Líši sa potreba tepla na vykurovanie rodinného domu v rôznych klimatických podmienkach Slovenska?

Aj na takom malom území, akým je Slovensko, ukazujú simulácie veľké rozdiely. Príspevok pracuje s parametrom aktuálnej vonkajšej klímy reprezentovanej súborom jej reprezentantov definovaných Testovacím referenčným klimatickým rokom (TRKR) na vybranom rodinnom dome na Slovensku. Jeho ambíciou je poukázať na rozdiely aj na takom malom území, akým je Slovensko, prostredníctvom stanovenia mernej potreby tepla na vykurovanie hodinovou – simulačnou metódou.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Nie priamo, ale minimálne lineárne tak táto veličina dáva priamy obraz o skutočnej energetickej potrebe/spotrebe analyzovaného objektu rodinného domu. A vzhľadom na prísne kritérium STN sa vo svojej podstate pokúsi dať aj určitý návod na jej úsporu na základe vybraných výpočtových parametrov, ktoré možno zohľadniť už na úrovni projektovania.

Merná potreba tepla na vykurovanie Q_H,nd je v legislatíve SR definovaná štandardným počtom dennostupňov 3 422 K . deň. Pri analyzovaní a hodnotení energetickej hospodárnosti konkrétnej lokality je v nadväznosti na jej skutočné energetické nároky potrebné pristúpiť k podrobnejšej špecifikácii tohto parametra, reprezentovaného klimatickými pomermi každej lokality SR.

Klimatické podmienky Slovenska

Územie Slovenska, hoci svojou celkovou rozlohou pomerne malé (49 035 km²), pokrýva geomorfologicky výrazne členitý povrch a striedajú sa tak na ňom pomerne rozľahlé územia nížin (zelené) s nadmorskou výškou len okolo 100 až 200 m n. m., najmä v južnej časti západného či východného Slovenska, ale aj rôzne horské masívy (hnedé) v jeho severnej časti, siahajúce až do nadmorskej výšky 2 655 m n. m. (obr. 1) [6].

Testovací referenčný klimatický rok

Testovací referenčný klimatický rok je súborom fyzikálnych veličín, reprezentujúcich vonkajšiu klímu danej lokality (stanovených na základe špecifických kritérií, ako aj ich zberu). Obsahuje teda parametre vonkajšej klímy, ktoré slúžia ako okrajová podmienka výpočtov, vo väčšine prípadov špecificky orientovaných simulácií (teplo, energie, svetlo, akustika).

V prípade energetickej simulácie obsahuje a pozornosť upriamuje na hodinové dáta, a to najmä pre parametre ako teplota vonkajšieho vzduchu, priame slnečné žiarenie, difúzne žiarenie, relatívna vlhkosť vonkajšieho vzduchu, tlak vzduchu, rýchlosť a smer vetra.

Podkladom TRKR sú tu údaje z programu METEONORM 8.0 (spracované merané dáta za obdobie rokov 2000 až 2020), pričom boli vybraní typickí reprezentanti jednotlivých lokalít SR [6], aj ich nadmorskej výšky v súčinnosti s ich dennostupňami a ich rozsahom (3 156 – 8 285 K . deň). Vo výsledku sa počet miest redukoval z celkových 30 na 5, pričom ide o tieto miesta: Banská Štiavnica, Donovaly, Hurbanovo, Lomnický štít a Trenčín.

Simulačný model rodinného domu

Simulačná analýza sa realizovala na rodinnom dome typu bungalov (č. 1471) s pôdorysnou plochou 130,1 m² (obr. 2,  3 a 4). Orientáciu k svetovým stranám definuje hlavný vstup do objektu (dvere).

Parametre teplo-výmennej obálky reflektujú súčasné požiadavky v zmysle normy STN 73 0540-2+Z1+Z2 [2]: normalizovaná hodnota súčiniteľa prechodu tepla obvodovej steny U_stena = 0,22 W/(m² . K), strecha aj strop U_{strecha/strop} = 0,15 W/(m² . K), transparentné konštrukcie U_okno = 0,85 W/(m² . K) a tepelný odpor podlahy R_PNT = 2,50 m² . K/W.

Vnútorné tepelné zisky boli namodelované v zmysle požiadaviek energetickej hospodárnosti budov hodnotou 4,0 W/m². Vonkajšie tepelné zisky zo slnečného žiarenia sú dané výpočtom z hodnôt žiarenia z TRKR aj pri použití tienenia okolitými budovami. Tepelné straty prechodom tepla vychádzajú z reálnej simulácie budovy aj so zohľadnením akumulačných schopností nielen obalových, ale aj deliacich konštrukcií. Vykurovanie celého objektu v zimnom období je štandardne realizované pri teplote +20,0 °C.

Pre väčšiu podrobnosť celej energetickej simulačnej analýzy sa následne v ďalšej časti pristúpilo k variovaniu niekoľkých výpočtových parametrov RD, t. j. jeho energetického modelu. Išlo o tieto parametre:

• celková priepustnosť slnečného žiarenia g – hodnoty 0,30; 0,40 a 0,50 (3x),
• orientácia na svetové strany (0 reprezentuje V) – S, J, V a Z (4x),
• intenzita výmeny vzduchu n – hodnoty 0,10; 0;30; 0;50 a 0,70 (4x),
• lokalizácia v SR – Banská Štiavnica, Donovaly, Hurbanovo, Lomnický štít, Trenčín (5x).

Analýza výsledkov energetických simulácií

Tab. 1 reprezentuje hodnoty mernej potreby tepla Q_H,nd na vykurovanie, realizované pre všetkých 240 variantov riešenia. Riadky reprezentujú variabilitu intenzity výmeny vzduchu medzi n = 0,10 a 0,70 1/h, následne aj s variovaním orientácie objektu RD na svetové strany. Stĺpce definujú jednotlivé lokality RD, tentoraz s variovaním parametra celkovej priepustnosti slnečného žiarenia medzi 0,30 a 0,50.

Zelené hodnoty reprezentujú situácie, resp. kombinácie, pri ktorých je splnená požiadavka na hygienické kritérium normy dané hodnotou 50,0 kWh/(m² . rok), keďže faktor tvaru budovy je blízky hodnote 1,0 1/m. Naopak, červené hodnoty ukazujú varianty, pri ktorých sa toto kritérium STN 73 0540-2+Z1+Z2 [2] nepodarilo splniť.

Pre väčšiu prehľadnosť a grafické znázornenie jednotlivých výsledkov sú tieto hodnoty následne transformované ešte do troch samostatných grafov na obr. 5, 6 a 7, pričom každý reprezentuje inú hodnotu celkovej priepustnosti slnečného žiarenia g. Grafy vo svojich zvislých štvrtinách presne kopírujú štvorriadky z tab. 1 aj s označením normovej Q_H,nd.

Ako vidieť z predložených výsledkov v tab. 1 a na grafoch na obr. 5, 6 a 7, jednotlivé variované parametre výpočtu energetickej simulácie aj v kontexte s konkrétnou lokalitou SR pomerne výrazným spôsobom ovplyvňujú energetickú bilanciu simulovaného RD – kolísaním hodnôt v celej tab. 1 a v stĺpcoch v jednotlivých grafoch.

Lokalizácia objektu v podmienkach SR

Samotná lokalizácia objektu v podmienkach SR bola prvým kritériom variabilizačnej schémy. Energetická náročnosť v exponovaných podmienkach takmer najvyššieho miesta Lomnického štítu (s nadmorskou výškou 2 655 m n. m.) je približne 2,5-krát vyššia ako v Hurbanove. Aj pri lokalite horského mesta Donovaly (s nadmorskou výškou 982 m n. m.), ktoré reprezentuje typickú slovenskú rekreačnú lokalitu s početnými ubytovacími kapacitami a aktuálne aj so zimnou lyžovačkou, je tento nárast zhruba o 50 %.

Celková priepustnosť slnečného žiarenia g

Tento parameter, naopak, nepredstavuje taký významný aspekt rozptýlenia parametra mernej potreby tepla na vykurovanie. Navýšenie tepelných ziskov zo slnečného žiarenia o 60 % nárastom hodnoty g z 0,30 na 0,50 (typické materiálové rozhranie dnešných tepelnoizolačných trojskiel) predstavuje úsporu na úrovni 2,6 až 8,6 (pri LOS je to 13,7) kWh/(m² . rok) a pri normalizovanej výmene vzduchu (n = 0,50 1/h) je to maximálne do 10 % (pri n = 0,10 1/h hodnota, pochopiteľne, narastá až k takmer 16,5 %).

Orientácia budovy

Podobne ani zmena orientácie celej budovy na svetové strany, hoci objekt má pomerne exponované a rozsiahle plochy zasklení, neznamená nijako významnú úsporu (odhliadnuc od typologických predpisov, pravidiel jednotlivých typov obytných miestností). V hodnotách mernej potreby tepla na vykurovanie to reprezentujú rozdiely medzi 2,0 a 5,8 kWh/(m² . rok), percentuálne na úrovni 6,1 až 14,6 % (tab. 2), logicky najvyššie pri najnižšej infiltrácii.

Intenzita výmeny vzduchu

Podstatne väčší vplyv, čo sa dalo aj očakávať, má výrazné „priškrtenie“ infiltrácie, intenzity výmeny vzduchu. Zníženie jej hodnoty z normalizovaných n = 0,50 1/h na n = 0,10 1/h, čo zjednodušene reprezentuje kompletnú rekuperáciu (spätné získavanie tepla SZT) celého objektu s kvalitnými, modernými oknami a rámami, znižuje celkovú energetickú bilanciu približne o 70 až 72 %, a to pri troch lokalitách, pri dvoch „studených“ miestach je to o čosi menej, zhruba 65 %. Spolu s konkrétnou lokalitou na našom území tak intenzita výmeny vzduchu tvorí najvýznamnejší parameter, veľmi výrazne ovplyvňujúci energetickú bilanciu RD v prostredí Slovenska.

Energetické kritérium

Samostatným hodnotiacim kritériom je požiadavka normy STN 73 0540-2+Z1+Z2 [2], tzv. energetické kritérium, ktoré pri faktore tvaru budovy posudzovaného bungalovu 1,00 1/m definuje aktuálne hraničnú požiadavku 50,0 kWh/(m² . rok). Ako vidieť z tab. 1 a grafov na obr. 5, 6 a 7 viac ako polovica variantov (141 z 240) túto požiadavku vôbec nespĺňa.

Pri normalizovanom vstupe intenzity výmeny vzduchu n = 0,50 /1h (bez spätného získavania tepla) vyhovujú tejto požiadavke iba tri rodinné domy lokalizované v Hurbanove, a to iba s tromi konkrétnymi orientáciami (z celkových 45 možností) na svetové strany a zároveň aj s najvyššou výpočtovou hodnotou celkovej priepustnosti slnečného žiarenia g = 0,50.

Záver

Príspevok s realizovanou simulačnou analýzou ukazuje značné rozdiely v energetickej hospodárnosti RD v prostredí SR (aj s výnimkou Lomnického štítu, ktorý je tu použitý ako naozaj úplný teplotný extrém), a to až na úrovni jej navýšenia približne o 50 % (Donovaly verzus Hurbanovo). Pri zavedení spätného získavania tepla (SZT) do vykurovania (čo v tomto modeli zjednodušene reprezentuje parameter intenzity výmeny vzduchu n = 0,10 1/h) sa táto hodnota zvyšuje až na úroveň tesne nad 70 %.

Rovnako sa potvrdilo, že bez SZT typický jednopodlažný rodinný dom (bungalov) vyhovie požiadavke na hygienické kritérium STN naozaj len veľmi ťažko a nepomôže mu už v tom výraznejšie ani tá najteplejšia lokalita SR, ktorú reprezentuje Hurbanovo (s dennostupňami na úrovni 3 156 K . deň).

Ani výrazná zasklená plocha v obývacej miestnosti (cca 16,7 m²) orientovaná pri základnom smere, orientácii 0 (V) na severozápad, nepohla nijako dramaticky s účinkom tepelných ziskov zo slnečného žiarenia a so značnou úsporou energií pri „správnom“ orientovaní RD na svetové strany. Malou výnimkou je iba slnečné Hurbanovo s poklesom tesne pod 8,0 % (medzi alternatívami Z a J), v priamom vyjadrení poklesu potreby tepla o 4,1 kWh/(m² . K).

Percentuálne porovnanie (do značnej miery deformované nižšími hodnotami) sa zmení v prípade aplikácie SZT, čísla ukazujú hodnoty až 14,5 %, ale iba 2,2 kWh/(m² . K). Dôraz tu treba klásť aj na typologické pravidlá.

TEXT A FOTO: Ing. Peter Buday, PhD. a Ing. Patrícia Jánošková – katedra konštrukcií pozemných stavieb SvF STU v Bratislave

Článok bol uverejnený v časopise TZB 4/2024