Sjednocení odečítacích cest naměřených energií v bytových domech

 

Cesta k minimalizaci nákladů a automatizaci sběru dat.

 
Ing. Karel Hoder, ÚAMT - VUT Brno hoder@dame.fee.vutbr.cz
Ing. Miroslav Los, LOMEX Blansko info@lomex.cz
 

1. Úvod.

Je jen otázkou času, kdy i do oblasti sběru údajů o naměřených energiích v bytových domech pronikne automatizace a to bez ohledu na různorodost a firemní příslušnost jednotlivých dodavatelů energií.

Měření spotřebovaného množství vody, tepla a dalších energetických médií v bytech je nejméně dvě desetiletí v popředí zájmu jak techniků, tak ekonomů v celém vyspělém světě. S malým zpožděním v našich krajinách. Problematika do značné míry kopíruje předchozí vývoj v průmyslové sféře, kde od 60. let bylo investováno obrovské množství prostředků do vývoje a aplikací technických prostředků, zejména zaměřených na centralizaci naměřených dat a jejich vyhodnocení. Zásadní odlišností problematiky měření v bytech je požadavek velmi nízkých nákladů ve srovnání s obdobným měřením v průmyslu. Cenové objemy měřených množství jsou totiž velmi malé oproti průmyslovým tokům. Odpověď na otázku proč je v současné době reálné, možná již nezbytné, uvažovat o automatizaci sběru naměřených údajů v bytech, lze spatřovat ve více okolnostech:

a) v možnostech aplikací technologií, zejména mikroelektroniky a výpočetní techniky

b) v růstu cen všech energií

c) v růstu mzdových nákladů na pochůzkové odečty (možnost chybných odečtu)

d) v nutnosti operativních odečtů při změnách cen energií, změnách uživatelů, automatické diagnostice měřičů, atd.

 

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

 
Vrstva 0: objekty měření, technologické zařízení pro dodávku příslušné komodity.
 
Vrstva 1: fyzická vrstva měřicího systému - snímače, měřidla.
 
Vrstva 2: řízení fyzické vrstvy - zabezpečuje činnosti nutné k provozu fyzické vrstvy.
 
Vrstva 3: koncentrace naměřených dat - sběr náměrů od konečných spotřebitelů.
 
Vrstva 4: rozpočet nákladů a fakturace nákladů konečným spotřebitelům.
 

Současné měřiče spotřeby vody, tepla, elektřiny a plynu lze z hlediska automatizace dělit na tři kategorie:

A) určené pouze pro odečet člověkem
B)

doplněné vysílačem pro přenos údaje do procesoru (nejčastěji impulzním, přičemž jeden impulz představuje určité množství měřeného média)

C)

integrované do systému měření a koncentrace údajů, tedy navržené s minimalizací výrobních a instalačních nákladů. Uvedené třídění je nezávislé na použitém fyzikálním principu měření a technologické realizaci měřiče. Samozřejmě některé konstrukce lépe vyhovují kategorii A, jiné naopak kategorii C.

 
Snímače spotřeby vody a energií.
 
    • Studená a teplá užitková voda. [2]

Nejrozšířenější jsou vrtulkové průtokoměry s mechanickým registrem. Výjimečně jsou vybaveny vysílačem impulzů pro vstup do elektronického systému. Mechanické pohyblivé ústrojí je značně ovlivňováno nečistotami, zejména obsaženými v teplé užitkové vodě.

Elektronické principy se začínají používat i pro běžné bytové průtokoměry, zejména jsou-li součástí sběrného elektronického systému. Využití možností řídící jednotky s procesorem nejen pro obsluhu jednoho snímače a klesající ceny elektronických součástí, umožňuje radikální snížení výrobních nákladů průtokoměrů indukčních příp. též ultrazvukových. Moderní průtokoměry pro TUV jsou vybaveny teploměrem pro rozlišení kvality, event. pokud by v budoucnu příslušná legislativa při pustila, pro stanovení aktuální ceny podle skutečné teploty vody (podle entalpie).

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

 
    • Tep/o pro vytápění. [2]

Přestože tvoří dominantní složku nákladů mezi všemi placenými médii, bylo jeho měření dlouhou dobu opomíjeno. Důvodem je obtížnost správného měření vzhledem k nesoustředěnému šíření v domě, na rozdíl od ostatních médií. Stále probíhá diskuse v odborných i laických kruzích, 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 použito druhého přístupu, jsou měřeny teploty text (venkovní teplota) a střední teploty jednotlivých bytů tím. Výpočtem je určen časový integrál (denostupně) podle kterého je proveden rozpočet spotřebovaného tepla měřeného patním měřičem. Rozpočet není třeba modifikovat žádnými odhadovými koeficienty závislými na poloze bytu a jiných atributech.

 
    • Plyn. [3]

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

 

Obr. 1. Domovní systém měření spotřeby vody, tepla, plynu a elektřiny.

 
    • Elektrická energie.

Nejrozšířenější jsou elektroměry elektromechanické tzv. Ferraisovy, využívající točivého momentu vytvářeného součinem proudu a napětí. Registr je mechanický, jen výjimečně je elektroměr vybaven výstupem impulzů pro vstup do sběrného systému. V posledních deseti létech se postupně rozšiřují elektronické elektroměry, vždy kategorie A resp. B. Rychlejšímu rozšíření brání dosud větší pořizovací cena vzhledem k elektromechanickým typům. Optimální, vzhledem k ceně, je technické řešení snímače elektrické práce relativně snadné. Existuje široká nabídka speciálních integrovaných obvodů [6], které po doplnění snímacími transformátory proudu a napětí umožní začlenění 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 současných bytových domech je oddělení koridorů rozvodu elektřiny (obvykle schodišťovou šachtou) a vody (šachtou bytových jader). V nové výstavbě tato nevýhoda zcela odpadá.

 

2. Požadované aktivity a vlastnosti měřícího systému.

a) Měřené 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 (téměř výhradně jen pro provoz kuchyně).

 
b) 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 odečtu náměrů všech odběrných míst v domě. Pracovníci pověření odečtem pro účely fakturace musí mít prostřednictvím správce domu přístup k odečtu položek příslušných zastupovanému dodavateli. Umožňuje - li systém dálkový odečet náměrů, pak dodavatelům komodit musí být dovolen přístup k příslušným náměrům těchto komodit.

 
c) Nejistota náměrů.

Základní nejistota náměrů 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 řádu 10% (dáno obtížně definovatelnými cestami šíření tepla v domě).

Měření dodávek do bytů je svou podstatou značně prostorově rozptýlené, musí být trvale v provozu bez odborného dohledu. Mimoto uživatel má 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 jak výpadky měření tak samovolné načítání. Typický výpadek měření je důsledkem přerušení dodávky elektrické energie pro napájení systému. Samozřejmostí je ukládání dat do energeticky nezávislé paměti a ztráta náměrů je pak vztažena jen na dobu výpadku. V současnosti doba výpadku jen zcela výjimečně dosáhne 10 hodin za rok a to při uvažování rovnoměrného odběru znamená nejistotu 10/8760 = 0.0011 (0,1%), tedy řádově méně než základní chyba měření.

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

Nejúčinnější kontrolu bude možno provádět v systému s dálkovým odečtem (např. v síti GSM).

 
d) 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 v současnosti hrazeno uživatelem příp. majitelem bytu. Návratnost investice do měření je pak odběratelem hodnocena potenciálními úsporami oproti platbě paušální. Ve všech případech spočívá ekonomický problém ve značné rozptýlenosti odběrů a rostoucí ceně technických prostředků měření a centralizace odečtu, l když dálkový odečet náměrů má zásadní přednosti proti odečtům individuálním, je obtížné, ne-li nemožné, získat věrohodné ekonomické podklady pro věcné hodnocení a uplatnění v procesu vývoje a projekce integrovaného systému. Zejména se týká odpovědí na otázky:

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

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.

 

3. Současné technické prostředky firmy LOMEX, možnosti rozšíření.

Systém, dodávaný firmou LOMEX pod označením MV1, odpovídá svojí strukturou obr. 1 - zahrnuje moduly zobrazené tučně.

Základ systému tvoří bytové měřicí jednotky (BJ) - obr. 2, sběrnicově propojené s centrální jednotkou (CJ), umístěnou v rozvaděči ve společných prostorách domu. Ke každé BJ je připojeno bytové teplotní čidlo (tint) a průtokoměry pro studenou a teplou užitkovou vodu (SV a TUV) - obr. 3. U rozlehlejších bytů se používají dvě teplotní čidla. BJ je zpravidla umístěna v blízkosti vertikálních rozvodů vody, kde je také provedeno sběrnicové propojení systému. Bytové teplotní čidlo pro měření tepelné pohody bytu je nainstalováno v místě stanovené 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.

 

Obr. 2. Bytová měřicí jednotka

 

Na tomto místě je uvedena stručná charakteristika funkčních modulů, podrobný popis je možno nalézt v obchodní dokumentaci [12] a publikacích [2], a na internetové stránce www.lomex.cz.

 

Obr. 3. Vodoměr na SV a TUV

 

Vnitřní a venkovní teplota se snímá platinovým teploměrem. Průtok vody indukčním průtokoměrem o světlosti 1/2 inch a připojovacím závitem G3/4.

Metrologické parametry:
 

          •   Qmax = 3600I/hod

          •   Qt = 200 I/hod

          •   Qmin = 50 I/hod

          •   Nejistota údaje = 2 resp. 5 %

 

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

Rozšíření systému v souladu s obr. 1 nebrání 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 impulzů 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 impulzů, obdobně jako plynoměr, případně rozšířením CJ o obsluhu elektroměru prostřednictvím sběrnice RS485 (protokol LonWorks). V tomto uspořádání zůstává beze změny centrální napájení bytových jednotek nízkým napětím 48 V (v obr.1 čárkovaně).

 

4. Technicky a ekonomicky optimální struktura systému.

Dosavadní vývoj prostředků pro měření spotřeby, včetně možnosti dálkového odečtu probíhá izolovaně pro jednotlivé komodity. Výsledek není překvapivý - jen sporadicky je využíváno plné 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). Její napájení je odebíráno 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 mají velmi nízké mohutnosti a nejsou tedy kladeny zvláštní nároky na výkon procesoru bytové jednotky. Data jsou ukládána do paměti energeticky nezávislé v bytové jednotce a periodicky přebírány centrální jednotkou k uložení rovněž v energeticky nezávislé paměti, přičemž přenos po sběrnici (v obr. 1 RS485) je zabezpečen proti chybám.

Centrální jednotka shromažďuje naměřená data všech připojených bytových jednotek, vysílá bytovým jednotkám údaj externí teploty text pro průběžný výpočet denostupňového integrálu, přebírá naměřené údaje patních měřidel vody a tepla a zabezpečuje komunikaci s fakturačními středisky např. prostřednictvím sítě mobilního telefonu (GSM).

Naznačené uspořádání mimo minimalizace opakování funkčně shodných dílů minimalizuje nároky na instalaci vedení v domě. Všechna související vedení jsou signálová, nepodléhající přísným bezpečnostním normám. Bytové jednotky jsou napájeny z elektro-rozvodů bytů a odpadají námitky proti hrazení energie, byť na úrovni 3VA/BJ, ze společné spotřeby domu. Odpadá rovněž centrální zdroj a rozvod napájecího napětí pro bytové jednotky.

 

5. 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 u uživatelů a provozovatelů. Za nejúčinnější je považována optimalizace technického řešení systému integrujícího měření spotřeby všech komodit. V systému nejsou opakovány 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 řady funkcí společnému procesoru.

 
Literatura.
[1] Toman K., Kunc J.: Systémová technika budov - elektroinstalace podle standardu EIB. FCC Public, Praha 1998.
[2] Los M., Hoder K.: Účtování tepla uživateli bytu podle denostupňů. Teplo & Peníze č. 8/1997, str. 134 -140.
[3] Marták J., Laluha K.: Plynomery. Alfa Bratislava 1978.
[4] Jenčík J.: Ultrazvukové průtokoměry. Automatizace č. 5/ 1998, str. 300-303.
[5] Duda L.: Po stopách jedné zlaté medaile - hmotnostní průtokoměr CORIMASS G. Automatizace č. 8/1995, str. 305-307.
[6] Obvody pro měření elektrického výkonu a energie v síti 230 V. Konstrukční elektronika č. 1/1999, str, 11 -19.
[7] Burián J., Hlaváč V.: Datové přenosy v sítích kabelové televize. Sdělovací technika č. 5/1999, str. 24 - 25.
[8] GSM - datové přenosy. Stránka FCC na Internetu: www.fccps.cz.
[9] Havle O.: Odhad nákladů na provoz datových přenosů v síti GSM. Sdělovací technika č. 5/1997, str, 24 - 25.
[10] PSION - firemní literatura distributora v čr - POINT.X s. r. o.
[11] Los M., Hoder K.: Tepelná pohoda - podklad pro účtování nákladů za teplo. Energie & Peníze, č. 5-6/2000.
[12] Systém MV1, firemní literatura LOMEX s.r.o., Blansko.
[13] Internet: www.lomex.cz