Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Historie a vývoj termostatů

Datum: 16.7.2018  |  Autor: Ing. Jan Říšský, JOHNSON CONTROLS INTERNATIONAL, spol. s r.o.  |  Recenzent: Jan Eisner, Bosch Termotechnika s.r.o., obchodní divize Buderus

Stručně nahlédneme do historie a vývoje termostatů a to od prvního objevení vlastností bimetalu až po současnost, kdy termostat umí mnohem více než jen ovládat zdroj tepla.

Úvod

Úvodem tohoto článku by nejspíš nebylo od věci ujasnit si, co to vlastně je ten „termostat“ a že se pravděpodobně nejedná o nějaké cizí sprosté slovo. Většina uživatelů termostatu ho vnímá jen jako obyčejnou, často přehlíženou krabičku na zdi, zpravidla bílé barvy, pomocí které si nastaví žádanou teplotu v pokoji, a pak čekají, až kotel či jiný zdroj tepla odvede svou práci. Finální uživatel termostatu je zpravidla laik a má na takovéto názory právo. Znají ale odborníci reálný význam slova termostat? Je to jen hloupá krabička, nebo jsou jeho funkce a fungování trochu složitější?

Vznik, historie a princip fungování zmíněné „bílé krabičky“ je mnohem zajímavější a myslím, že stojí za to věnovat mu zde pár řádků, které nás zasvětí do tajů, co to vlastně ten termostat je a jak se vyvíjel.

Na počátku bylo slovo.

Známá věta, avšak jiný příběh. Upravme si trochu zmíněnou větu k popisovanému tématu a řekněme, že: „Na počátku všeho bylo slovo a taky zima.“ A tak už od doby, kdy byl člověkem objeven oheň a z něj vyzařující teplo, se lidstvo s tímto elementem natolik sžilo, že si bez něj nedokážeme vůbec představit existenci.

Ruku v ruce s ohněm jde i jeho využití jako zdroje tepla pro vytápění. Jako první zdroj cíleně určený k vytápění můžeme brát otevřená ohniště, která se stala součástí každého kmene, klanu i rodiny. Vývojem času docházelo k ohraničování ohně a jeho cílené kontrole, což vedlo k vynálezu krbu. Používání krbů se datuje cca do 9. století našeho letopočtu. Přibližně v 10. století n. l. doznaly krby modifikace v podobě uzavřeného pláště a světlo světa tak spatřila kamna. Za zmínku určitě stojí kachlová kamna, která měla schopnost akumulovat teplo a to předávat do prostoru i po jejich vyhasnutí.1

Jelikož většina věcí dnešního světa podléhá modernizaci, tak i vytápění se postupně vyvíjelo až do dnešní podoby. Za zmínku určitě stojí vytápění horkým vzduchem, parou nebo ústředním topením, které většinou všichni známe. Zjednodušený historický vývoj vytápění popisuje časová osa na obrázku 1.23

Obrázek č. 1 – Časová osa vývoje vytápění
Obrázek č. 1 – Časová osa vývoje vytápění

S postupnou modernizací vytápění vyvstala myšlenka, jak tento zdroj tepla dostat ještě více pod kontrolu, a jedním z výsledků této myšlenky bylo mimo jiné zařízení, které dneska známe pod pojmem termostat.

Stručná historie vzniku termostatu

Obrázek č. 2 – Dr. Andrew Ure
Obrázek č. 2 – Dr. Andrew Ure

Na webových portálech se uvádí, že jako první objevil myšlenku termostatu Dr. Andrew Ure (1778–1857). Ten se snažil najít způsob, jak udržet konstantní teplotu v textilní výrobě, a tak v praxi využil vlastnost bimetalového pásku různou tepelnou roztažnost použitých kovů. Pásek se po překročení požadované teploty prohnul a tím přerušil zdroj energie.

Dr. Ure si jako první nechal patentovat bimetalový termostat roku 1830. Bohužel jeho vynález měl v té době jen pramalé využití, a tak byla myšlenka termostatu v podstatě uložena k ledu.

 
Obrázek č. 3 – Warren Seymour Johnson
Obrázek č. 3 – Warren Seymour Johnson
Obrázek č. 4 – Albert M. Butz
Obrázek č. 4 – Albert M. Butz

Když se na chvíli podíváme do Ameriky, tak s využitím informačního portálu o historii firmy JCI můžeme zjistit, že přibližně o půl století později se myšlenkou termostatu dále začal zabývat jistý Warren Seymour Johnson (1847–1911). Johnson se narodil do rodiny farmářů v západním Wisconsinu. I přes své těžké, chudobné dětství měl velký zájem o vědění. Už jako malý chlapec s sebou nosil poznámkový blok se skicami a poznámkami o různých technických, chemických či elektrických vynálezech. Navzdory jeho nedostatečnému vzdělání se později Warren dostal do takových pracovních pozic, jakými byly zeměměřič, venkovský učitel, školní dozorce, až se nakonec stal profesorem na státní škole Whitewater ve Wisconsinu. Právě zde se pak začala psát historie vzniku termostatu. V době, kdy učil na škole Whitewater, přemýšlel nad tím, jak zařídit, aby neustále nemusel upozorňovat školníka na to, že je v učebně chladno. Jedinou možnou regulací teploty prostoru bylo, že se člověk buď osobně sebral a šel manuálně ovládat klapky kotle/kamen, nebo tak jako ve zmíněném případě Johnsona, člověk musel jít a zpravit o pocitu chladu školníka, který následně upravil klapky sám. Johnsona neustálé pobíhání mezi učebnou a kotelnou nebavilo, a tak začal přemýšlet, jak se této činnosti co nejlépe zbavit. Na principu tepelné roztažnosti bimetalu Johnson sestavil termostat, který osadil kontaktem napojeným na elektrický zvonek. V momentě, kdy v místnosti klesla teplota pod požadovanou hodnotu, kontakt sepnul a zvonek umístěný v kotelně dal povel údržbáři, aby přitopil.

Warren S. Johsnon si uvědomoval možnosti využití tohoto mechanismu, a tak si roku 1883 nechal svůj první elektrický termostat patentovat a dále rozvíjel jeho potenciál.4

Nebyl však jediný, kdo se ještě v neglobální době zasloužil o vznik/vývoj termostatu. Posledním z trojice vynálezců prvních termostatů je Albert M. Butz (1849–1905). Tento švýcarský imigrant požádal o patent na svůj „damper flapper“ roku 1885. Jednalo se o zařízení, které pomocí automatického kladkostroje ovládalo dvířka pece. Později Butz založil společnost s názvem Butz Thermoelectric Regulator Company, a tím tak položil základy společnosti, kterou po několika změnách v názvu většina lidí v dnešní době zná jako Honeywell International.

Chronologické řazení prostorových termostatů a jejich návaznost na předchozí typy

Roku 1885 v Milwaaukee ve Wisconsinu založil Warren S. Johsnon s finanční podporou Williama Plankintona společnost Johnson Electric Service. U této společnosti, která se později přejmenovala do současné podoby Johnson Controls, chvíli zůstaneme a popíšeme si vývoj jejich termostatů od prvního bimetalového až po současné inteligentní termostaty, využívající internetového připojení a hlasového ovládání ve skleněném provedení.5

Obrázek č. 5a – Zakladatelé JCI
Obrázek č. 5b – Patent z roku 1884, kdy si W. S. Johnson nechal patentovat tepelný regulátor

Obrázek č. 5 – Zakladatelé JCI a patent z roku 1884, kdy si W. S. Johnson nechal patentovat tepelný regulátor
  • Obrázek č. 6 – Skica Electrical thermoscopu
    Obrázek č. 6 – Skica Electrical thermoscopu
    Prvním termostatem z produkce Johnson Electric Service byl tzv. electrical thermoscop, který byl patentován roku 1883. Zařízení, jež známe jako elektrický prostorový termostat, využívalo bimetalového pásku s jedním koncem vodiče pevně uchyceným a druhým ponořeným do malého kalíšku se rtutí. Vliv změny prostorové teploty pohyboval proužkem a ponořoval ho nebo vynořoval ze rtuti. Tento pohyb spínal či odepínal elektrický obvod, který ovládal klapku přívodu vzduchu kotle a tím reguloval jeho výkon. Díky tomu následně docházelo k regulaci na požadovanou prostorovou teplotu.
     
  • Obrázek č. 7 – Termostat z roku 1893
    Obrázek č. 7 – Termostat z roku 1893
    Obrázek č. 8 – „Residence thermostat“ z období kolem roku 1900
    Obrázek č. 8 – „Residence thermostat“ z období kolem roku 1900

    Roku 1893 přišel na řadu nástupce prvního elektrického bimetalového termostatu. Nesl prosté označení termostat, ukazoval teplotu prostoru pomocí rtuťového teploměru ve vrchní části a oproti svému předchůdci byl uložen do ozdobného pouzdra. Spodní část obsahovala stupnici s požadovanou teplotou a otvorem pro klíček, kterým se požadovaná teplota nastavovala. Klíček byl odnímatelný, a tak nemohlo nastat, že by termostat mohla používat nepovolaná osoba.6

  • O 7 let později, roku 1900, poznal světlo světa v řadě třetí termostat, tentokrát s označením „Residence thermostat“ a jednalo se pouze o vzhledově vylepšeného mladšího bratříčka předchozího modelu. Díky zajímavějšímu vzhledu byl často používán v kancelářích, hotelích a jiných exponovaných místech.7
     
  • Obrázek č. 9 – 1925 Duální termostat
    Obrázek č. 9 – 1925 Duální termostat
    V meziválečném období, roku 1925, Johnson Service Company koupila patent na duální termostat vyvinutý hlavním správcem škol v New York City. Tento termostat dokázal automaticky snižovat požadovanou teplotu prostoru v závislosti na změně tlaku vzduchu poté, co byla místnost opuštěna lidmi. Automatické regulování bylo v době Velké hospodářské krize považováno za malý technický zázrak.8
     
  • Obrázek č. 10 – „reklamní“ leták na Duostat
    Obrázek č. 10 – „reklamní“ leták na Duostat
    Zhoršující se hospodářství ve 30. letech v USA donutilo vedení společnosti k úsporným řešením. Propouštěli se zaměstnanci, snižovaly se platy a místo pracovního výkonu se přesunulo z kanceláří do domů jednotlivých zaměstnanců. V důsledku toho všeho se společnost snažila zaměřit na modernizaci starších budov, a tak vznikla myšlenka Duostatu. Tento duální termostat zpracovával informace o venkovní teplotě a v návaznosti na ní dával požadavek na změnu teploty v prostoru. V podstatě se jednalo o jednoduchý princip ekvitermní regulace, díky které došlo k větším úsporám při vytápění domů.
     
  • Obrázek č. 11 – výstřižek z reklamního článku novin na 4000 T-Stat
    Obrázek č. 11 – výstřižek z reklamního článku novin na 4000 T-Stat
    V roce 1963 Johnson Service Company oznámila nový typ termostatu. Jednalo se o pneumatický typ s označením T-4000 T-Stat v různých barevných provedeních. Zmíněný typ technologicky vycházel z mladšího modelu T-400 cca z roku 1937. Nicméně model T-4000 doznal mnoha změn a byl prezentován jako produkt, který předčí veškerá očekávání. Hlavní předností byla reakční doba, která byla dvakrát rychlejší oproti ostatním termostatům tohoto typu na trhu. Toho bylo dosaženo zvýšenou citlivosti miniaturního bimetalového snímače. T-4000 se mohl pyšnit prvenstvím své doby, a sice tím, že jako jediný termostat uměl dávat zpětnou vazbu. Dalšími výhodami byly malé rozměry (7,6×5×3,8 cm, Š×V×H) a design termostatu, jenž umožňoval proudění vzduchu skrz zařízení. Přístroj byl kalibrován přímo z výroby a díky tomu se zkrátil čas instalace a zároveň došlo k eliminaci chyb. Poslední výhodou byla variabilita umístění, a to buď v horizontální, nebo vertikální poloze podle typu provedení.9
    Archivní údaje JCI uvádí, že na zmíněném typu termostatu proběhlo celkem 15 milionů provozních hodin, sečtené ve všech zařízeních použitých ve školách, kancelářích, nemocnicích a dalších typech provozu.

  • Mezi roky 1980–1995 se používal nový druh termostatu s označením T-4000 Energy Manager Thermostat. Tento pneumatický pokojový termostat umožňoval nastavit dvě žádané teploty, pro chlazení a vytápění. Dělal se v provedení buď single nebo dual bimetal a nabízel robustní opláštění, které se dalo doplnit řadou doplňků. Všechny modely z řady byly vybaveny výstupem pro testování a kalibrování. Energy Manager dostal své jméno od možnosti nastavení mrtvého pásma mezi vytápěním a chlazením. Mrtvé pásmo vytvořilo teplotní interval cca 5–6 °C, kdy nebyl dán požadavek na vytápění a chlazení, tím docházelo k úspoře energie, jelikož fyzicky nedocházelo k překrytí požadavků teplo/chlad.

    Obrázek č. 12 – Horizontální termostat T-4054
    Obrázek č. 12 – Horizontální termostat T-4054
    Obrázek č. 13 – Graf mrtvého pásma termostatu T-4054
    Obrázek č. 13 – Graf mrtvého pásma termostatu T-4054

  • Obrázek č. 14 – Metastat
    Obrázek č. 14 – Metastat
    S příchodem nadřazeného regulačního systému Metasys® v roce 1990 se na poli termostatů objevil nový typ. Nesl označení Metastat a kromě kompaktního jednoduchého vzhledu s sebou přinesl nová vylepšení. Inovací bylo tlačítko přítomnosti, které uživateli dalo volbu přepnutí z útlumového režimu do režimu komfortu. Úpravu doznal i způsob připojení pro testování, lokální nastavení a případné odladění poruch. Nově připojení servisního rozhraní probíhalo po tzv. „Zone bus“ lince. Asi nejvýraznější výhodou byla možnost napojení Metastatu do Metasysu®, díky čemuž se hodnoty z termostatu ukazovaly přímo na řídící stanici velína.
     
  • Obrázek č. 15 – Termostat T-8000
    Obrázek č. 15 – Termostat T-8000
    V posledním odstavci si popíšeme poslední dva nejvýraznější typy. V prvním případě se bude jednat o řadu termostatů T-8000, které jsou určené především pro vytápění a chlazení v komerční i industriální sféře. Termostaty řady T-8000 disponují třemi druhy připojení do systému. Jedná se o klasické analogové připojení a dvě komunikační po protokolu Modbus RTU (T-8600) a protokolu BACnet MS/TP (T-8800). Řada T-8000 plnohodnotně splňuje požadavky zákazníků na ovládání komfortu (setpoint, přítomnost, ovládání FCU) pomocí přehledného dotykového LCD kapacitního panelu. Tato řada je primárně určená pro dvou i čtyřtrubkové systémy s třístupňovou regulací otáček ventilátoru FCU. Samozřejmostí jsou hodiny, časové plány (přes Metasys®) a uzamykatelný displej pro zamezení ovládání nepovolanými osobami.

Aktuální podoba prostorového termosatu

4. ledna 2018 JCI oznámilo poslední novinku z řady termostatů. Novinka nese označení GLAS a jedná se o malý luxusní chytrý termostat s moderním designem. Jako první svého druhu GLAS používá průhledný OLED displej k nastavování požadovaných funkcí. Uživatel může GLAS ovládat klasicky ručně, přes mobilní telefon pomocí aplikace, nebo dokonce hlasově a využít tak komunikace s virtuální asistentkou Cortanou od společnosti Microsoft.

GLAS monitoruje a vyhodnocuje několik aspektů prostředí. Kromě vnitřní a venkovní teploty monitoruje také kvalitu vzduchu, vlhkost, celkové těkavé organické sloučeniny (tVOC) a ekvivalent oxidu uhličitého (eCO2). Díky přístupu k internetu umí také monitorovat stav pylových částic v ovzduší, index UV záření a kvalitu ovzduší. Pokud například množství pylových částic vzroste nebo kvalita ovzduší klesne pod stanovenou úroveň, umí GLAS operativně zareagovat a nastavit klapky přívodu čerstvého vzduchu přiváděného do budovy a zamezit tak zhoršené kvalitě vzduchu uvnitř objektu.

Díky nepřebernému množství nastavení uživatelských programů se GLAS umí plně přizpůsobit potřebám uživatele a reagovat tak na jeho přítomnost, dobu spánku aj. a inteligentně dle toho upravit časové plány a řídit chování prostoru.10

Obrázek č. 16 – Interaktivní termostat Glas
Obrázek č. 16 – Interaktivní termostat Glas
Obrázek č. 17 –  Grafické zobrazení Glas na mobilním zařízení
Obrázek č. 17 – Grafické zobrazení Glas na mobilním zařízení

Závěr

Všechno kolem nás prochází svou evolucí. Někdy je vnímána, jindy zase opomíjena. Nejinak tomu je i v případě termostatů z produkce Johnson Controls International. Za posledních přibližně 150 let historie termostatu tato krabička dospěla z „prvoka“, v podobě bimetalového pásku, až do hi-tech zařízení, se kterým si můžete „pokecat, cítíte-li se doma sami“. Uvidíme, kam se vývoj termostatů posune v následujících desetiletích. Zda termostat zůstane na stávající úrovni, kterou bude více či méně udržovat, nebo se bude vyvíjet a adaptovat na zvyšující se požadavky uživatelů a stane se z něj něco víc.


Poznámky

1 https://www.stoplusjednicka.cz/brr-je-ale-zima-aneb-jak-se-drive-topilo ... Zpět

2 http://digilib.k.utb.cz/bitstream/handle/10563/23340/vr%20%EDnsk%E1_2012_bp.pdf?sequence=1 ... Zpět

3 https://dspace.cvut.cz/bitstream/handle/10467/69314/F1-BP-2017-Vackova-Lydie-Historicky%20vyvoj%20vytapeni%20a%20zdravotne-technickych%20instalaci%20v%20budovach.pdf?sequence=-1&isAllowed=y ... Zpět

4 https://www.thermostat-recycle.org/blog/a_brief_history_of_thermostats_the_inventors/ ... Zpět

5 http://www.johnsoncontrols.com/about-us/history/our-founder ... Zpět

6 Archiv JCI ... Zpět

7 Archiv JCI ... Zpět

8 http://www.johnsoncontrols.com/about-us/history ... Zpět

9 http://wsjsociety.com/learn/from-the-archives/archive/ ... Zpět

10 http://www.johnsoncontrols.com/media-center/news/press-releases/2018/01/04/johnson-controls-reveals-glas-thermostat ... Zpět

 
Komentář recenzenta
Jan Eisner, Bosch Termotechnika s.r.o., obchodní divize Buderus
Autor článku nás podrobně seznámil s milníky vývoje důležité součásti topných systémů. Jmenoval konkrétní osoby, které se podílely na samotném vývoji. V dnešní době se honíme při konstrukci zdrojů tepla za maximální účinností, ale již jsme se prakticky dostali na samotné fyzikální a konstrukční hranice. Často se však zapomíná na důležitou část, kterou je regulace konkrétně termostat. Přesným lokálním řízením teploty se zvyšuje komfort pro uživatele, optimalizuje se četnost spínání zdroje a tím jsme schopni ušetřit až 10 % na palivu.
English Synopsis
The history and development of thermostats

A brief overview of the history and development of thermostats. Since the first discovery of properties of the bimetal to the present, when the thermostat does much more than just control the heat source.

 

Hodnotit:  

Datum: 16.7.2018
Autor: Ing. Jan Říšský, JOHNSON CONTROLS INTERNATIONAL, spol. s r.o.
Recenzent: Jan Eisner, Bosch Termotechnika s.r.o., obchodní divize Buderus



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


Témata 2018

Slunce v domě on-line

Stav nabití BAT:--- %
Roční soběstačnost:--- %

In-počasí v ČR
technická podpora výrobců

Partneři - Elektrotechnika

 
 

14.11.2018 konference TZB-info o bytových domech

Připravujete rekonstrukci bytového domu, děláte PENB nebo audit? Jak na úspory za energie a zhodnocení domu? Unikátní publikace pro účastníky. Těšíme se na vás v Praze.

Program a přihláška