Elektroniczne i programowalne głowice termostatyczne

Zgodnie z art. 8 dyrektywy w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (EPBD) [2] nowe budynki powinny być wyposażone w samoregulujące się urządzenia, które regulują temperaturę oddzielnie w poszczególnych pomieszczeniach lub, w uzasadnionych przypadkach, w wyznaczonej strefie ogrzewanej modułu budynku. W istniejących budynkach instalacja takich urządzeń wymagana jest w przypadku wymiany źródeł ciepła.

Wymóg ten został wprowadzony do polskiego prawa i zapisany w Warunkach Technicznych [1]. Paragraf 134 WT wymaga, by końcowe urządzenia grzewcze w pomieszczeniach zasilane z instalacji grzewczej miały możliwość regulacji dopływu ciepła:

4. Grzejniki oraz inne urządzenia odbierające ciepło z instalacji ogrzewczej powinny być zaopatrzone w regulatory dopływu ciepła. Wymaganie to nie dotyczy instalacji ogrzewczej w budynkach zakwaterowania w zakładach karnych i aresztach śledczych.

5. W budynku zasilanym z sieci ciepłowniczej oraz w budynku z własnym (indywidualnym) źródłem ciepła na olej opałowy, paliwo gazowe lub energię elektryczną, regulatory dopływu ciepła do grzejników powinny działać automatycznie, w zależności od zmian temperatury wewnętrznej w pomieszczeniach, w których są zainstalowane. Wymaganie to nie dotyczy budynków jednorodzinnych, mieszkalnych w zabudowie zagrodowej i rekreacji indywidualnej, a także poszczególnych mieszkań oraz lokali użytkowych wyposażonych we własne instalacje ogrzewcze.

Taki zapis oznacza, że w nowych lub przebudowywanych instalacjach grzewczych konieczne jest stosowanie zaworów grzejnikowych termostatycznych. Ich rolą jest automatyczna regulacja przepływu wody grzewczej, zapewniająca utrzymywanie w pomieszczeniu zadanej temperatury.

Sam zawór termostatyczny ma prostą budowę i zasadę działania. Składa się z korpusu brązowego lub mosiężnego – trwałego i odpornego na korozję – oraz z wkładki zaworowej i głowicy termostatycznej wyposażonej w czujnik temperatury zewnętrznej – porównanie jej wartości z wartością ustawioną na głowicy decyduje o przymykaniu lub otwieraniu zaworu. Funkcję tę spełnia wkładka, która składa się z grzybka z elastycznymi uszczelkami osadzonego na trzpieniu sterującym ze sprężyną powrotną. Nacisk na trzpień przez popychacz głowicy powoduje otwieranie lub przymykanie zaworu. Jakość każdego z tych podzespołów (np. podwójne uszczelnienie O-ring lub solidne wykonanie materiałowe sprężyny) jest bardzo ważna dla prawidłowej i efektywnej pracy zaworu. Umożliwia nie tylko utrzymanie oczekiwanej temperatury w każdym pomieszczeniu, ale także wykorzystanie zysków ciepła (od słońca i z pomieszczenia) i obniżenie kosztów pracy pomp poprzez zmniejszenie natężenia przepływu oraz obniżenie temperatury powrotu, co może wpłynąć na sprawność pracy urządzeń grzewczych.

W 2015 roku w krajach UE prowadzono badania, z których wynikało, że samo zastąpienie ręcznych zaworów grzejnikowych zaworami termostatycznymi (bez zastosowania dodatkowych środków, np. nocnego obniżenia temperatury) pozwala zaoszczędzić ok. 13–19% energii cieplnej. Zmiana ta ma podobnie duży wpływ na zmniejszenie emisji CO₂ w Europie – może pozwolić na osiągnięcie nawet 15% celu założonego dla budynków do 2030 roku [3].

Co więcej, grzejnikowe zawory i głowice termostatyczne mogą podlegać niezależnej, dobrowolnej ocenie pod kątem efektywności energetycznej. Producenci grzejnikowych zaworów termostatycznych wspólnie stworzyli etykietę energetyczną TELL (Thermostatic Efficiency Label), nadawaną po spełnieniu określonych warunków przez Europejskie Stowarzyszenie Producentów EUnited Valves na wniosek producenta. Certyfikacji mogą podlegać zespoły zawór termostatyczny–głowica wykonane zgodnie z wymaganiami normy EN 215 [4]. Oceniane są takie parametry jak wpływ temperatury wody na działanie czujnika, opóźnienie w działaniu, czas zamykania oraz wpływ różnicy ciśnienia. Etykieta energetyczna zawiera informacje o klasie energetycznej (od I do VI) – wynikającej z porównania rocznego zużycia energii przez dane urządzenie do standardowego zużycia energii przez urządzenia tego typu – oraz o podstawowych parametrach urządzenia, np. zużyciu energii czy poziomie hałasu.

Tradycyjne termostaty grzejnikowe mogą być zastąpione przez termostaty elektroniczne, tzw. inteligentne, których funkcjonalność wykracza poza ustawienie żądanej temperatury. Dają one możliwość określenia odpowiedniego programu dla każdego pomieszczenia oraz automatycznej reakcji na zmieniające się warunki (np. czujnik otwarcia okna). Producenci szacują, że dzięki dobraniu odpowiedniego programu można uzyskać nawet do 30% oszczędności na ogrzewaniu w porównaniu do zastosowań z tradycyjnymi termostatami. Z kolei wymieniając ręczne zawory grzejnikowe na elektroniczne termostatyczne, zyskamy do 11% oszczędności (dla porównania samo nocne obniżenie temperatury daje oszczędność 10%) [5]. Jeśli zastosowanie zaworów elektronicznych nie jest jedynym usprawnieniem i dodatkowo zastosuje się równoważenie hydrauliczne oraz zmianę trybu pracy z jednolitego na „adaptacyjny”, zgodny z trybem życia mieszkańców i użytkowników budynków, można osiągnąć następujące wartości oszczędności energii [6]:

• zastąpienie zaworów ręcznych nowoczesnymi zaworami termostatycznymi: 36%;
• zastąpienie zaworów ręcznych elektronicznymi zaworami termostatycznymi (w zależności od zastosowania drugiego sposobu oszczędzania): 37–46%;
• zastąpienie starszych zaworów termostatycznych (mających 30 lat i więcej, o dokładności regulacji 2 K) nowoczesnymi zaworami termostatycznymi: 8%;
• zastąpienie starszych zaworów termostatycznych elektronicznymi zaworami termostatycznymi – od 12% (jeśli stosowano już planowane obniżanie temperatury) do 23% (jeśli planowane obniżanie temperatury wdrożono wraz z wymianą zaworu).

„Inteligencja” termostatu może być rozumiana na różne sposoby. Pierwszą możliwością jest zastosowanie tzw. głowicy programowalnej – zasilanego baterią podzespołu, który w prosty sposób mocuje się do zaworu grzejnikowego (np. zastępując dotychczasową głowicę). Drugim rozwiązaniem jest zastąpienie układu termostatycznego (zawór termostatyczny z głowicą) zaworem z siłownikiem elektrycznym, który jako element wykonawczy jest sterowany przez zewnętrzny termostat, np. montowany na ścianie w pomieszczeniu.

Uzupełnieniem tych dwóch rozwiązań jest zdalne sterowanie urządzeniami, wykorzystujące jeden z trzech sposobów komunikacji:

• radiowa – sterowanie zdalnym programatorem za pośrednictwem fal radiowych. Jeden programator może sterować kilkunastoma głowicami;
• internet (Wi-Fi) – rozwiązanie z zakresu tzw. internetu rzeczy. Dzięki wbudowanemu modułowi komunikacyjnemu Wi-Fi głowicą można sterować z dowolnego miejsca poprzez sieć internetową. Zwykle do tego celu używa się tzw. aplikacji webowej (wersja programu do sterowania dostępna przez przeglądarkę) lub aplikacji mobilnej;
• technologia Bluetooth – rozwiązanie przeznaczone do bezpośredniej komunikacji z urządzeniami mobilnymi (smartfon, tablet). Dzięki wbudowanemu modułowi Bluetooth głowica może komunikować się z pobliskimi urządzeniami mobilnymi (w odległości do kilkunastu metrów).
   

Głowice programowalne

Termostatyczne głowice programowalne można w prosty sposób umieścić w miejscu dotychczasowych głowic termostatycznych. Głowice takie, oferowane zarówno przez producentów armatury grzejnikowych, jak i dostawców rozwiązań do domu inteligentnego, montuje się na zaworach grzejnikowych w prosty sposób, tak samo jak zwykłe głowice termostatyczne – na gwint lub zatrzask. Głowice przystosowane są do większości istniejących zaworów, w ofercie producentów są też adaptery. Głowica programowalna zasilana jest bateryjnie.

Głowica programowalna, podobnie jak tradycyjna, ma wbudowany czujnik temperatury otoczenia. Ważnym elementem jest programator. Umożliwia on ustawienie jednego z programów fabrycznych albo własnego. Dzięki programom obniżania temperatury w pomieszczeniach można osiągać znaczne oszczędności energii cieplnej. Są one szczególnie istotne w przypadku domów dużych oraz o gorszej izolacyjności. Dlatego racjonalne może być obniżenie temperatury w nocy, np. o 3°C, oraz podczas nieobecności mieszkańców, np. do 15–16°C przy krótszej absencji (wyjście do pracy) lub ok. 8–10°C przy dłuższym wyjeździe. Nie zaleca się zupełnego wyłączania ogrzewania ze względu na utrzymanie bezpiecznych parametrów cieplno-wilgotnościowych w mieszkaniu, ochronę instalacji grzejnikowej przed zamarzaniem oraz ekonomię późniejszego nagrzania pomieszczenia do oczekiwanej temperatury.

Głowica programowalna wyposażona jest w prosty układ programowania (np. przyciski, pokrętło), czytelny wyświetlacz LCD, a często także dodatkowe elementy o walorach zarówno dekoracyjnych, jak i użytkowych – np. dioda LED kolorem sygnalizująca stan pracy głowicy.

Głowica programowalna jest zwykle wyposażona także w dodatkowe funkcje, które umożliwiają dostosowanie pracy ogrzewania do bieżącej sytuacji w pomieszczeniu. Program wykrycia otwartego okna oznacza automatyczne zmniejszenie otwarcia zaworu lub wręcz jego całkowite zamknięcie w przypadku wykrycia gwałtownego spadku temperatury powietrza (domyślnie powodowanego przez otwarcie okna), co pozwala unikać strat ciepła. Zawór termostatyczny jest zwykle zamykany (lub przymykany) na określony czas, np. 30 minut od wykrycia otwarcia okna. Po tym czasie przywracane jest działanie zgodne z wcześniejszymi ustawieniami termostatu. Niektóre głowice wyposażone są w dodatkowe zabezpieczenie pomieszczenia przed wychłodzeniem, ograniczając częstotliwość aktywacji funkcji otwartego okna (przykładowo nie częściej niż raz na godzinę). Funkcja przeciwmrozowa zapewnia, że temperatura w pomieszczeniu nie spadnie poniżej określonej wartości (np. 5°C). Ciekawą funkcją jest także ochrona zaworu przed kamieniem kotłowym. Polega ona na regularnym (np. raz w tygodniu) otwarciu zaworu tak, aby zapewnić pełen przepływ przez zawór. Taka „aktywność” zaworu sprawia, że ograniczone jest osadzanie na jego powierzchni kamienia kotłowego.

Sterownik głowicy programowalnej może być także wyposażony w algorytm sztucznej inteligencji, który pozwala na tzw. sterowanie adaptacyjne. Oprogramowanie uczy się wzorców załączania i wyłączania ogrzewania zależnie od szeregu czynników – w tym aktywności użytkowników czy temperatury zewnętrznej. Zawór może być więc uruchamiany i wyłączany bez ingerencji użytkownika, ale odtwarzając jego wzorce zachowania.

Głowicami programowalnymi można sterować także z zastosowaniem telefonu jako pilota. Jest to możliwe w smartfonach wyposażonych w chip Bluetooth Low Energy. Konieczne jest też pobranie odpowiedniej darmowej aplikacji (oferowanej przez producentów głowic), która umożliwia zarówno obsługę kilku głowic w jednym pomieszczeniu, jak i zdefiniowanie kilku pomieszczeń. Możliwe jest także ustawienie programu (harmonogramu) tygodniowego.

Termostaty zdalne

Termostat nie musi znajdować się bezpośrednio na zaworze grzejnikowym. Dużą zaletą jest możliwość umieszczenia czujnika temperatury pomieszczenia w oddaleniu od grzejnika, dzięki czemu może on odczytywać temperaturę np. w miejscu częstego przebywania domowników lub użytkowników.

Zewnętrzny termostat to często pomieszczeniowe rozwiązanie naścienne (natynkowe), które komunikuje się z siłownikiem zaworu grzejnikowego zdalnie, np. drogą radiową. Sam termostat może być zasilany przewodowo lub poprzez baterię. Za pomocą termostatu pomieszczeniowego można ustawiać i regulować temperaturę w danym pomieszczeniu oraz ustawiać program czasowy dobowego obniżania i podwyższania temperatury. Zakres regulacji wynosi zwykle od 10 do 30°C.

Termostat może mieć także dostęp do internetu, co umożliwia sterowanie jego ustawieniami z dowolnego miejsca z wykorzystaniem smartfona z odpowiednią aplikacją. Przykładem może być podnoszenie temperatury podczas powrotu do domu, dzięki czemu użytkownik wraca do ogrzanego pomieszczenia.

Termostaty pomieszczeniowe często są efektownymi „cudami techniki” o starannym wykonaniu, ale też bogatym oprogramowaniu, np. z funkcjami raportowania i algorytmami AI umożliwiającymi uczenie się samodzielnej obsługi grzejników w pomieszczeniach według takich zmiennych jak nawyki użytkownika. Termostaty inteligentne i uczące się często mają dodatkowe funkcje, np. czujnik wilgotności lub obecności, co umożliwia ich włączenie do systemu domu inteligentnego lub BMS.

Dom inteligentny i BMS

Termostaty sterujące ogrzewaniem mogą zostać włączone do systemu domu inteligentnego. W zależności od rozwiązania technicznego mogą się one łączyć ze stacją bazową systemu przewodowo lub drogą radiową. Wówczas ogrzewaniem można sterować w połączeniu z m.in. roletami, żaluzjami i czujnikami okiennymi. Prostym przykładem współpracy urządzeń w domu inteligentnym może być zadziałanie zaworu grzejnikowego w odpowiedzi na otwarcie okna. Sygnał z kontaktronu (magnetycznego czujnika otwarcia okna) przekazywany jest do centrali, skąd wysyłany jest komunikat do siłownika zaworu termostatycznego, który odpowiednio do zadanej nastawy ogranicza lub zamyka przepływ wody grzewczej.

Termostaty będące elementem domu inteligentnego mogą również być sterowane przez systemy sztucznej inteligencji (AI), takiej jak Alexa (Amazon), Siri (Apple) czy Google Assistant (Google). Systemy sztucznej inteligencji potrafią głosowo lub za pomocą wiadomości tekstowej odpowiadać na proste pytania dotyczące np. temperatury w danym pomieszczeniu (np. OK Google, jaka jest temperatura w kuchni?) lub reagować na komendy (np. Siri, increase the bedroom temperature by 3 degrees).

Do sterowania urządzeniami w domu inteligentnym można stosować również usługę IFTTT (If This Then That – „jeśli to, wtedy tamto”). Umożliwia ona zaprogramowanie reakcji systemu na zdarzenia, np. z wykorzystaniem geofencingu – jeśli dany sprzęt opuści teren wydzielony wirtualnymi granicami, nastąpią konkretne wydarzenia. W przypadku domu inteligentnego mowa np. o sytuacji, gdy użytkownik (a z punktu widzenia systemu jego smartfon z włączonymi odpowiednimi funkcjami) znajdzie się w określonej odległości od posesji, ograniczony zostanie przepływ wody grzewczej w grzejnikach i zamknięte okna. Rozwiązuje to problem „zostawienia włączonego żelazka”. Takich par wydarzenie („trigger”) i reakcja („action”) można utworzyć więcej, korzystając z odpowiedniego oprogramowania, w które musi być wyposażona centrala sterująca domem inteligentnym.

Funkcjonalności termostatów inteligentnych sprawiają, że mogą one stać się również elementem BMS (Building Management System) w obiektach innych niż domy jednorodzinne, np. mieszkalnych, biurowych czy hotelowych. System BMS działa na podobnej zasadzie jak „wielkoskalowy” dom inteligentny – w aspekcie ogrzewania monitoruje pomieszczenia pod kątem temperatury, ale także np. obecności osób (sygnały z czujnika obecności) oraz w zależności od wartości tych parametrów automatycznie reguluje przepływ wody grzewczej. BMS pozwala także na ustawianie wybranej temperatury w określonym pomieszczeniu lub zdalne wyłączenie funkcji grzania (albo możliwości regulowania ogrzewania przez użytkownika).

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019, poz. 1065 oraz DzU 2020, poz. 1608 i 2351)
2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/844 z dnia 30 maja 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej (Dz.Urz. UE L 156/75 z 19.06.2018)
3. EcoFys (von Manteuffel Bernhard, Offermann Markus, Bettgenhäuser Kjell), Energy & GHG emission savings potentials of thermostatic valves. Final report, 2016, na zlecenie EUnited Valves
4. PN-EN 215:2020-01 Termostatyczne zawory grzejnikowe. Wymagania i metody badań
5. EcoFys, Optimising the energy use of technical building systems – unleashing the power of the EPBD’s Article 8, 2017, badania i raport na zlecenie Danfoss
6. Hirschberg Rainer, Energy efficiency related to the change of thermostatic radiator valves, 2017, badania i raport na zlecenie Danfoss
7. Materiały techniczne producentów urządzeń