Kombinované sústavy na vykurovanie a vetranie nízkoenergetických domov

Kombinované sústavy na vykurovanie a vetranie nízkoenergetických domov

Obdobie, keď pojem nízkoenergetická budova patril len do oblasti výskumu a experimentovania, je už minulosťou. Značná časť novopostavených budov do tejto kategórie objektov – v súlade s našou legislatívou i celkovými trendmi – spadá. Najväčšou zmenou v porovnaní so zabehanými princípmi je predovšetkým zmena významu jednotlivých faktorov budovy, ktoré ovplyvňujú potrebu tepla a súčasne zmena výšky energetických požiadaviek na zabezpečenie požadovaného stavu tepelno-vlhkostnej zložky mikroklímy.


Tieto znížené výkonové požiadavky na vykurovanie a dôraz na energetickú (ne)náročnosť budov sa musia premietnuť i do energetických systémov budov, ktoré sú vlastne tým výkonným článkom celého reťazca dodávky energie do budovy a od nich závisí, či skutočná spotreba energie bude zodpovedať potrebe, danej opláštením budovy.

Výpočet tepelného výkonu

Na vývoj tepelno-technických požiadaviek na stavebné konštrukcie reaguje i legislatíva, a to prijatím novej technickej normy, ktorá sa stanovovaním potrebného tepelného výkonu zaoberá. Ide o prevzatú ČSN EN 12831, ktorá rieši stanovovanie potrebného tepelného výkonu pre vykurovanie priestorov i budov. Zámerom tohto príspevku nie je vysvetliť nový spôsob výpočtu hodnoty, ktorú používame na navrhovanie vykurovacích plôch i zdrojov, ale skôr sa zamyslieť nad prístupmi, ktoré sú v tejto novej norme odlišné od zabehanej a praxou overenej ČSN 060210. Možno konštatovať, že výsledky výpočtu podľa novej normy sa od výsledkov vypočítaných podľa „starej“ normy líšia, a to v rozmedzí 10 – 40 % s tým, že výsledky podľa novej normy vychádzajú vyššie. Znamená to, že sme doteraz všetky systémy o túto hodnotu poddimenzovali? Ako je možné, že systémy navrhnuté podľa „starej“ normy fungujú a zrazu by sme mali systémy dimenzovať o 10 – 40 % vyššie?

Najprv mi dovoľte zamerať sa na príčiny týchto rozdielov. Nová norma počíta potrebný príkon na rovnakom fyzikálnom princípe, čiže predpokladá ustálený rovnovážny stav s konštantnou vnútornou i vonkajšou výpočtovou teplotou.

Pri tomto stave sa počíta tepelná strata priestupom konštrukciami a tepelná strata vetraním. Pri tepelnej strate priestupom sa teraz zohľadňuje nehomogenita konštrukcií započítaním lineárnych tepelných mostov. Dôvod je vcelku logický, pretože pri nových konštrukciách s vysokým odporom pri priestupe tepla je vplyv týchto nehomogenít podstatne vyšší, a zatiaľ čo pri klasických konštrukciách bol v podstate zanedbateľný a skryl sa v zaokrúhľovacích chybách, pri moderných vysoko tepelne izolovaných konštrukciách sa vplyv tepelných mostov zvyšuje a môže výrazne zhoršiť deklarovaný plošný súčiniteľ priestupu tepla. K ďalšiemu spresneniu výpočtu dochádza pri priestupe tepla podlahou do zeminy, kde sa zohľadňuje relácia plochy a ochladzovaného obvodu konštrukcie. V pôvodnom výpočte tepelných strát sa používala konštantná teplota zeminy pod podlahou bez ohľadu na jej plochu a ohraničenie.

Nový je aj prístup k stanovovaniu infiltrovaného množstva vzduchu na výpočet tepelných strát vetraním, kde sa už nepočíta s jednotlivými otvormi, ale s tesnosťou budovy ako celku pomocou indexu n50, ktorý vyjadruje násobnosť výmeny vzduchu v celej budove pri vytvorení podtlaku 50 Pa a je jedným zo základných parametrov na posudzovanie budovy ako celku, a určite je presnejším a merateľným vyjadrením infiltrácie na rozdiel od skoršieho, veľmi ťažko dokázateľného súčiniteľa prievzdušnosti škár.

Vykurovanie

V ideálnom prípade je vykurovacie zariadenie schopné reagovať s minimálnym oneskorením na zmeny potreby energie, ktoré sú vyvolané predovšetkým zmenami klimatických podmienok (vonkajšia teplota, premenlivé slnečné žiarenie) a vnútorných zdrojov tepelnej záťaže (zapnutie domácich spotrebičov, umelé osvetlenie alebo príchod osôb do miestnosti). Z toho vyplýva, že energeticky úsporné vykurovacie zariadenie by malo byť predovšetkým elastické vo všetkých prvkoch (schopné rýchlo reagovať na zmenu potreby tak, aby sa zmena výkonu preniesla až do zdroja), s individuálnou reguláciou v jednotlivých miestnostiach (v každej miestnosti sa môže meniť potreba nezávisle od ostatných) pri zachovaní požiadaviek na tepelnú pohodu.

Vetranie

Oproti tradičným budovám sa pri nízkoenergetických zvyšuje vplyv vnútorných zdrojov tepla a vetrania (menšie tepelné straty priestupom) [6]. Potreba energie na vetranie je daná požadovaným množstvom vetracieho vzduchu a klimatickými podmienkami. Pretože systémy prirodzeného vetrania infiltráciou v podstate neumožňujú regulovať množstvo vetracieho vzduchu, je vhodné riešiť vetranie nízkoenergetických obytných budov riadeným vetraním, ktoré môže byť buď integrované s vykurovacím zariadením (teplovzdušné vykurovanie s ohrevom privádzaného vzduchu), alebo môže byť nezávislé (prívod čerstvého vzduchu napr. regulovanými štrbinami vo fasáde). Z energetického hľadiska sa ako najjednoduchšie opatrenie ponúka minimalizácia množstva vetracieho vzduchu, zatiaľ však nie sú celkom jasne kvantifikované kritériá na stanovovanie minimálnej výmeny vzduchu, preto tento postup treba využívať veľmi obozretne. Spotreba energie vetracím zariadením je potom daná spôsobom riešenia odvodu vzduchu z budovy. Ako vhodné sa javí použitie zariadení na spätné získavanie tepla, ktoré časť energie obsiahnutej v odvádzanom vzduchu vracia späť do budovy. Rozdiel medzi tradičnými a nízkoenergetickými budovami v oblasti vetrania je v dôraze na riadené vetranie, aplikácii zariadení na spätné získavanie tepla a zladení systémov vykurovania a vetrania, prípadne aj ohrevu TÚV, kam môže byť teplo z odvádzaného vzduchu akumulované.

Príprava teplej vody

Vývoj techniky a spoločnosti v poslednom období ovplyvnil aj tento systém a je nevyhnutné zrevidovať niektoré zabehané postupy a princípy. Vývoj možno pozorovať predovšetkým na dvoch rovinách. V prvom rade je to nárast významu prípravy TV v objektoch individuálnej bytovej výstavby, kde sa v súlade s modernými trendmi zvyšovania komfortu často objavujú také požiadavky na odber TV, že sa stávajú primárnym odberateľom energie v objekte. Príkladom môžu byť riešenia rodinných domov s viacerými kúpeľňami, použitie veľkoobjemových vaní s vodnými masážami alebo inteligentné multifunkčné sprchové kúty. Druhou oblasťou vývoja je oblasť zdrojov TV, kde klasický zásobníkový ohrev teplej vody, zaťažený stále narastajúcim dôrazom na jeho problematickú hygienu, sa často nahrádza zmiešaným a prietokovým ohrevom s jedným alebo viacerými ohrevnými zdrojmi. Takéto systémy sú pružnejšie, majú väčšinou menšie priestorové požiadavky, sú však podstatne citlivejšie na správnosť návrhu a pri podcenení vstupných údajov môžu ľahko vykazovať nepríjemné javy, ako je nedostatok TV.

Distribúcia energie v budove

Distribučná sústava tepla v budove je ďalším podstatným článkom na ceste energie od zdroja na miesto spotreby, ktorý podstatnou mierou môže ovplyvniť celkovú účinnosť dodávky tepla. Vykurovacia sústava musí zohľadniť charakteristické vlastnosti zdroja aj požiadavky na vykurovanie miestností dané tepelno-technickými a prevádzkovými vlastnosťami.

Teplovodné vykurovanie

Odlišnosť aplikácie tradičného teplovodného vykurovania v nízkoenergetických domoch od bežných systémov spočíva v podstatne nižších inštalovaných výkonoch vykurovacích plôch, požiadavke na pružnejšiu zmenu výkonu pri náhodných vnútorných ziskoch a menší dôraz na rozmiestnenie vykurovacích plôch s ohľadom na rovnomernosť výslednej teploty vo vykurovanom priestore. Požiadavka na pružnejšie správanie sústavy je výraznejším podielom tepelných ziskov na celkovej tepelnej bilancii vykurovanej miestnosti, keď môže vznikať požiadavka na pružnú reguláciu výkonu vykurovacej plochy v rozmedzí 0 – 100 %. Redukcia vplyvu umiestnenia telesa vo vykurovanom priestore na výsledný stav tepelnej pohody je daná výrazne lepšími tepelno-technickými vlastnosťami obvodových stien, ktorých dôsledkom sú vyššie povrchové teploty i na okenných výplniach (požiadavka na U hodnotu okien je pri súčasných stavbách až 1,2 W . m-2 . K-1).

Možnosti tradičných vykurovacích plôch na princípe doskových a článkových vykurovacích telies sa pri nízkoenergetických stavbách rozširujú o aplikácie konvektorov (nižší merný výkon postačuje na pokrytie nízkej tepelnej straty), vynikajúcich svojou pružnosťou a aplikáciami veľkoplošného podlahového vykurovania pre nízkoteplotné zdroje energie. Pri podlahovom vykurovaní uloženom v betónovej mazanine je však problém v značnej zotrvačnosti, ktorá spôsobuje, že vplyv vnútorných ziskov sa prejavuje až od teplotnej úrovne interiéru rovnej povrchovej teplote podlahy (približne 26 °C), čo znižuje účinnosť dodávky tepla do miestnosti a v podstate eliminuje započítanie ziskov do bilancie.

Teplovzdušné vykurovanie a vetranie

Teplovzdušné vykurovanie integrované s riadeným vetraním objektu predstavuje modernú koncepciu, ktorá je využiteľná predovšetkým v dobre zateplených objektoch s nízkou potrebou energie na vykurovanie. Tieto objekty sa od tradičných líšia v týchto aspektoch:
  • mení sa pomer tepelnej straty priestupom a vetraním, keď hygienicky minimálne vetranie tvorí viac než 50 % celkovej tepelnej straty,   
  • vďaka zatepleniu a kvalitným oknám sa zvyšuje vnútorná povrchová teplota stien a znižuje sa potreba eliminácie negatívneho sálania a tým aj význam sálavej vykurovacej plochy v miestnosti.
Vykurovací zdroj tu musí byť riešený tak, aby bol schopný ohrievať čerstvý vonkajší vzduch na požadovanú vnútornú teplotu, a musí byť dostatočne pružný na to, aby bol schopný okamžite reagovať na zmeny vonkajších podmienok. Podľa druhu primárneho paliva je možné použiť zdroje na plyn (zemný i kvapalný), olej alebo elektrickú energiu. Pri použití plynu alebo oleja sa ako najúčinnejšia a najjednoduchšia javí aplikácia plynového teplovzdušného agregátu, hoci v súčasnosti sú vďaka zakoreneným tradíciám v Európe väčšinou inštalované zariadenia s tradičným plynovým teplovodným kotlom a výmenníkom v teplovzdušnej jednotke. Hlavnou prednosťou tohto riešenia je možnosť použiť teplovodný kotol nielen na ohrev vykurovacieho vzduchu, ale riešiť i vykurovanie časti budovy klasickou teplovodnou sústavou a prípadne zabezpečiť ohrev TÚV alebo vody v bazéne. Vďaka nízkym pracovným teplotám vo všetkých častiach týchto systémov možno aplikovať kondenzačné kotly. Všetky tieto riešenia však vedú ku kúrenársky pomerne náročným zapojeniam so všetkými známymi problémami hydraulickej stability a prechodových javov v teplovodných vykurovacích sústavách.

Využitie elektrickej energie je možné dvojakým spôsobom. Najjednoduchšie riešenie je aplikácia buď priamo odporového ohrevu vzduchu (pozor však na tarify priameho vykurovania), alebo akumulácia tepla do vody a riešenie s hydraulickým prenosom tepla. Druhý spôsob otvára ďalšie možnosti riešenia energetického systému budovy s využitím solárnej energie prostredníctvom teplovodných kolektorov s akumuláciou tepla do vody. V prípade systémov v nízkoenergetických domoch možno použiť aj tepelné čerpadlá, ktoré dodávajú teplo do systému teplovzdušného vykurovania buď priamo (sekundárna strana čerpadla ohrieva priamo vzduch), alebo prostredníctvom hydraulického okruhu (sekundárna strana čerpadla ohrieva vodu a tá pomocou teplovodného výmenníka ohrieva vzduch). Tepelné čerpadlá vzduch – vzduch majú v tomto prípade výhodu v jednoduchšom prepojení na letnú prevádzku, keď možno využiť tepelné čerpadlo v reverznej prevádzke na chladenie.

Teplovzdušné vykurovanie s ventilačnou prevádzkou je systém, pri ktorom by bolo technickým prehreškom nevyužiť spätné získavanie tepla z odvádzaného vzduchu. Odvádzaný vzduch nie je väčšinou nadmerne znečistený mechanickými prímesami, a tak možno použiť prakticky všetky známe princípy spätného získavania tepla. Najčastejšie sa používajú doskové rekuperačné výmenníky, ktoré dosahujú účinnosť okolo 80 %.

Na príkladoch na obr. 1 – 6 sú naznačené možné spôsoby riešenia vykurovania a vetrania nízkoenergetických rodinných domov.
Obr. 1: Teplovodné vykurovanie, prirodzené vetranie Obr. 2: Teplovodné vykurovanie, hybridné vetranie
Obr. 3: Teplovzdušné vykurovanie, prirodzené vetranie Obr. 4: Teplovodné vykurovanie, teplovzdušné vetranie s rekuperáciou
Obr. 5: Teplovzdušné vykurovanie a vetranie s rekuperáciou a zemným výmenníkomObr. 6: Teplovzdušné vykurovanie a vetranie s rekuperáciou tepla

Záver

Integrovaný prístup k riešeniu energetických systémov budov a stavebných konštrukcií je metóda, ktorou možno znížiť spotrebu energie stavby pri nižších nákladoch. Vedľa vlastných technických zariadení, zabezpečujúcich vykurovanie a vetranie budov, je toto umožnené predovšetkým prudkým vývojom v oblasti konštrukcií budov z hľadiska tepelno-technických vlastností a rozvojom systémov na inteligentné riadenie budov, ktoré umožňujú zabezpečiť väzbu medzi jednotlivými subsystémami a harmonizovať chod celej budovy [9]. Pri vyhodnocovaní budov z hľadiska spotreby energie sa v poslednom čase stále viac presadzuje rozšírenie pohľadu na energetickú náročnosť o LCA (life cycle asessment), ktorý dáva úplnejší pohľad na celý životný cyklus zariadenia a jeho vplyv na životné prostredie.


Poďakovanie

Príspevok vznikol s podporou výskumného zámeru CEZ MSM 6840770003.

Doc. Ing. Karel Kabele, CSc.
Foto a obrázky: autor

Autor je vedúcim Katedry technických zariadení budov Stavebnej fakulty ČVUT v Prahe. Po odbornej stránke sa zameral na energetické a ekologické systémy budov a ich interakciu a počítačové modelovanie a simuláciu týchto javov. Je autorom mnohých článkov v odborných časopisoch z odboru zdravotnícka technika, vykurovanie, skrípt, príručiek a príspevkov z národných i zahraničných odborných a vedeckých konferencií. Je predsedom Spoločnosti pre techniku prostredia, členom medzinárodného výboru spoločnosti IBPSA a členom ASHRAE. Je autizovaným inžinierom v odboroch technika prostredia stavieb a energetické auditorstvo.

Literatúra
[1] Vyhláška MPO 291/2001 Sb., kterou se stanoví účinnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách
[2] ČSN 730540 (2002) Tepelná ochrana budov
[3] Šmerák, V.: Energetický projekt 02. Stavební listy 1/2003, ročník IX, ISSN12114790
[4] ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát při ústředním vytápění
[5] Kabele, K.: Příspěvek k problematice teplovzdušného vytápění obytných budov. Sborník příspěvků Konference Klimatizace a větrání 2002, s. 77 – 82, 29 – 30. 1. 2002 Praha, STP, 2002
[6] Humm, O.: Nízkoenergetické domy, Grada Publishing 1999
[7] Kabele, K., 2001: Teplovzdušné vytápění nízkoenergetických domů, Topenářství – instalace, 4, s. 58 – 63, ISSN 1211-0906, Technické vydavatelství Praha, spol. s r.o.
[8] Rennie, D., Parand, F.: 1998: ,,Environmental design guide“, BRE, Watford
[9] Kabele, K, 2005: Vytápění a větrání nízkoenergetických budov. Sborník příspěvků konference Vytápění 2005, Třeboň STP

KategórieTechnické zariadenia budov