Návrh systému vykurovania a chladenia pre nízkoenergetický dom

Komplexné riešenie získalo Cenu SSTP za rok 2011 v kategórii Diplomová práca. Predmetom diplomovej práce bol návrh systému vykurovania a chladenia bytového domu. Snahou bolo navrhnúť a esteticky stvárniť jednotné riešenie zohľadňujúce nielen komfort užívateľov, ale aj vplyv na životné prostredie či ekonomiku prevádzky.

Riešený dom je 5-podlažný objekt, ktorý má na 1. nadzemnom podlaží polyfunkčné využitie, na každom vyššom poschodí sa nachádzajú tri byty.
 
Základný koncept návrhu
Návrh systému vykurovania a chladenia predstavuje jednotný systém nízkoteplotného vykurovania a vysokoteplotného chladenia. Vykurovanie sa nazýva v tomto prípade nízkoteplotné preto, lebo sa vykuruje s teplotami omnoho nižšími, než je bežné (napríklad pri použití vykurovacích telies) a chladí sa s vyššími teplotami než pri chladení vzduchom. To zaručuje nízke prevádzkové náklady – vzhľadom na menej dodanej energie – a šetrenie prírodnými zdrojmi. Pri teplotnom spáde teplonosného média (vody) 37/31 °C sa priestory vykurujú pomocou veľkoplošných sálavých stropných plôch, pri teplotnom spáde 15/21 °C tie isté funkčné plochy chladia. Sálavé stropy tak zabezpečujú vykurovanie v zime a chladenie v lete.
 
Odovzdávacie prvky
Za odovzdávacie prvky sa zvolili sálavé stropné sadrokartónové panely, ktoré sú súčasťou sadrokartónového stropu, na pohľad nepostrehnuteľné. Tepelná energia sa odovzdáva cez veľké plochy, čo je veľmi príjemné, zdravé a úsporné, vhodné najmä do nízkoenergetických stavieb a pri použití nízkoteplotných zdrojov. Sadrokartónové dosky majú zabudované rúrky, v ktorých prúdi teplonosné médium (teplá alebo studená voda). Potrebujú len malú konštrukčnú výšku, ktorá sa skladá z hrúbky sadrokartónu so zabudovanými rúrkami, nosnej kovovej konštrukcie a priestoru na uloženie rozvodných rúr na zapojenie panelov, spolu je to približne 15 cm. Tieto dosky sú preto vhodné nielen do novostavieb, ale aj do rekonštruovaných budov. Vykurovací výkon stropného systému je pri vyššie uvedenom teplotnom spáde a požadovanej interiérovej teplote 64 W/m², chladiaci výkon je 48 W/m².
 
Zdroj tepla a chladu
Zdroj tepla a chladu, ako aj odovzdávací systém musia v miestnostiach pokrývať potrebu tepla v zime a potrebu chladu v lete. Pri návrhu sa vychádzalo z dvoch porovnávaných alternatív zdrojov. Bytový dom sa najskôr posúdil z hľadiska potreby tepla a chladu. Obalové konštrukcie spĺňali odporúčania normy STN 73 0540. Posudzovala sa aj tepelná záťaž zo všetkých možných zdrojov – vonkajších a tiež vnútorných. Do úvahy sa bralo, že okná účinne tienia exteriérové žalúzie a sklá majú reflexnú vrstvu na zabránenie nežiaducich slnečných tepelných ziskov v lete.

Stanovené výpočtové hodnoty tepelných strát/ziskov jednotlivých miestností predstavovali vstupné údaje, nevyhnutné na optimálny návrh teplotného spádu a s tým súvisiacej veľkosti aktívnej plochy odovzdávacieho/prijímacieho systému vykurovania/chladenia.
 
Alternatíva 1
Ako zdroj tepla a chladu sa použilo tepelné čerpalo voda – voda (v porovnaní s inými bežne používanými druhmi tepelných čerpadiel má vyššie výkonové číslo) so záložným zdrojom (elektrokotol).

Alternatíva 2
Zdrojom tepla bol nízkoteplotný plynový kotol a zdrojom chladu chiller.
 
Obe alternatívy sa posúdili z energetického, ekonomického a environmentálneho hľadiska. Ako vidieť v grafe na obr. 1, alternatíva 1 je po všetkých stránkach výhodnejšia. Aj keď sú počiatočné investičné náklady vyššie než pri alternatíve 2, ich návratnosť je vzhľadom na nízke prevádzkové náklady priaznivá. V prípade alternatívy 1 sa budova zaradila podľa vyhlášky č. 311/2009 Z. z. do energetickej triedy A  s celkovou dodanou energiou 40 kWh/m² za rok. V prípade alternatívy 2 sa budova dostala až do kategórie C s celkovou dodanou energiou 83 kWh/m² za rok.

Z porovnania oboch alternatív tak jednoznačne vyplýva, že aj samotnou voľbou zdroja tepla možno bez zmeny tepelnotechnických vlastností budovy výraznou mierou ovplyvniť celkovú energetickú náročnosť objektu.
 
Porovnanie zdrojov energie
Porovnanie zdrojov energie vyplýva z tab. 1 a 2.

Princíp fungovania zvoleného zdroja – Alternatíva 1
Vykurovanie
Tepelné čerpadlo odoberá nízkopotenciálne teplo spodnej vode, ktorá sa čerpá zo studne vyhĺbenej pod úroveň podzemnej vody. Ochladená voda sa následne vracia do podložia prostredníctvom vratnej studne. Aby sa zabránilo opätovnému čerpaniu vychladenej podzemnej vody, treba vratnú studňu situovať minimálne sedem metrov od sacej studne a súčasne ju treba umiestniť v smere toku podzemných vôd.

Podzemná voda odovzdá svoj potenciál cez doskový výmenník tepelnému čerpadlu, ktoré ju využije na ohriatie vody. Ohriata voda sa zhromažďuje v akumulačnej nádrži a následne sa čerpá do vykurovacích stropov. Ak je v prevádzke záložný zdroj (elektrokotol), dohreje vodu na požadovaných 37 °C. Dohriata voda sa potom čerpá do rozdeľovača vykurovacej vody. Ak záložný zdroj nie je v prevádzke (väčšina vykurovacieho obdobia), vykurovacia voda sa čerpá cez anuloid priamo do rozdeľovača.

Systém regulácie sníma a reguluje teplotu v miestnostiach a na prívode vykurovacej vody v strojovni, čím sa maximálne optimalizujú chod a prevádzka systému.

Druhá prívodná vetva z tepelného čerpadla zohrieva vodu v zásobníkovom ohrievači teplej vody na 50 °C cez doskový výmenník. Zásobníkový ohrievač môže byť podporený aj záložným elektrokotlom.

Chladenie
Studničná voda z primárneho okruhu odovzdáva svoj energetický potenciál cez výmenník tepla sekundárnemu okruhu. Tu sa voda priamo mieša s vodou z chladiacich stropov pomocou trojcestného zmiešavacieho ventilu a obehového čerpadla. Ide teda o pasívne chladenie, voda sa už nijako neupravuje a neochladzuje. Na prevádzku chladenia sa využíva len energia na pohon obehových čerpadiel. Proti vzniku nežiaducej kondenzácie chránia systém stráženie prívodnej teploty chladiacej vody a súčasne priestorové termostaty a snímače rosného bodu. Teplota chladiacej vody neklesne pod kritickú teplotu 15 °C, pretože regulácia v tomto prípade spúšťa cirkulačné čerpadlo, resp. primiešava vratnú vodu, aby sa dosiahla požadovaná teplota.

Ak už požiadavka na chladenie nie je aktuálna, obehové čerpadlo sa vypne. Snímače povrchovej teploty v miestnostiach zase odstavia jednotlivé okruhy pri dosiahnutí kritickej teploty na vznik povrchovej kondenzácie pomocou termopohonov na rozdeľovačoch v bytoch.
 
Prevádzka
Zo strojovne sa z rozdeľovača vedú dve stúpacie potrubia do polyfunkčných priestorov na prízemí a bytov na poschodiach. Rozvodné potrubia sa musia starostlivo zaizolovať proti úniku tepla počas vykurovania a proti vzniku kondenzátu počas chladenia kaučukovou izoláciou s hrúbkou navrhnutou pre jednotlivé dimenzie. Jednotlivé byty sú následne pripojené na bytové rozdeľovače, na ktoré sa pripájajú vykurovacie/chladiace okruhy príslušných miestností. Každá miestnosť je  teplotne regulovaná priestorovým termostatom, ktorý v prípade dosiahnutia požadovanej teploty uzatvára prostredníctvom príslušného termopohonu daný okruh vykurovania/chladenia.
 
Systém perspektívny pre nízkoenergetické stavby
Navrhnutý systém nízkoteplotného vykurovania a vysokoteplotného chladenia predstavuje moderný, komfortný a efektívny veľkoplošný odovzdávací systém, ktorý je integrovanou súčasťou sadrokartónového stropu. Systém spĺňa platné normové požiadavky a je perspektívny vďaka nízkym prevádzkovým nákladom a súčinnosti využívania energie prostredia. Samozrejme, jeho použitie má aj svoje obmedzenia a odporúčania. Budova by mala spĺňať minimálne štandard nízkoenergetickej stavby, aby bolo možné pokryť tepelné straty, resp. tepelné zisky veľkoplošným sálavým systémom.  Aby sa zaručil komfort užívateľom, má tento systém obmedzené maximálne povrchové teploty a tým aj výkon. Treba zamedziť zbytočným tepelným ziskom cez okenné konštrukcie, ktoré by bolo nevyhnutné následne chladiť. Vhodné sú vonkajšie žalúzie, tieniace konzoly a reflexné sklá s potrebnou odrazivosťou. Netreba zabúdať ani na to, že tepelné čerpadlo systému voda – voda na svoje fungovanie potrebuje vodu s dostatočnou kvalitou a výdatnosťou.

Obr. 1 Porovnanie alternatív z rôznych hľadísk	Obr. 2 Porovnanie alternatív z hľadiska nákladov na palivo podľa jednotlivých miest spotreby

 Ing. Erika Záhumenská
Obrázky: autorka
Ilustračné foto: archív spoločnosti Interproject

Autorka pôsobí ako projektantka vo firme universa sk.

Za odborné konzultácie patrí vďaka vedúcemu autorkinej práce doc. Ing. Danielovi Kalúsovi, PhD., ďalej firmám Rehau, UNIVERSA, Viessmann a celej Katedre TZB na SvF STU.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.