Technické zariadenia v budovách s takmer nulovou spotrebou energie

Zákon č. 406/2000 Sb. o hospodárení s energiou v znení novely č. 103/2015 Sb. (na Slovensku platí zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov) má významný vplyv na koncepčné riešenie budov nielen z tepelnotechnického hľadiska, ale najmä z pohľadu systémov vykurovania, vetrania, ochladzovania, prípravy teplej vody a osvetlenia.

Zákon a nadväzujúce vyhlášky špecifikujú kritériá hodnotenia energetickej náročnosti budov. Nový spôsob hodnotenia energetickej náročnosti zavádza posúdenie primárnej neobnoviteľnej energie, pojem budovy s takmer nulovou spotrebou energie a ďalšie kritériá, ktoré smerujú k zníženiu emisií skleníkových plynov, spotreby energie v budovách a k zvýšeniu podielu obnoviteľných zdrojov v zmysle smernice č. 2010/31/EC o energetickej hospodárnosti budov.

Znižovanie energetickej náročnosti má významný vplyv nielen na nové, ale aj na jestvujúce obytné budovy, z ktorých sú dnes mnohé v štádiu nevyhnutnosti obnovy.
V praxi pritom platí, že dotačné programy na vybrané úpravy budov predurčujú charakter a rozsah vykonávaných prác a nepriamo napovedajú, čo treba s budovou urobiť. Všetky tieto čiastkové zmeny sa však musia brať komplexne, inak potom budeme stále počúvať o plesnivých bytoch v budovách po zateplení alebo o prekurovaní dobre izolovaných budov. Ako teda vyhovieť požiadavkám energetickej hospodárnosti a zároveň zabrániť zníženiu kvality vnútorného prostredia?

Energetická hospodárnosť vs. vnútorné prostredie
Podľa zákona č. 406/2000 Sb. sa pod energetickou hospodárnosťou budovy rozumie „vypočítané množstvo energie nutné na pokrytie potreby energie spojenej s užívaním budovy, najmä na vykurovanie, chladenie, vetranie, úpravu vlhkosti vzduchu, prípravu teplej vody a osvetlenie“.

Ak hovoríme o budove s takmer nulovou spotrebou energie, ide o budovu, ktorej energetická náročnosť určená podľa metódy danej smernicou č. 2010/31/EC je veľmi nízka, a táto takmer nulová či nízka spotreba požadovanej energie by sa mala v značnom rozsahu pokryť z obnoviteľných zdrojov.
Opatrenia na ďalšie znižovanie energetickej náročnosti budov by však mali brať do úvahy klimatické a miestne podmienky, zároveň aj mikroklímu vnútorného prostredia a efektívnosť nákladov. Medzi zložky vnútorného prostredia patria:  

• tepelno-vlhkostné zložky,
• kvalita vzduchu (plyny, aerosóly, mikroorganizmy),
• akustika,
• svetelná zložka,
• elektrostatické, elektroiónové, elektromagnetické, ionizujúce a radiačné pole,
• psychický komfort (farby, povrchy, architektúra).

Zásah do ktorejkoľvek z oblastí energetickej hospodárnosti (vykurovanie, chladenie, vetranie…) automaticky ovplyvní aspoň jednu zložku vnútorného prostredia. Je preto zrejmé, že znižovanie energetickej náročnosti pri obnove budovy má na vnútorné prostredie zásadný vplyv. Určité výsledky ukazuje aj prípad rekonštrukcie administratívnej budovy.

Vykurovanie a vetranie budov s nízkou spotrebou energie – prípad z praxe

Rekonštrukcia objektu
Hoci uvádzame príklad administratívnej budovy, ide o jednoduchú budovu bez riadeného vetrania, na ktorej sa menil obvodový plášť, a vzhľadom na to sa kompletne zrekonštruovala aj vykurovacia sústava, a to za najmodernejšiu dostupnú. Parametre nového obvodového plášťa sú:

• severovýchodná strana objektu U = 0,87 W/(m2. K),
• juhozápadná strana objektu U = 0,68 W/(m² . K),

Juhozápadná fasáda má vnútorné (ručne ovládané) a vonkajšie (elektronicky ovládané) žalúzie. Na úseku vetrania sa pri rekonštrukcii iba odstránili vetracie klapky v prekladoch okien a znížili sa počty otváracích okien. Vetranie miestností sa uskutočňuje otváracími a výklopnými tesnými oknami s hliníkovým rámom. Použité sú trojská, odhadovaná infiltrácia je 0,3 h^-1.

Nová vykurovacia sústava je riešená ako dvojrúrová, horizontálna, protiprúdová, s doskovými vykurovacími telesami v zákryte parapetu. Sústava je napojená na jestvujúcu OST v suteréne budovy (samostatné vetvy pre SV a JZ časť budovy). Horizontálny rozvod (medené potrubie s rozmermi 22,0 × 1,0 a 28,0 × 1,5 mm) je vedený pod parapetnou doskou nad vykurovacím telesom a nie je tepelne izolovaný.
Vykurovanie sa reguluje ekvitermickou reguláciou na päte jednotlivých vetví v kombinácii s termostatickými hlavicami radiátorových ventilov. Hydraulická stabilita sa zabezpečuje vyvažovacími armatúrami na päte každej z horizontálnych vetví a čerpadlom s elektronicky riadenými otáčkami na päte stúpacieho potrubia.

Prevádzka
Nastavila sa ekvitermická krivka a sústava sa postupne uvádzala do prevádzky.
Z prevádzky referenčnej kancelárie vyplynuli takéto vnútorné tepelné zisky:

• obsadenosť kancelárie – prevažne 1 osoba, ľahká práca, celkové/citeľné teplo: 100/65 W
• trvale zapnutý PC: 250 W
• 2 LCD monitory zapnuté pri práci: 2 × 25 =  50 W
• tlačiareň – používaná nárazovo: 0 W
• osvetlenie – žiarovky – zapnuté väčšinu dňa: 8 × 35 = 280 W

Spolu: 680 W

Po sprevádzkovaní vyregulovanej sústavy a nastavení ekvitermickej krivky nastali problémy s prehrievaním miestnosti. Pri meraní od 27. 11. do 9. 12. 2013 sa vnútorná teplota vzduchu v miestnosti pohybovala v rozsahu od 16,6 do 27 °C, pričom priemerná teplota pri zavretých vykurovacích telesách bola 23,8 °C. Vonkajšie teploty sa počas merania pohybovali v intervale od −5,2 po +7,0 °C.
Podľa NV č. 367/2006 Sb. v znení neskorších predpisov je však pre triedu práce I (podľa tab. 2) medzná dovolená operatívna teplota To,min = 20 °C a To,max = 27 °C. Na pracovisku sa na nastavenie vykurovania v prostredí kategórie B počíta s operatívnou teplotou 22 °C ± 1,5 °C, tzn. v rozpätí 20,5 až 23,5 °C.

Analýza zisteného stavu
Na zistenie príčin prehrievania miestnosti a korekciu ekvitermickej krivky sa spracoval zjednodušený matematický model tepelnej bilancie miestnosti. Ustálenému stavu zodpovedali takéto parametre modelu:

• priemerný súčiniteľ prestupu tepla LOP:    U = 0,68 W/(m² . K),
• infiltrácia: n = 0,3 h^-1,
• vnútorné zisky z vybavenia, osvetlenia, osôb:    priemerne 300 W,
• vnútorné zisky z neizolovaných rozvodov vykurovania: vypočítané z teploty vykurovacej vody,
• vonkajšie zisky: nepočítalo sa s nimi.

Zistilo sa, že ak sa započítajú vnútorné tepelné zisky, ktoré sa dosiaľ ignorovali, mala by vykurovacia sústava začať pracovať až pri teplote okolo −1 °C. Do tohto stavu je všetko teplo prebytkom a spôsobuje prehrievanie.
Nepríjemné prekvapenie priniesol aj test výmeny vzduchu – namerané hodnoty n boli v skutočnosti iba 0,08 až 0,15 h^-1, pričom predpoklad bol 0,3 h^-1. Takýto stav sa takisto podieľal na prehrievaní miestnosti.
 
Riešenie a monitoring prevádzky
V rámci optimálneho naladenia sústavy sa ako prvé zaizolovali ležaté rozvody na elimináciu vnútorných ziskov z neizolovaných rozvodov vykurovania. V období od 1. 1. 2014 do 23. 3. 2014 prebehlo ďalšie meranie vybraných teplotných parametrov v referenčnej miestnosti a v exteriéri a merala sa aj infiltrácia. Postupne sa v tomto období nastavovala aj ekvitermická krivka, ktorá sa nakoniec ustálila na konštantných 40 °C.

Zhrnutie
V budovách s veľmi nízkou spotrebou energie a nízkou infiltráciou sa zvyšuje význam vnútorných tepelných ziskov vrátane podlažných rozvodov. Tento predpoklad potvrdil aj orientačný výpočet a vykonané merania – pri teplotách okolo 0 °C a úplne uzavretých vykurovacích telesách sa priemerná teplota v miestnosti pohybovala na úrovni okolo 23,8 °C s maximom 27 °C a znížiť ju bolo možné len otvorením okna a vyvetraním. Zlepšenie nastalo až po dodatočnom zaizolovaní horizontálnych rozvodov, čiže po znížení podielu neregulovateľného tepelného výkonu potrubia, ktorý je v prechodných obdobiach vyšší než treba.
Ďalším opatrením bolo zníženie ekvitermickej krivky na konštantnú teplotu pod 40 °C, čo však vedie k zamysleniu nad jestvujúcou praxou pri návrhu teplovodného vykurovania.

Systém prirodzeného vetrania je pri takomto type budovy problematický, nezabezpečuje totiž hygienicky nutnú výmenu vzduchu pri zavretých oknách.
Ukázalo sa, ako sme už spomínali, že dobre mienená rekonštrukcia zasiahla veľmi nepriaznivo do vnútorného prostredia a následne si vyžiadala viaceré korekcie.

Všeobecné odporúčania na vykurovanie a vetranie
Vo všeobecnosti možno povedať, že je dôležité, aby sa znížená potreba tepla na vykurovanie premietla aj do zníženia spotreby tepla na vykurovanie. V moderných, dobre zateplených budovách dochádza často k situáciám, keď tepelné zisky z vnútorných a vonkajších zdrojov plne pokryjú potrebu tepla a vykurovacie zariadenie nie je v určitom časovom úseku vykurovacieho obdobia potrebné. Vykurovacie zariadenie by preto malo umožňovať pružnú reguláciu výkonu v rozpätí 0 až 100 %.
Súčasne sa hľadajú také riešenia, pri ktorých bude celková celoročná účinnosť sústavy zahŕňajúca účinnosť zdroja, rozvodov aj vykurovacích plôch čo najvyššia. Splnenie týchto požiadaviek vedie k riešeniam na princípe teplovodných, teplovzdušných aj elektrických vykurovacích zariadení. V prípade teplovodných sústav sa používajú nízkoteplotné vykurovacie sústavy a sofistikované riadiace systémy, ktoré umožňujú individuálnu reguláciu výkonu vykurovacích plôch.
V oblasti vetrania budov sa hľadá optimálne riadenie množstva vonkajšieho vetracieho vzduchu, ktoré musí zabezpečiť požadovanú kvalitu vnútorného prostredia pri minimálnej energetickej náročnosti. Preto sa v moderných budovách s nízkou potrebou energie musí vyriešiť vetranie, a to buď prirodzeným vetraním, ktoré využíva tlak vetra a vztlak pri rozdiele teplôt, hybridným vetraním, alebo tradičným núteným vetraním.

Článok vznikol na základe prednášky prof. Ing. Karla Kabeleho, CSc., vedúceho Katedry TZB na FS ČVUT v Prahe, ktorú prezentoval na konferencii Tepny nášho bytového domu v Brne dňa 8. 9. 2015.

Ilustračné foto: Dano Veselský

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK