Energetická strecha v experimentálnom rodinnom dome

Solárna energia sa v rodinných domoch využíva spravidla pomocou solárnych kolektorov, pričom akumulácia tepla sa rieši vodnými zásobníkmi tepla. Využitie solárnej energie však môže byť aj menej tradičné – pomocou energetickej strechy. Pri nej dochádza k dlhodobej akumulácii tepla v zemnom zásobníku a následnému využitiu tepelnej energie na minimalizovanie tepelných strát prechodom cez netransparentné konštrukcie formou aktívnej tepelnej ochrany (ATO).

 Niekoľko objektov s daným stavebno-energetickým systémom už stojí aj na Slovensku. Rodinný dom v obci Tomášov je prvý, pri ktorom sa systém riadi a monitoruje prostredníctvom pripojenia na internet, a pri ktorom sa realizuje dlhodobé objektívne a subjektívne hodnotenie vnútorného prostredia.

Princíp energetického systému
ATO tvorí plastové potrubie s cirkulujúcou kvapalinou, ktoré je umiestnené v obvodových konštrukciách a v konštrukcii strechy. Základnou funkciou systému je znížiť, respektíve eliminovať tepelné straty prechodom cez netransparentné konštrukcie. Zdrojom tepla môže byť okrem klasických solárnych kolektorov aj energetická strecha, ktorú tvorí plastové potrubie uložené pod vrchnou časťou strešnej konštrukcie. Tepelná energia sa následne ukladá do podložia (zemného zásobníka tepla), odkiaľ sa čerpá teplo na ohrev ATO. Pri využívaní solárnej energie je vhodné akumulovať tepelnú energiu do akumulačnej nádoby (na prípravu pitnej vody, ATO a prípadne na nízkoteplotné vykurovanie) a prebytočné teplo v lete ďalej akumulovať do zemného zásobníka.

Aplikáciou systému s energetickou strechou sa výrazná časť dodanej energie pokryje energiou z obnoviteľného zdroja. ATO s energetickou strechou však nemožno považovať za systém, ktorý nahradí vykurovací systém a zdroj tepla, pretože na dosiahnutie požadovaného tepelného komfortu treba dodať ďalšiu tepelnú energiu. Jednou z možností je zvýšiť teplotu v ATO ďalším zdrojom energie, čím sa dosiahne veľkoplošné stenové vykurovanie s výrazným podielom tepla z obnoviteľnej energie. Ďalej možno inštalovať napríklad veľkoplošné teplovodné podlahové vykurovanie, alebo vykurovať teplovzdušne.

Rodinný dom v obci Tomášov
Objekt sa nachádza v obci Tomášov a má dve podlažia s celkovou plochu 187,4 m². Zdrojmi tepla sú energetická strecha, pozostávajúca z plastového potrubia umiestneného pod strešnou krytinou v okruhoch 3 × 100 m (obr. 1), kozubová vložka a plynový kotol. Teplo sa okrem kombinovanej akumulačnej nádoby (V = 575 l pre ÚK a 180 l pre TV) akumuluje v zemnom zásobníku, tvorenom plastovým potrubím v základovej doske v okruhoch 5 × 100 m (obr. 2). ATO predstavuje plastové potrubie, ktoré sa nachádza medzi pórobetónovým murivom hrúbky 375 mm a fasádnym polystyrénom hrúbky 100 mm (obr. 3) a v konštrukcii strechy v okruhoch 20 × 100 m.

Pri vonkajšej teplote –11 °C je teplota medzi pórobetónovým murivom a fasádnym polystyrénom 2,3 °C, čo znamená, že tepelné straty objektu sa znižujú už pri zásobovaní ATO teplotami 10 až 15 °C. A práve tu spočíva hlavná výhoda oproti stenovému vykurovaniu – pri systéme možno využívať nízkopotenciálne teplo. Na obr. 4 je znázornený rez obvodovej konštrukcie s rozložením teplôt bez ATO, s priemernou teplotou vo vrstve ATO 14 °C a 20 °C. V rodinnom dome možno odovzdávať teplo aj podlahovým vykurovaním na oboch podlažiach.

Obr. 2  Zemný zásobník tepla – plastové potrubie v základovej doske

Obr. 3  ATO tvorí plastové potrubie medzi pórobetónovým murivom a polystyrénom

Obr. 4  Znázornenie rezu obvodovej konštrukcie s rozložením teplôt bez ATO, s priemernou teplotou vo vrstve ATO 14 °C a 20 °C

Merania v experimentálnom rodinnom dome
V experimentálnom rodinnom dome sa meria: teplo dodané zo solárnej strechy, z kozuba a plynového kotla do akumulačnej nádrže, teplo z plynového kotla do zásobníka TV a celkové teplo dodané do zemného zásobníka tepla a zo zemného zásobníka tepla do ATO. Meria sa celkové teplo dodané do ATO. Zároveň sa merajú aj teplo dodané do podlahového vykurovania a chlad dodaný z chladiacich okruhov do ATO.

V decembri 2011 sa spustila prevádzka energetického systému s využívaním ATO a podlahového vykurovania, pričom zo zdrojov tepla sa dočasne využívali plynový kotol a kozubová vložka. Nastavovali sa rôzne vstupné teploty do ATO (stenovej bariéry) a podlahového vykurovania s cieľom nájsť optimálne využitie energetického systému. Na obr. 5 až obr. 7 sú znázornené hodnoty z meracieho úseku od 20. 1. do 30. 1. 2012 (240 hodín). Vstupná teplota do stenovej bariéry bola nastavená na 20 °C (vratná teplota sa pohybovala okolo 17 °C). Pri podlahovom vykurovaní bola nastavená teplota 26 °C (vratná teplota sa pohybovala okolo 25 °C). S daným nastavením teplôt pracoval systém celý január. Na obr. 5 je znázornený priebeh spotreby tepla (GJ) stenovou bariérou na 1. NP a 2. NP a teplovodným podlahovým vykurovaním. V danom období (20. 1. až 30. 1. 2012) bola takáto spotreba tepla:

• stenová bariéra na 1. NP = 0,733 GJ,
• stenová bariéra na 2. NP = 0,719 GJ, 
• podlahové vykurovanie = 0,909 GJ.

Priebeh vnútornej teploty na 1. NP a 2. NP je znázornený na obr. 6 a priebeh vonkajšej teploty na obr. 7. Všetky veličiny sa merajú v intervale jednej hodiny.

Pomerne nízkymi vstupujúcimi teplotami do ATO (20 °C) a podlahového vykurovania (26 °C) sa dosiahla relatívne vysoká vnútorná teplota. Preto sa podlahové vykurovanie 25. 1. 2012 odstavilo. V tom čase bola teplota na 1. NP 24,1 °C a na 2. NP 23,2 °C. Podlahové vykurovanie sa opätovne spustilo na žiadosť obyvateľov 28. 1. 2012 o 00:00. V tom čase bola teplota na 1. NP 21,9 °C a na 2. NP 20,9 °C. Vzhľadom na to, že v danom čase výrazne klesla vonkajšia teplota, nebol pokles teploty vo vnútri veľký. Obdobie, v ktorom bolo podlahové vykurovanie mimo prevádzky (celkovo 57 hodín), je na obr. 5 až obr. 7 ohraničené.

Podlahové vykurovanie bolo potom opäť odstavené 1. 2. 2012. V tomto období sa testovala prevádzka ATO vo funkcii stenového vykurovania. Pritom je dôležité spomenúť, že v danom čase bol rodinný dom neobývaný, čo znamená, že v prevádzke neboli žiadne vnútorné zdroje tepla. Priemerná vonkajšia teplota sa pohybovala okolo –11 °C. Teplota v interiéri bola na počiatku (1. 2. 2012) okolo 18 °C, pričom cieľom bolo dosiahnuť 25 °C.

Teplota do ATO sa preto postupne zvyšovala na 45 °C, čím sa dosiahla teplota v interiéri na 1. NP takmer 26 °C a na 2. NP 25 °C.

Obr. 5  Priebeh spotreby tepla (GJ) stenovou bariérou a podlahovým vykurovaním v čase od 20. 1. do 30. 1. 2012

Obr. 6  Priebeh vnútornej teploty na 1. NP a 2. NP (°C) v čase od 20. 1. do 30. 1. 2012

Obr. 7  Priebeh vonkajšej teploty (°C) od 20. 1. do 30. 1. 2012

Záver
Aplikáciou ATO sa z obvodových konštrukcií stáva akumulačný obal, vďaka čomu možno využívať nízke teplotné spády v systéme vykurovania na zabezpečenie tepelnej pohody. V období, keď bola vstupujúca teplota do ATO nastavená na 20 °C a odstavila sa prevádzka podlahového vykurovania, klesla teplota v interiéri počas 57 hodín na 1. NP o 2,2 K a na 2. NP o 2,3 K. Pokles teploty v interiéri v tomto časovom úseku nie je taký zreteľný ako pokles vonkajšej teploty (približne o 6 K). V ďalšom meracom období sa preukázalo, že pomocou ATO možno objekt vykurovať. V čase februárových mínusových hodnôt sa v neobývanom rodinnom dome dosiahlo 25 °C pri vstupujúcej teplote do ATO 45 °C pri odstavenej prevádzke podlahového vykurovania. Prevádzka experimentálneho rodinného domu sa ďalej testuje pri rôznych prevádzkových teplotách ATO a podlahového vykurovania s cieľom nájsť jeho optimálne využitie.

Foto a obrázky: archív autorov
Príspevok vznikol s podporou projektu VEGA 1/1052/11.

Literatúra
JANÍK, P. – KALÚS, D.: Aplikace aktivní tepelné ochrany v nízkoenergetickém rodinném domě.
In: TZB Haustechnik, roč. 3, č. 1 (2010), s. 16 – 18.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.