Podlahové vykurovanie v kombinácii s tradičnými a obnoviteľnými zdrojmi tepla

Smernica EÚ o energetickej hospodárnosti budov (Directive 2010/31/EU) požaduje, aby všetky nové budovy postavené po roku 2020 spĺňali štandard budov s takmer nulovou potrebou energie. Z pohľadu zabezpečenia tepelnej pohody vykurovaním to znamená znížiť tepelné straty prechodom cez teplovýmenný obal budovy a vetraním a následne pokryť zostávajúce malé množstvo energie najmä „zelenou“ energiou z obnoviteľných zdrojov.

Napriek tomu sa v súčasnosti väčšina nových rodinných domov na Slovensku vykuruje pomocou energie vyrobenej z fosílnych palív – plynovým kondenzačným kotlom, elektrickým kotlom či elektrickým podlahovým vykurovaním. Príspevok sa zaoberá porovnaním energetickej náročnosti podlahového vykurovania kombinovaného s tradičnými zdrojmi tepla a s tepelným čerpadlom. 

Budovy majú na celkovej spotrebe energie v Európskej únii podiel takmer 40 % [1]. S cieľom zvyšovania energetickej hospodárnosti budov vyjadrenej najmä potrebou primárnej energie sa v posledných rokoch zaviedli do praxe viaceré právne predpisy [2, 3, 4, 5]. Zvýšenie hrúbky a kvality tepelnej izolácie viedlo k zníženiu potreby tepla na vykurovanie a umožnilo širšie využitie nízkoteplotných sálavých vykurovacích systémov vo forme teplovodného podlahového vykurovania či elektrických vykurovacích rohoží.

Nástup teplovodných sálavých systémov následne vďaka teplote vykurovacej látky blízkej teplote vzduchu v interiéri výrazne rozšíril možnosti využitia obnoviteľných zdrojov, ako sú tepelné čerpadlá, solárne kolektory či geotermálna energia na vykurovanie. Aj napriek klesajúcej potrebe energie na vykurovanie však potreba primárnej energie, ktorá závisí od energetického nosiča, môže byť v dôsledku využívania fosílnych palív pomerne vysoká.

Sálavé vykurovacie systémy sú z hľadiska fyzikálneho princípu ich činnosti komplexnými systémami. Hoci sa teplo šíri najmä sálaním, výrazná časť sa odovzdáva aj prúdením. V bežnej praxi sa činnosť sálavých vykurovacích systémov opisuje často zjednodušenými matematickými modelmi. Na podrobné skúmanie ich energetickej náročnosti treba použiť dynamické počítačové simulácie. V tejto štúdii sa na porovnanie energetickej náročnosti štyroch variantov vykurovania jednopodlažného rodinného domu využíva dynamická počítačová simulácia pomocou programu Trnsys.

Predmetné varianty reprezentujú typické vykurovacie systémy inštalované v rodinných domoch na Slovensku – teplovodné podlahové vykurovanie v kombinácii s plynovým kondenzačným kotlom, resp. v kombinácii s elektrokotlom, elektrické podlahové vykurovanie a teplovodné podlahové vykurovanie s obnoviteľným zdrojom energie – tepelným čerpadlom vzduch – voda. Varianty sa porovnali z hľadiska ročnej potreby energie a ročnej potreby primárnej energie na vykurovanie.

Objekt

Na účely štúdie sa navrhol samostatne stojaci jednopodlažný rodinný dom s mernou podlahovou plochou 144 m² a svetlou výškou 2,8 m. Rodinný dom je situovaný v zástavbe podobných jednopodlažných rodinných domov na rovinatom pozemku v blízkosti Bratislavy. Objekt má tvar písmena „L“ s maximálnymi vonkajšími rozmermi 15,0 × 15,0 m.

Tepelnotechnické parametre obalových konštrukcií vyhovujú požiadavkám uvedeným v STN 73 0540-2/Z1 [6]. Súčiniteľ prechodu tepla obvodovej steny je 0,19 W/(m² . K), súčiniteľ prechodu tepla plochej strechy je 0,13 W/(m² . K) a tepelný odpor podlahy na teréne je 3,06 (m² . K)/W. Otvorové konštrukcie sú plastové, zasklené izolačným trojsklom s U_w = 1,0 W/(m² . K).

Prevádzka budovy

V rodinnom dome bývajú štyri osoby, každá z nich produkuje počas svojej prítomnosti tepelný zisk 100 W. Objekt je plne obsadený všetkými osobami večer a v noci medzi 18:00 až 7:00, v čase medzi 7:00 – 15:00 je rodinný dom prázdny a medzi 15:00 a 18:00 sa v dome nachádzajú dve osoby. Umelé osvetlenie produkuje tepelný zisk 5 W/m² a elektrické spotrebiče produkujú tepelný zisk 140 W. Rodinný dom sa vetrá prirodzene infiltráciou a manuálnym vetraním oknami. Na účely simulácie je nastavená konštantná výmena vzduchu 0,3 1/h. V rámci všetkých dní v roku je v simulačnom programe nastavený rovnaký časový harmonogram.

Vykurovací systém

Odovzdávanie tepla

V troch prípadoch sa počítalo s vykurovaním nízkoteplotným podlahovým vykurovaním pozostávajúcim z vykurovacích hadov inštalovaných v roznášacom podlahovom potere. Rúrky mali vonkajší priemer 0,02 m a boli inštalované s rozstupom 0,2 m. Vzhľadom na plochu a pôdorysný tvar uvažovaného objektu sa navrhlo 8 vykurovacích okruhov, ktoré sa napojili na centrálny rozdeľovač a zberač podlahového vykurovania.

Medzi zdrojom tepla (plynovým kotlom, elektrokotlom, akumulačným zásobníkom) a rozdeľovačom sa nachádzalo potrubie s dĺžkou 10 m a s priemerom 0,04 m. Pri vykurovacom systéme sa počítalo s núteným obehom vykurovacej látky pomocou obehových čerpadiel. V prípade elektrického podlahového vykurovania sú odporové káble umiestnené pod nášľapnou vrstvou podlahy.

Zdroj tepla

V prípade plynového kondenzačného kotla sa počítalo s modelom s nominálnym výkonom 13 kW, minimálnym výkonom 20 % a s konštantnou účinnosťou 97 %.

Elektrokotol mal maximálny výkon 9 kW, minimálny výkon rovnako 20 % a účinnosť 95 %. Konštantná účinnosť pri oboch kotloch sa na účely simulácie nastavila z dôvodu obmedzenia v simulačnom softvéri, kde nie je pri zvolenom matematickom modeli kotla možné zohľadniť kondenzácie spalín ani nastaviť účinnosť nad 100 %.

Maximálny vykurovací výkon tepelného čerpadla bol 9 kW s priemerným výkonovým číslom (COP) 3,9. Pri použití tepelného čerpadla sa do vykurovacieho systému integroval akumulačný zásobník s objemom 350 litrov. Elektrické vykurovacie rohože mali maximálny výkon 6 kW a pracovali s výkonom 0/100 %.

Regulácia vykurovacieho systému

Na účely energetickej simulácie sa počítalo s celým objektom ako s jednou vykurovacou zónou. Pri vykurovacích systémoch s teplonosnou látkou voda bol systém regulovaný na zdroji tepla ekvitermicky s obmedzením maximálnej teploty vykurovacej vody na 40 °C počas pobytu osôb v rodinnom dome a na 35 °C počas udržiavania teploty v čase neprítomnosti obyvateľov.

Želaná teplota vnútorného vzduchu sa pohybovala v rozmedzí 20 až 22 °C a bola regulovaná jedným centrálnym PI regulátorom. Priebeh maximálnych nastavených teplôt teplonosnej látky, želanej teploty vzduchu a prítomnosť osôb v priestore sú zobrazené na obr. 1. Pri elektrických vykurovacích rohožiach sa zvolila plynulá regulácia výkonu v závislosti od teploty vnútorného vzduchu.

Obr. 1 Maximálna teplota vykurovacej vody Tmax (čiarkovaná čiara), želaná teplota vnútorného vzduchu (plná čiara) a prítomnosť obyvateľov v rodinnom dome počas 24 hodín simulácie

Potreba primárnej energie

Pomocou dynamickej počítačovej simulácie v programe Trnsys sa vypočítala potreba energie pri všetkých štyroch variantoch vykurovacieho systému počas jeho ročnej prevádzky. Časový krok výpočtu bol 30 minút. Na výpočet primárnej energie sa použil vzorec (1) a faktor primárnej energie 1,1 pri zemnom plyne, resp. 2,2 pri elektrickej energii [5]. Platí, že

kde

E_prim je množstvo primárnej energie pri zvolenom energetickom nosiči (kWh/m²);
E_consumed – dodané množstvo energie na vy- kurovanie zo zemného plynu alebo z elektrickej energie, ktoré bolo výsledkom simulácie (kWh/m²);
C_PE – faktor primárnej energie.

Celkové množstvo dodanej energie na vykurovanie pozostáva z potreby tepla na vykurovanie, tepelných strát spôsobených nedokonalým odovzdávaním tepla, tepelných strát z distribučného systému, z akumulácie tepla v prípade akumulačného zásobníka a z tepla potrebného na pokrytie strát pri výrobe. Prehľad energie dodanej v palive, vlastnej spotreby energie na pohon cirkulačných čerpadiel a celkovej primárnej energie pri jednotlivých variantoch vykurovania inštalovaného v rodinnom dome je uvedený v tab. 1.

Diskusia

Rozdiel v potrebe energie na vykurovanie pri použití nízkoteplotného podlahového vykurovania v kombinácii s plynovým kondenzačným kotlom a elektrokotlom je 2 %. Dôvodom je rozdiel v účinnosti oboch kotlov. Potreba energie na vykurovanie elektrickými podlahovými rohožami je o 24 až 26 % nižšia v dôsledku presnej a flexibilnej regulácie s malými teplotnými výkyvmi a stabilnou teplotou interiéru. Vykurovací systém s tepelným čerpadlom mal najnižšiu potrebu energie, len 1/4 až 1/3 v porovnaní s tradičnými zdrojmi tepla.

Pri porovnaní potreby primárnej energie v rámci jednotlivých variantov sú výsledky odlišné. Kým vykurovací systém s plynovým kondenzačným kotlom spotrebuje 91 kWh/(m² . a) primárnej energie, rovnaký vykurovací systém s elektrokotlom spotrebuje 185 kWh/(m² . a) primárnej energie, čo predstavuje nárast o 103 %.

Elektrické vykurovacie rohože majú napriek nižšej potrebe energie na vykurovanie v porovnaní s tradičnými zdrojmi potrebu primárnej energie oproti kondenzačnému kotlu vyššiu o 51 %. Najvýhodnejším variantom z pohľadu primárnej energie je tepelné čerpadlo, pri ktorom je potreba primárnej energie o 98 až 302 % nižšia v porovnaní s variantmi využívajúcimi tradičné zdroje tepla.

Záver

Štúdia preukázala možnosti aplikácie dynamickej počítačovej simulácie pri výpočte energetickej bilancie vykurovacieho systému. Výhodou takejto simulácie je schopnosť zachytiť dynamické zmeny a procesy, ktoré prebiehajú vo vykurovacom systéme vzhľadom na veľmi malý výpočtový krok (v tomto prípade 30 minút) a prepracovaný matematicko-fyzikálny model. Simulácia potvrdila potenciál redukcie potreby primárnej energie tepelným čerpadlom v porovnaní s tradičnými zdrojmi energie, a to až v rozsahu stoviek percent.

Predmetom štúdie nebola príprava teplej vody, na ktorú sa v rodinných domoch často využíva rovnaký zdroj tepla ako na vykurovanie. Rovnako nebolo predmetom štúdie porovnanie ekonomickej výhodnosti variantov. V praxi je stále častým javom uprednostňovanie tradičných zdrojov energie najmä pre ich priaznivé investičné náklady. Naopak, rozšíreniu využívania tepelných čerpadiel bránia zvyčajne práve vyššie investičné náklady v porovnaní s tradičnými zdrojmi tepla.

Ing. Lucia Kudiváni, doc. Ing. Michal Krajčík, PhD.
Autori pôsobia na Katedre TZB Stavebnej fakulty STU v Bratislave.
Recenzovala: doc. Ing. Daniela Koudelková, PhD.

Práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. DS-2016-0030 a grantom VEGA č. 1/0807/17.

Obrázok: autori

Ilustračné foto: Viessmann

Literatúra

1. Smernica Európskeho parlamentu a Rady 2010/31/EÚ o energetickej hospodárnosti budov. 
2. Zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
3. Zákon č. 300/2012 Z. z., ktorým sa mení zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov.
4. Vyhláška Ministerstva dopravy, výstavby a regionálneho rozvoja Slovenskej republiky č. 364/2012 Z. z., ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov.
5. Vyhláška Ministerstva dopravy, výstavby a regionálneho rozvoja Slovenskej republiky č. 324/2016 Z. z., ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov.
6. STN 73 0540-2/Z1 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2017.