Perinteisesti lämmitysjärjestelmä perustuu termostaattien käyttöön eli käytännössä termostaattien asetusarvoon sekä huonelämpötilan mittaukseen. Säätöjärjestelmään kuuluu olennaisesti myös hystereesiominaisuus, joka hidastaa lämpötilan muutoksiin reagoimista ja vähentää turhien kytkentöjen määrää. Käytännössä lämmitys käynnistetään kun huonelämpötila laskee riittävästi asetusarvon alapuolelle ja sammutetaan kun huonelämpötila nousee asetusarvon yli tietyn verran.

Tutkitaan asiaa tarkemmin laskennallisesti. Sisälämpötila saadaan laskettua kaavalla kun tiedetään ulkolämpötila, rakenteiden U-arvot, simuloitavan huoneen mitat sekä lämmitysteho. Mallinnusta varten Ilmatieteenlaitoksen avoimen aineiston kautta ladattiin paikkakunnan lämpötilatiedot.

Huone lämpenee lattialämmityksen avulla. Lattialämmityksen menoveden lämpötila muuttuu ulkolämpötilan mukaan, mutta on aina vähintään 25 °C kosteiden tilojen kuivatuksen vuoksi. Laskennan yksinkertaistamiseksi lattialämmityksen voi kytkeä päälle tai pois aina kymmenen minuutin ajaksi.

Tarkastelun kohteeksi valitsin toukokuisen viikon, jolloin yön ja päivän ulkolämpötiloissa on suuria vaihteluita. Alla olevassa kuvassa ulkolämpötila on sinisellä, asetusarvo (21 °C) keltaisella, lämmitysventtiilin asento punaisella (ylhäällä auki ja alhaalla kiinni) ja toteutunut huonelämpötila vihreällä värillä.

Kuvasta havaitaan että pelkällä lattialämmityksellä ei ole riittävästi auktoriteettia lämpötilan pitämiseksi tasaisena ja että järjestelmä reagoi hitaasti lämpötilan muutoksiin. Toteutuneen lämpötilan ja asetusarvon välillä on suuria eroja. Keskimääräinen ero tavoitteeseen on 0,94 °C, mikä ei kuulosta paljolta, mutta erityisesti päivisin ero voi olla useita asteita.

Lämmityksen hitaus johtuu siitä että betonilaatan suuri massa vaatii pitkän ajan että sen lämpötila muuttuu. Lattialämmitys ei siis lämmitä huonetta heti lämmitysventtiilin avaamisen jälkeen. Lattialämmitys myös luovuttaa lämpöä vielä pitkään senkin jälkeen kun lämmitysventtiili on jo suljettu. Järjestelmän hystereesi pahentaa tilannetta vielä entisestään.

Laskennallisesti voidaan etsiä optimaalisempi tapa geneettisen algoritmin avulla. Geneettisessä algorimissä muodostetaan aluksi populaatio, joka satunnaisesti kytkee lattialämmitystä päälle tai pois viikon jokaisen kymmenen minuutin välein. Populaation jokaiselle yksilölle lasketaan huonelämpötilan keskimääräinen ero tavoitteeseen. Lähimmäksi päässyt yksilö tuottaa seuraavan sukupolven. Seuraavan sukupolven venttiilisäädöt ovat edellisen sukupolven asennoista hieman muokattuja. Algoritmia toistetaan kunnes huonelämpötilojen erotus tavoitteeseen ei enää pienene merkittävästi.

Yllä olevasta kuvasta nähdään että venttiilien avaaminen ja sulkeminen tapahtuu nyt aiemmin kun alkutilanteessa (ensimmäinen kuva). Eli lämmitys aloitetaan vaikka huonelämpötila olisi vielä yli asetusarvon ja lämmitys sammutetaan vaikka asetusarvoa ei olisi vielä saavutettukaan.

Keskimääräinen ero tavoitteeseen on nyt 0,78 °C, mikä on aiempaa parempi, mutta betonilaatan massasta johtuen järjestelmä ei vieläkään ehdi reagoida nopeisiin ulkolämpötilan muutoksiin. Erityisesti päivisin sisälämpötila nousee edelleen reilusti yli tavoitteen.

Sisälämpötilaan voidaan lisäksi vaikuttaa poistoilmalämpöpumpun avulla. Se voi joko lämmittää tai jäähdyttää tuloilmaa tai pelkästään vaihtaa sitä. Tarkastellaan seuraavaksi tilannetta jossa lattialämmitys toimii kuten ensimmäisessä kuvassa. Lisäksi PILP alkaa jäähdyttää ilmaa kun huoneilma on asteen yli tavoitteen ja lämmittää kun huoneilma on asteen alle tavoitteen. Näiden lämpötilojen välillä PILP vain vaihtaa ilmaa.

Yläkuvassa PILP:n tila näkyy syaanilla värillä: ala-asennossa se jäähdyttää, keskiasennossa vaihtaa ilmaa ja yläasennossa lämmittää. Tässä tarkastelujaksossa ei lämmitystä kuitenkaan tarvita. Kuvasta nähdään että pahimmat ”piikit” huoneilman lämpötilassa ovat tasoittuneet. Keskimääräinen ero asetusarvoon on nyt enää 0,65 °C. Tämä tilanne vastaa lämmitysjärjestelmäni nykyistä toimintaa.

Kaikkein optimaalisin tilanne saavutetaan kun optimoituun lattialämmitykseen (kuva 2) yhdistetään lisäksi optimoitu ilmalämmitys/-jäähdytys. Tällöin keskimääräinen ero tavoitteeseen on vain 0,31 °C. Kahta edellistä kuvaa vertaamalla nähdään että lattialämmityksen kytkentähetket ovat optimoidussa tilanteessa aikaistuneet noin seitsemällä tunnilla ja PILP:n noin kolmella tunnilla perustilanteeseen verrattuna.

Käytännössä järjestelmä ei nykyisellään pysty tällaiseen säätötapaan, vaan sitä pitäisi ohjata esimerkiksi lyhyen ajan lämpötilaennusteen avulla. Käytössä oleva Uponor Control System -lattialämmitys toimii lisäksi omien termostaattiensa avulla, jotka ohjaavat lattialämmitysventtiilejä. Tarmostaatin lähettämä viesti pitäisi siis pystyä muuttamaan lennossa tai vaihtoehtoisesti koko ohjausjärjestelmä pitäisi muuttaa. PILP:n lämpötilapyyntöä on sen sijaan mahdollista muuttaa ohjelmallisesti.

Helpoimmin toteutettava vaihtoehto olisikin antaa lattialämmityksen olla ennallaan ja muuttaa PILP:n lämmitys-/jäähdytyspyyntöä ennakoivasti sääennusteen mukaan. Laskennallisesti silloin olisi keskimääräinen ero tavoitteeseen olisi 0,44 °C. Energiatehokkuuden kannalta PILP:n käyttöä helpottaa myös se että kompressorin käydessä se lämmittää hukkalämmöllä talon käyttövettä. Käytännön toteutuksesta lisää seuraavassa jutussa.