Teplovzdušné vykurovanie a vetranie rodinných domov

Teplovzdušné vykurovanie rodinných domov nie je v porovnaní s občianskymi a priemyslovými stavbami v Európe priveľmi rozšírené. Dôvodom sú najmä klimatické podmienky, historický vývoj palivovej základne a úzka väzba systému vykurovania na konštrukciu budovy. Korene tohto stavu možno nájsť v tradičnom európskom chápaní „solídnej“ obytnej stavby stavebne riešenej na báze ťažkých obvodových konštrukcií z kameňa alebo tehál s prirodzeným vetraním obytných miestností, pre ktoré je optimálna tradičná teplovodná vykurovacia sústava s vykurovacími telesami.

Tieto sústavy eliminujú negatívne sálanie chladných povrchov obvodových konštrukcií (najmä okien) a zabezpečujú v takýchto stavbách relatívnu tepelnú pohodu vyváženou kombináciou sálavej a konvekčnej zložky odovzdávania tepla medzi osobou a miestnosťou. Tradičné teplovodné vykurovacie sústavy sú tiež najvýhodnejšie pre klasické, málo pružné zdroje na pevné palivá. Ďalšiu príčinu malého rozšírenia týchto sústav možno hľadať aj v negatívnej skúsenosti s teplovzdušným vykurovaním v 60. rokoch minulého storočia. Vývoj techniky, používaných technológií a kritérií stanovenia úžitkovej hodnoty stavebného diela vedie k nutnosti prehodnotiť zaužívané prístupy a nezaujato sa pozrieť na riešenie vykurovania v kontexte dnešného sveta. Jednou z možností, ktorá naznačuje možný smer ďalšieho vývoja, je aplikácia princípu teplovzdušného vykurovania na zabezpečenie tepelnej pohody v obytných budovách.

Princípy

Teplovzdušné vykurovanie je systém, keď sa tepelná energia dostáva do vykurovanej miestnosti výlučne prúdiacim teplým vzduchom, v miestnosti sa vzduch vplyvom tepelných strát ochladzuje na požadovanú vnútornú teplotu a odvádza sa mimo miestnosti. Teplonosnou látkou je vzduch. Z porovnania fyzikálnych vlastností vody a vzduchu je zrejmé, že vzduch je vďaka oveľa menšiemu mernému teplu a nižšej teplote  horším nosičom tepla.

Tabuľka 1
Porovnanie fyzikálnych vlastností vody a vzduchu

ParameterVodaVzduch
merné teplo c (J/(kg . K))4 1861 010
hustota (kg/m3)9801,28
teplotný spád používaný na vykurovanie obytných budov (K)10 až 2520 až 30

Táto skutočnosť vedie k väčším dimenziám rozvodov pri teplovzdušnom vykurovaní v porovnaní s teplovodným systémom, a teda väčšiemu zásahu systému do stavby. Na druhej strane, v porovnaní s tradičným teplovodným vykurovaním nie sú v tomto prípade potrebné vykurovacie plochy, teplovzdušné vykurovanie je pružnejšie (vie rýchlejšie reagovať na zmenu výkonových požiadaviek), no na dosiahnutie tepelnej pohody potrebuje vzhľadom na absenciu sálavej zložky vyššie teploty vzduchu, čo vedie k vyšším tepelným stratám a k odlišnému vnímaniu tepelnej pohody užívateľmi. To sú hlavné dôvody, prečo sa teplovzdušné vykurovanie stavieb na bývanie v našich krajinách zatiaľ priveľmi nerozšírilo.

Tento pohľad na spôsob stavania sa však v ostatných rokoch vplyvom ekonomických tlakov zmenil a okrem tradičných murovaných stavieb sa objavujú ľahké stavby na báze dreva s vyhovujúcimi tepelnoizolačnými vlastnosťami, ale minimálnou akumuláciou tepla, pre ktoré je tradičná teplovodná vykurovacia sústava málo pružná a z hľadiska návrhu veľmi citlivá na prípadné nedodržanie projektovaných hodnôt. V týchto typoch objektov sa v zahraniční bežne používa klasické teplovzdušné vykurovanie s cirkulačnou prevádzkou, t. j. s nulovým riadeným prívodom čerstvého vzduchu; používa sa najmä v USA a v Kanade. Negatívne chladné sálanie bežne izolovaných obvodových konštrukcií sa v zahraničí rieši inštaláciou doplnkového lokálneho sálavého zdroja tepla – kozubu alebo kachľovej pece, ktorý v hlavnej miestnosti bytu alebo domu zabezpečí v prípade potreby tepelnú pohodu aj pri nižšej teplote vzduchu.

Druhý aspekt, ktorý vedie k prehodnoteniu pohľadu na voľbu systému vykurovania, je zapríčinený celosvetovým tlakom na znižovanie potreby energie na vykurovanie, ktorý dramaticky mení požiadavky na tepelnotechnické vlastnosti obalových konštrukcií budov. Nejde len o zvýšenie požadovaného tepelného odporu nepriezračných obvodových konštrukcií, pevných výplní a okien, ale aj o minimalizáciu infiltrácie – nekontrolovateľnej výmeny vzduchu. Vývoj v tejto oblasti vyústil do paradoxného stavu, keď moderné tesné okná majú takú malú infiltráciu, že nestačí na pokrytie minimálnej hygienickej výmeny vzduchu v miestnostiach. V ranej fáze používania „tesných“ okien viedol tento stav k hygienickým problémom spôsobeným nedostatočnou výmenou vzduchu v obytných miestnostiach. Tieto problémy, ktoré sa prejavujú poruchami stavieb, ako je vznik plesní a podobne, možno riešiť v princípe dvoma spôsobmi. Prvý spočíva v umelom zvýšení infiltrácie okien vytvorením dodatočných vetracích štrbín v konštrukcii okien, druhá možnosť je v riadenom vetraní obytných budov. Zvýšením infiltrácie sa stráca pôvodná myšlienka zníženia tepelných strát vetraním, a preto – hoci súčasné názory nie sú jednotné – smeruje vývoj pri znižovaní spotreby energie k riadenému vetraniu. Riadené vetranie však vyvoláva zvýšené investičné náklady inštaláciou ďalšieho systému do budovy, preto sa ponúka možnosť spojiť vetranie s vykurovaním, a tak využiť jeden systém dvakrát. Riadené vetranie má kontrolovaný prívod aj odvod vzduchu, a teda možno využiť ďalšie prvky na zníženie potreby energie, ako sú spätné získavanie tepla alebo cirkulačná prevádzka, vďaka čomu sa objekt dostáva do kategórie nízkoenergetických budov.

 

Systémy s cirkulačnou prevádzkou

Systémy s plne cirkulačnou prevádzkou patria medzi klasické systémy teplovzdušného vykurovania používané v USA, Kanade a v niektorých škandinávskych krajinách. Srdcom tohto systému je teplovzdušný agregát, na ktorý je napojený rozvod vykurovacieho vzduchu do jednotlivých miestností bytu alebo domu (obr. 1). Spätné nasávanie cirkulujúceho vzduchu sa zväčša realizuje v chodbe, transport vzduchu medzi obytnými miestnosťami a chodbou zabezpečujú netesnosti okolo dverí, prípadne vetracie mriežky vo dverách. Z hľadiska tepelnej pohody sa absencia sálavej zložky vždy rieši umiestnením kozuba v hlavnej miestnosti bytu alebo domu.

Teplovzdušný kotol

Teplovzdušné kotly (angl. furnace) používané v zahraničí sú plynové, olejové nebo elektrické. Skladajú sa vždy z ventilačnej a filtračnej jednotky, ohrievacieho dielu a regulácie. Majú zväčša radiálny ventilátor, ktorý zabezpečuje nízku hlučnosť pri potrebnom tlaku a dopravnom množstve vzduchu. Ohrievací diel pri plynových a olejových agregátoch tvorí horák a výmenník tepla medzi spalinami a ohrievaným vzduchom. Používajú sa jednotky s atmosférickým horákom v otvorenom aj uzavretom vyhotovení, avšak vždy s núteným odťahom spalín (vysoká tlaková strata výmenníka na strane spalín a nízka teplota spalín neumožňujú riešiť odťah spalín prirodzeným komínovým ťahom). Vďaka tomu môžu mať odťahy spalín malý profil a vo väčšine prípadom sú z plastov. Vysokú účinnosť dosahujú jednotky v kondenzačnom vyhotovení, keď sa okrem spalného tepla využíva aj kondenzačné teplo spalín. Použitie kondenzačnej techniky na tento účel je pravdepodobne najlepším spôsobom využitia tohto princípu vo vykurovaní, lebo na rozdiel od teplovodného vykurovania nie je problém s nízkou teplotou ohrievaného média (teplota vykurovacieho vzduchu býva do 50 °C).

Pre umiestnenie jednotiek v budove platia rovnaké pravidlá ako pre ostatné odberné plynové zariadenia, a preto sú z hľadiska bezpečnosti prevádzky výhodnejšie uzavreté jednotky s núteným odťahom spalín a prívodom vzduchu zvonka. Jednotlivé plynové teplovzdušné agregáty sa od seba odlišujú aj polohou pripojovacích prírub a možnosťami osadenia v budove. Základná regulácia plynovej jednotky zaisťuje bezpečnú prevádzku jednostupňového alebo dvojstupňového horáka vrátane zapaľovacej automatiky bez  tzv. večného plamienka. Prevádzková regulácia je zvyčajne jednozónová, podľa pokynov priestorového termostatu vhodne umiestneného v referenčnej miestnosti. V závislosti od klimatických podmienok miesta stavby a požiadaviek budúceho majiteľa sa vždy ráta s možným doplnením ohrievacieho agregátu ďalšími prvkami na klimatizáciu budovy, ako sú zvlhčovač a chladič.

Plynové agregáty v klasickom vyhotovení sa konštruujú na maximálny ohrev vzduchu o 35 až 55 K, v kondenzačnom vyhotovení do 20 K. Jednotky sa vyrábajú s výkonmi od 7 do 28 kW. Účinnosť plynových teplovzdušných jednotiek sa pohybuje okolo 80 % pri klasickom vyhotovení a až 96 % v prípade kondenzačných jednotiek.

Teplovzdušné agregáty môžu byť vo vyhotovení na zemný plyn aj propán alebo ľahký vykurovací olej. V ČR sa v súčasnosti (január 2007) certifikujú niektoré jednotky na zemný plyn a propán a kým sa väčšmi rozšíri používanie tohto systému, treba vyriešiť rad legislatívnych prekážok. 

Okrem plynových a olejových agregátov možno teoreticky používať plne elektrické agregáty, v tomto prípade je však u nás problém s využitím sadzby pre priamovýhrevné vykurovacie telesá. Touto tarifou je v ČR elektrická energia dodávaná do objektu iba 20 hodín s maximálne dvojhodinovými prestávkami, čo stačí na vykurovanie tradičnej stavby teplovodným vykurovaním, keď možno počítať s akumuláciou tepla. V ľahkých stavbách s teplovzdušným vykurovaním je dvojhodinová prestávka pridlhá na to, aby nedošlo k poklesu vnútornej teploty a pocitu diskomfortu užívateľov, a preto je inštalácia tohto systému bez ďalších opatrení, akým je akumulácia tepla, za súčasných podmienok veľmi riskantná.

Rozvody

Rozvody teplého vzduchu sa vedú buď v kovových kanáloch v konštrukcii podlahy (obr. 2) alebo v pivnici pod stropom, alebo v priestore pôjdu v spiropotrubí. Výustky sú umiestnené v podlahe v každej miestnosti. Výpočet rozvodov sa spracováva bežným postupom pre rozvody vzduchotechniky. Potrubie musí byť vzduchotesné, ak sa vedie v nevykurovaných priestoroch, dobre tepelne izolované a navrhnuté s ohľadom na hluk. V rámci diskusie o usadzovaní a vírení prachu možno konštatovať, že cirkulačné teplovzdušné vykurovanie počas prevádzky naopak znižuje prašnosť prostredia, lebo cirkulujúci vzduch sa pri každom prechode teplovzdušným agregátom filtruje. Problematické je iba zapnutie systému po dlhšej prestávke, keď sa naozaj zvíri prach usadený v potrubí. Tento problém v zahraničí riešia špecializované firmy, ktoré majú technické prostriedky na prečistenie vzduchotechnických kanálov pred začiatkom vykurovacej sezóny.

Systémy amerického typu s cirkulačnou prevádzkou neriešia vetranie jednotlivých miestností a sú vhodné pre prízemné domy. V prípade rodinných domov s obytným podkrovím nie je výnimkou, že teplovzdušné vykurovanie sa z úsporných dôvodov používa iba na prízemí a poschodie sa vykuruje napríklad elektrickými priamovýhrevnými vykurovacími telesami. Aplikácia týchto princípov v našich podmienkach by však vždy mala byť podložená technicko-ekonomickou úvahou, vychádzajúcou z aktuálnych cien energií, ktoré zásadným spôsobom ovplyvňujú takéto riešenia.

  Obr. 2 – Vedenie vzduchovodu v podlahe

Systémy s ventilačnou alebo kombinovanou prevádzkou

Teplovzdušné vykurovanie integrované s riadeným vetraním objektu predstavuje modernú koncepciu, ktorá je využiteľná najmä v dobre zateplených objektoch s nízkou potrebou energie na vykurovanie. Na rozdiel od systému s cirkulačnou prevádzkou sa tu reguluje prívod čerstvého vzduchu do systému, ktorý zabezpečuje hygienickú výmenu vzduchu v budove (obr. 3). Množstvo privádzaného čerstvého vzduchu sa však môže optimalizovať podľa aktuálnej potreby a iste je zaujímavá úvaha o spolupôsobení celého objemu vzduchu v budove na udržanie minimálnej hygienickej výmeny [7]. Množstvo čerstvého vzduchu možno totiž  stanoviť jednak podľa násobnosti výmeny vzduchu v miestnostiach, jednak podľa dávky čerstvého vzduchu na osobu. Tento rozdiel si možno najlepšie uvedomiť na jednoduchom príklade rodinného domu s obstavaným priestorom 600 m3, obývanom 4 osobami. Pri určení množstva čerstvého vzduchu podľa násobnosti výmen 0,3/h je množstvo čerstvého vzduchu 600 . 0,3 = 180 m3/h, kým pri určení množstva čerstvého vzduchu podľa počtu osôb pri dávke 30 m3/h je množstvo potrebného čerstvého vzduchu iba  4 . 30 = 120 m3/h.

Diskutovaným problémom pri teplovzdušnom vykurovaní sú teplotné a výkonové parametre zdroje tepla.

Zdroje tepla pre teplovzdušné vykurovanie s ventilačnou prevádzkou

Vykurovací zdroj treba riešiť tak, aby bol schopný ohrievať čerstvý vonkajší vzduch na požadovanú vnútornú teplotu. Musí byť dostatočne pružný, aby bol schopný ihneď reagovať na zmeny vonkajších podmienok. Podľa druhu primárneho paliva možno použiť zdroje na plyn (zemný aj kvapalný), olej alebo elektrické zdroje. Pri použití plynu alebo oleja sa ako najúčinnejšia a najjednoduchšia javí aplikácia plynového teplovzdušného agregátu, aj keď v súčasnosti sa vzhľadom na zakorenené tradície v Európe zväčša inštalujú zariadenia s tradičným plynovým teplovodným kotlom a výmenníkom v teplovzdušnej jednotke. Hlavnou prednosťou tohto riešenia je nielen možnosť použiť teplovodný kotol na ohrev vykurovacieho vzduchu, ale aj vykurovať časť budovy klasickou teplovodnou sústavou a prípadne zabezpečiť ohrev teplej vody alebo vody v bazéne. Vďaka nízkym pracovným teplotám vo všetkých častiach týchto systémov možno uplatniť kondenzačné kotly. Všetky tieto riešenia však z hľadiska vykurovania vedú k pomerne náročným zapojeniam so všetkými známymi problémami hydraulickej stability a prechodových javov v teplovodných vykurovacích sústavách.

Využiť elektrickú energiu možno dvojako. Najjednoduchšie je uplatnenie odporového ohrevu buď priamo vzduchu (pozor však na tarify vykurovania priamovýhrevnými vykurovacími telesami  – pozri poznámku pri cirkulačných systémoch), 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 nízkoenergetických domov možno použiť aj tepelné čerpadlá, ktoré odovzdávajú 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 tepelné čerpadlo využiť v reverznej prevádzke na chladenie.

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

Distribučná sieť

V porovnaní s cirkulačným systémom je distribučná sieť teplovzdušného vykurovania s ventilačnou prevádzkou zložitejšia v tom, že systém by mal zabezpečovať nielen vykurovanie objektu, ale aj jeho vetranie. Aby nedochádzalo k prenosu škodlivín medzi jednotlivými miestnosťami, treba dôsledne vyriešiť prívodné a odvádzacie otvory. Prívody vykurovacieho (a súčasne vetracieho) vzduchu sa umiestňujú do miestností s malou produkciou škodlivín, ako sú obytné miestnosti, šatne a chodby, kým odvádzacie otvory sa umiestňujú do miest so zvýšenou produkciou škodlivín, ako sú WC, kúpeľne a kuchyne. Aj keď sa ventilačná prevádzka navrhuje tak, aby zabezpečila dostatočnú rovnomernú výmenu vzduchu v celom objekte, dopĺňa sa lokálnymi vetracími prvkami pri nárazovej potrebe vetrania, ako sú kuchynský odsávač pár a podtlakové vetranie WC.

Zhrnutie

V tabuľke č. 2 sa porovnávajú jednotlivé riešenia vykurovania a vetrania nízkoenergetických rodinných domov.

Tabuľka 2
Porovnanie alternatív riešenia vykurovania a vetrania rodinných domov

Opis riešeniaVýhodyNevýhody
Klasická teplovodná sústava, netesné okná, prirodzené vetranie obytných miestností, odsávanie WC, kúpeľní a kuchýň.Tradičné riešenie s bohatými skúsenosťami  vo všetkých fázach projektu, realizácie aj údržby. Zvyčajne nie sú hygienické problémy s nedostatočnou výmenou vzduchu.Klasická sústava je málo pružná, ťažkopádna reakcia na okamžitú zmenu potreby tepla (slnko, osoby, varenie). Neriadené prirodzené vetranie zvyšuje riziko úniku tepla vetraním.
Klasická teplovodná sústava, tesné okná, riadené vetranie obytných miestností regulovaným prívodom vzduchu zvonka uzatvárateľnými štrbinami v stenách, odsávanie WC, kúpeľní a kuchýň.Riadený prívod vzduchu do miestností  zabezpečuje  požadovanú minimálnu  výmenu vzduchu vo všetkých miestnostiach pri zachovaní únosnej tepelnej straty.Inštaláciou prechodov a regulovateľných štrbín sa zvyšujú náklady na stavbu. Problematické  je využitie spätného získavania  tepla z odpadového vzduchu.
Klasická teplovodná sústava, tesné okná, riadené vetranie s centrálnou jednotkou s rekuperáciou tepla.Zabezpečenie požadovanej výmeny vzduchu vo všetkých miestnostiach. Spätné získavanie tepla znižuje celkovú potrebu tepla.Ďalší systém TZB v objekte – rozvod predhriateho vetracieho vzduchu zvyšuje investičné náklady. Problematická je  regulácia množstva vzduchu privádzaného do jednotlivých miestností, problémy s hlukom. Možnosť vzniku SBS (sick building syndrom = syndróm chorých budov), ktorý vedie k otváraniu okien a tým potlačeniu účinku spätného získavania tepla.
Teplovzdušné vykurovanie s cirkulačnou prevádzkou, netesné okná, odsávanie WC, kúpeľní a kuchýň, prirodzené vetranie obytných miestností.Pružná vykurovacia sústava, nízke investičné náklady. Možnosť rozšíriť systém vykurovania klimatizáciou, a to doplnením centrálnej jednotky.V našich krajinách zlá skúsenosť z experimentov v 60. rokoch, keď sa systémy  teplovzdušného vykurovania neosvedčili, a z toho vyplývajúca nedôvera investorov i realizačných firiem. Absencia sálavej zložky vykurovania,  problémy s hlukom, neriadené vetranie zvyšuje riziko úniku tepla.
Teplovzdušné vykurovanie s ventilačnou alebo kombinovanou prevádzkou so spätným získavaním tepla.Pružné vykurovanie a riadené vetrania zabezpečuje optimálnu dodávku energie do budovy.Možnosť vzniku SBS, absencia sálavej zložky, problémy s hlukom. Vyššie investičné náklady.

Poďakovanie

Príspevok vznikol za podpory projektu  MPO  2A-1TP1/051.

Literatúra

1. ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipments, ASHRAE, Atlanta 2000.
2. Humm, O.: Nízkoenergetické domy. Praha: Grada Publishing, 1999.
3. Kabele, K., Dvořáková, P.: Modelování tepelné pohody při teplovzdušném vytápění v nízkoenergetických domech. In: Zborník prednášok 12. medzinárodnej konferencie Vykurovanie 2004,  1. – 5. 6. 2004. Tatranské Matliare: SSTP, 2004, s. 449 – 454.
4. Kabele, K.: Analýza kombinovaných soustav vytápění a větrání v nízkoenergetických domech. In:  Zborník prednášok 14. medzinárodná konferencia VYKUROVANIE 2006. Bratislava: SSTP, 2006, s. 325 – 329.
5. Lázňovský, M., Kubín, M., Fišer, P.: Vytápění rodinných domků. Praha: Nakladatelství T. Malina, 1996.
6. Recknagel, H., Sprenger, E. Schramek, E. R. Taschenbuch für Heizungs+Klimatechnik 94/95. München, Wien: R.Oldenbourg Verlag.
7. RWE Energie. Bau-handbuch 12. Ausgabe 1998.
8. Duplex RD Teplovzdušné vytápěcí a větrací jednotky s rekuperací tepla. Atrea, Liberec 2005  http://www.atrea.cz
9. Pulzní horkovzdušné kotle Lennox G21. Delta Climatizer http://www.deltaclimatizer.cz
10. Firemná literatúra Lennox, Carrier, Atrea, Delta Climatizer.

prof. Ing. Karel Kabele, CSc.
ČVUT v Prahe,  Fakulta stavebná, Katedra technických zariadení budov