřního prostředí, udržovat v podstatě rovnováhu mezi ztrátami a zisky, musí být tato položka rovna součtu zbývajících položek.

Pokud bychom dokázali průběžně měřit či počítat hodnoty vyjmenovaných deseti složek, dala by se z tepelných bilancí jednotlivých prostor v domě snadno a přesně vyčíslit skutečná spotřeba tepla jednotlivých prostor. Tedy přesně to, co vytrvale ale zatím neúspěšně vyžaduje legislativa EU.

Jenomže tepelné ztráty větráním a objem působících vnitřních tepelných zisků neumíme ani změřit, ani s uspokojivou přesností vypočítat. Nicméně když se zamyslíme nad významem jednotlivých složek tepelné bilance, dojdeme k závěru, že lze výrazně zredukovat jak počet proměnných, tak počet neznámých. U neznámých ze dvou na jednu, čímž má rovnice řešení.

Nejprve je třeba roztřídit složky na základě vzájemné příbuznosti do třech skupin:

A. Tepelně-technická charakteristika vytápěného prostoru

B. Důsledky specifického uživatelského chování

C. Dodávka a sdílení placeného tepla

Tepelně-technická charakteristika vytápěného prostoru

Níže uvedených pět složek celkové tepelné bilance charakterizuje daný prostor z pohledu energetických nároků a nejsou uživatelem ovlivnitelné.

• 1. tepelné ztráty prostupem do vnějšího prostředí (-)
• 2. tepelné ztráty větráním do vnějšího prostředí při výpočtové výměně vzduchu (-)
• 4. tepelné ztráty prostupem do vnitřního nevytápěného prostředí (-)
• 6. solární tepelné zisky (+)
• 9. vnitřní tepelné zisky z neizolovaných rozvodů tepla (+)

Z tohoto důvodu jsou současně podkladem pro výpočet legislativou vyžadovaných korekcí na polohu, neboli polohových koeficientů. Ty potřebujeme v rozúčtování topných nákladů, abychom zajistili požadované zohlednění vlivu rozdílné energetické náročnosti jednotlivých vytápěných prostor v závislosti na jejich poloze v domě. Výsledek po sloučení uvedených složek budeme nazývat „výpočtová potřeba tepla“ příslušného vytápěného prostoru.

Vlastní bilanční polohový koeficient je definován jako podíl měrné výpočtové potřeby tepla příslušného prostoru a střední hodnoty měrné výpočtové potřeby tepla pro celý objekt. Jedná se tedy o bezrozměrné číslo, kterým se koriguje množství tepla dodané otopnou soustavou. Korekce zaručuje legislativou zavedený princip spravedlnosti, tedy že stejně velký prostor vytápěný na stejnou teplotu, bude mít i stejné náklady na vytápění.

Měrnou výpočtovou potřebou tepla se rozumí potřeba tepla při okrajových podmínkách stanovených projektem a meteorologickými daty pro příslušné místo a časový úsek, vztažená na jednotku vnitřního objemu. Jinými slovy teoretický výsledek pro situaci, kdy v daném období objekt funguje ideálně dle projektových podkladů a bez vlivu jakéhokoliv uživatelského chování.

Vycházíme tedy z parametrů objektu určených projektem (dispozice, velikost a kvalita dělicích konstrukcí, výpočtové vnitřní teploty a výměny vzduchu). Dále se zadávají meteorologická data pro posuzovanou lokalitu a období (průměrná venkovní teplota, průměrná intenzita solárního záření), geografické podmínky (orientace fasád vůči světovým stranám, zastínění okolní zástavbou, vegetací či terénem) a konečně vliv systémových vnitřních tepelných zisků (neizolované rozvody tepla).

Následně dopočteme teploty vzduchu ve vnitřních nevytápěných prostorách, potřebu tepla a měrnou potřebu tepla každého z vytápěných prostor. Posledním krokem je výpočet vlastních bilančních polohových koeficientů.

Důsledky specifického uživatelského chování

Další tři položky tepelné bilance mají jedno společné. Jsou projevem konkrétního uživatelského chování obyvatel příslušných prostor.

• 3. zvýšení/snížení tepelných ztrát větráním vlivem větší/menší výměny vzduchu (-/+)
• 7. zvýšení/snížení solárních tepelných zisků (+/-)
• 8. vnitřní tepelné zisky od domácích spotřebičů a z teplé vody, metabolické teplo (+)

Nadměrné větrání, snižování účinku solárního záření a omezená produkce vnitřních tepelných zisků se v celkové tepelné bilanci projevuje negativně, nevětrání, posilování účinku solárního záření a zvýšená produkce tepelných zisků naopak působí na tepelnou bilanci kladně. To není v žádném případě obhajoba nevětrání, nebo vinění uživatelů za malou aktivitu ústící v nižší úroveň vnitřních tepelných zisků, to je pouhé konstatování příčin a následků.

Podstatné je, že sloučíme-li obě tyto položky do jedné a nově vzniklé položce budeme říkat „uživatelské chování“, bude to poslední neznámá v upravené bilanční rovnici. Sloučení jednotlivých projevů uživatelského chování dává smysl ještě z jednoho důvodu. Ve výsledku totiž ukazuje, že jedny projevy s negativním efektem na tepelnou bilanci lze úspěšně kompenzovat jinými, s efektem pozitivním. A platí to pochopitelně i naopak.

Příklad: Jestliže se v jedné místnosti sejde více lidí a budou zde navíc v provozu výkonné domácí spotřebiče (televize, PC, apod.), je vysoce pravděpodobné, že navzdory výkonovou regulací stopnuté dodávce tepla z otopné soustavy, bude místní tepelná bilance v takovém přebytku, že v místnosti i nadále poroste teplota vzduchu. Větrání dlouhodoběji pootevřeným oknem s cílem upravit parametry vnitřního prostředí v tomto okamžiku není projevem plýtvání, neboť z místnosti neuniká teplo dodané otopnou soustavou, ale teplo odpadní. Stejně tak v daném případě neškodí žaluzie, bránící slunečnímu svitu výrazněji přispět při ohřevu vnitřního vzduchu.

Při nadbytku pozitivních efektů si tedy můžeme nějakou tu „neřest“ dovolit, aniž by to jakkoliv snižovalo úroveň odpovědnosti v uživatelském chování. Stačí se oprostit od černobílého vidění světa.

Dodávka a sdílení placeného tepla

Tato skupina je důležitá z důvodu spotřebiteli akcentovaného požadavku zařídit, aby spotřeba tepla byla mezi jednotlivé uživatele rozdělena spravedlivě.

• 5. tepelné ztráty/zisky prostupem do/z vnitřního vytápěného prostředí (-/+)
• 10. dodávka tepla z otopné soustavy (+)

Jak množství tepla dodané do vytápěného prostoru otopnou soustavou, tak hodnoty tepelných toků mezi sousedními vytápěnými prostory dokážeme s přijatelnou přesností vypočítat.

Při znalosti velikosti teplosměnné plochy otopného tělesa a velikosti a kvalitě dělicích stavebních konstrukcí pak stačí průběžně měřit a integrovat střední povrchovou teplotu otopných těles a průměrnou teplotu vzduchu ve vytápěných prostorách.

V objektech s horizontálními otopnými soustavami s bytovými výměníky bývají již pro účel měření dodávaného tepla v bytech instalovány bytové kalorimetry. Ty přímo poskytují pochopitelně ještě přesnější informace o množství dodaného tepla. V těchto případech zbývá měřit průměrné teploty vzduchu ve vytápěných prostorách a z nich vypočítat položku č. 5.

Rozúčtování tepla spotřebovaného na vytápění

Při rozúčtování tepla mezi jednotlivé spotřebitele je třeba vzít v potaz následující axiomy:

1. Teplo do vytápěného prostoru dodané nerovná se teplu v tomto prostoru spotřebovanému

2. Teplo se spotřebovává v místech, kde je ho momentální nedostatek

3. Spotřeba tepla konkrétních prostor je odvislá od jejich energetické náročnosti, aniž by to cokoliv říkalo o chování uživatelů

Nestačí tedy měřit teplo vydané otopnou soustavou. Je nutné dohledat, kam teplo v rámci objektu doputovalo a kde se fakticky spotřebovalo. Zjištěnou spotřebu je navíc nutné korigovat na základě energetické náročnosti jednotlivých prostor, aby byly patřičně zohledněny vztahy mezi jednotlivými částmi objektu.

Nižší potřeba tepla prostor v chráněné poloze není ani zásluhou ani výsledkem úsporného chování jejich uživatelů, ale důsledkem existence prostor v exponovaných polohách, u kterých se jimi poskytovaná ochrana projevuje vyšší potřebou tepla, což pro změnu nemůže být vnímáno jako daň nebo nezodpovědné plýtvání energií.

Srovnávacím kritériem se tak stává uživatelské chování jednotlivých spotřebitelů, což ovšem plně koresponduje s cílem vytyčeným evropskými směrnicemi.

Jak již bylo zmíněno v úvodu, náklady na vytápění bytových domů se navzdory všem proklamacím nikdo nerozdělovaly podle skutečné spotřeby v jednotlivých koncových místech, a nikdy se tak rozdělovat ani nebudou, protože to popírá základní principy, na jakých fungují objekty hromadného bydlení. Zjištěná spotřeba se musí za všech okolností ještě korigovat polohovými koeficienty a vztáhnout na objem vytápěného prostoru. Správným termínem je tedy měrná spotřeba tepla.

Pakliže původní přehledné a relativně spravedlivé rozúčtování nákladů podle podlahové plochy bylo shledáno nevyhovujícím, protože nikterak nemotivuje uživatele k úspornému chování, je právě úroveň uživatelského chování jediným objektivním kritériem v rozúčtování.

Tak jako bytové kalorimetry i indikátory na otopných tělesech mají charakter poměrových měřidel, obdobným způsobem je třeba nahlížet na uživatelské chování. Absolutní hodnoty uživatelského chování nám toho moc neprozradí, zato podíl uživatelského chování konkrétní bytové jednotky na souhrnném uživatelském chování celého objektu dává jasný obrázek o tom, kdo se chová z pohledu energetické účinnosti efektivně a kdo nikoliv.

Při znalosti celkových nákladů na vytápění objektu dokážeme snadno určit finanční podíl každé z bytových jednotek na celku.

Výpočet nákladů dané zúčtovací jednotky je ve srovnání se současnou praxí, kdy výpočet prochází i několika iteračními kroky, naprosto triviální. Odpadá totiž starost o to, jestli se všichni vešli do uměle vytvořených „mezí normality“. Ty jsou přitom pouze zoufalým pokusem vypořádat se s fyzikálně neobhajitelnými výsledky, kdy u dvou sousedících prostor oddělených železobetonovou konstrukcí, která nepředstavuje pro migrující teplo zásadní překážku, vycházela měrná spotřeba tepla i s řádovými rozdíly.