Stavíme energeticky úsporný dům (VII) - Vytápění a větrání nízkoenergetických domů

Úvod

Vývoj požadavků na tepelně-technické vlastnosti nových staveb dospěl do stavu, kdy každá nová budova, postavená v ČR z veřejných prostředků nebo prostředků soukromých ale s celkovou roční spotřebou energie převyšující 700 GJ, se stává budovou energeticky úspornou [1, 2]. Požadavek vyhlášky 291/2001 Sb. totiž pro tyto objekty předepisuje splnění maximální měrné spotřeby energie na vytápění budovy v závislosti na poměru povrchu ku objemu od 80 do 140 kWh/m²a, což je přibližně 1/3 stavu většiny stávajících objektů, kde se spotřeba energie na vytápění pohybuje v rozsahu 210 až 300 kWh/m²a [3].

U nových staveb lze tedy počítat s měrným příkonem v rozmezí 30 až 60 W/m² vytápěné plochy, což má dopad na vytápěcí zařízení, které musí umět pracovat s podstatně menšími výkony a dodávkami tepla než tomu bylo dříve. Pro ilustraci - 4 pokojový byt o půdorysné ploše 75 m² má ve stávajících nezateplených objektech příkon 6 kW, u nově postaveného nebo zatepleného domu se příkon na celý takový byt zmenšuje na cca 2 kW.

Tyto snížené výkonové požadavky na vytápění a důraz na nízkou energetickou náročnost budov se musí promítnout i do energetických systémů budov, které jsou vlastně tím výkonným článkem celého řetězce dodávky energie do budovy a na nich závisí, zda skutečná spotřeba energie bude odpovídat potřebě, dané obálkou budovy.

V ideálním případě je vytápěcí zařízení schopno reagovat s minimálním zpožděním na změny potřeby energie, které jsou vyvolány především změnami klimatických podmínek (vnější teplota, proměnlivé sluneční záření) a vnitřních zdrojů tepelné zátěže (zapnutí domácích spotřebičů, umělé osvětlení nebo příchod osob do místnosti). Z toho vyplývá, že energeticky úsporné vytápěcí zařízení by mělo být především elastické ve všech prvcích (schopné rychle reagovat na změnu potřeby tak, aby se změna výkonu přenesla až do zdroje), s individuální regulací v jednotlivých místnostech (v každé místnosti se může měnit potřeba nezávisle na ostatních) při zachování požadavků na tepelnou pohodu.

Oproti tradičním budovám se u nízkoenergetických budov zvyšuje vliv vnitřních zdrojů tepla a větrání (menší tepelné ztráty prostupem) [6]. Potřeba energie na větrání je dána požadovaným množstvím větracího vzduchu a klimatickými podmínkami. Protože systémy přirozeného větrání infiltrací neumožňuji regulovat množství větracího vzduchu, je vhodné řešit větrání nízkoenergetických obytných budov řízeným větráním, které může být buď integrováno s vytápěcím zařízením (teplovzdušné vytápění s ohřevem přiváděného vzduchu), nebo může být nezávislé (přívod čerstvého vzduchu např. regulovanými těrbinami ve fasádě). Z hlediska energetického se nabízí jako nejjednodušší opatření minimalizovat množství větracího vzduchu, nejsou však zcela jasně kvantifikována kritéria pro stanovení minimální výměny vzduchu, a proto je třeba s tímto postupem nakládat velmi obezřetně. Spotřeba energie větracím zařízením je pak dána způsobem řešení odvodu vzduchu z budovy. Jako vhodné se jeví použití zařízení na zpětné získávání tepla, které část energie obsažené v odváděném vzduchu vrací zpět do budovy. Rozdíl mezi tradičními a nízkoenergetickými budovami v oblasti větrání je v důrazu na řízené větrání, aplikaci zařízení na zpětné získávání tepla a sladění systémů vytápění a větrání, případně i ohřevu TUV, kam může být teplo z odváděného vzduchu akumulováno.

Zdroje tepla pro nízkoenergetické domy

Plyn
Rozdíl oproti tradičnímu řešení vzniká u objektů, kde potřebný výkon na vytápění celého objektu klesá pod cca 5 kW. Jde především o nízkoenergetické rodinné domy, etážové vytápění jednotlivých bytů či obdobně energeticky málo náročné objekty administrativní či průmyslové. V těchto případech jsou tradiční zdroje s výkony 12 kW a více z hlediska vytápění předimenzovány a pracují v režimu, který může způsobit nízkou účinnost zdroje a efekt snížení potřeby energie obálkou budovy může být znehodnocen zvýšenou spotřebou energie zdrojem. Pro zlepšení provozní účinnosti zdroje lze použít akumulaci tepla do vody. Jistě zajímavým řešením jsou zdroje nízkoteplotní kondenzační.

Biomasa
Využití biomasy ať ve formě dřeva, štěpky nebo pelet se stává stále zajímavějším a podporovaným způsobem řešení primárního zdroje energie. Hlavní předností je obnovitelnost tohoto zdroje a tím velmi pozitivní hodnocení z hlediska ekologické zátěže. Negativem může být manipulace s palivem, proměnné podmínky dodávky paliva v závislosti na lokalitě. Z technického hlediska je zdroj na biomasu pro malé nízkoenergetické objekty nepříliš vhodný, neboť ve větší míře než u spalování plynu zde vznikají problémy s požadavky na malé výkony. Navíc u zdrojů na biomasu nelze zatím počítat s nízkoteplotními zdroji, a tak je z hlediska technického řešení nutno řešit ochranu zdroje před nízkoteplotní korozí a velmi výhodné je zde použití akumulace tepla.

Elektrická energie
Elektrickou energii je možné pro vytápění objektů použít buď jako přímotopu, akumulačního vytápění, nebo prostřednictvím tepelného čerpadla. U nízkoenergetických objektů se paradoxně posouvá těžiště výhodnosti použití jednotlivých tarifů v poměru k investičním nákladům k přímotopu, neboť účinný zdroj, jakým je tepelné čerpadlo, má díky malé potřebě tepla malé využití a doba ekonomické návratnosti se neúměrně prodlužuje. I u tepelného čerpadla je vhodné použít vyrovnávací nádrž, která umožní čerpadlu pracovat v delších cyklech v konstantních podmínkách.

Solární energie
Podstata nízkoenergetického řešení objektů je nejen v kvalitní obálce budovy ale i ve schopnosti vytápěcího zařízení využít zisků solární energie. K tomu může docházet dvěma způsoby - pasivně a aktivně [6].

Pasivní způsob využití solární energie vychází ze skleníkového efektu místností, kdy vytápěcí zařízení musí být schopno poměrně rychle omezit svůj výkon v okamžiku slunečního svitu tak, aby nedoházelo ke zvýšení vnitřní teploty. Pokud vnitřní teplota stoupne, může dojít k opačnému efektu - uživatel otevře okno a zvýší tepelnou ztrátu místnosti, která se může ve svém důsledku projevit zvýšenou potřebou tepla na vytápění. Využití pasivní akumulace solární energie do stavebních konstrukcí je problematické z hlediska sdílení tepla z akumulační stěny. K tomu, aby bylo možné teplo akumulované v konstrukci využít, musí dojít v místnosti k poklesu teploty pod teplotu jádra akumulační konstrukce a teprve v tomto okamžiku začne konstrukce teplo uvolňovat.

Aktivní systémy, využívající různých typů solárních kolektorů, mohou být doplňkovým zdrojem pro vytápění vzhledem k omezené době a intenzitě slunečního svitu v otopném období. Vždy se bude jednat o systém s akumulací tepla, nejčastěji do vody. Při kalkulacích využitelnosti solárního záření je nutné vždy vzít v úvahu teplotní poměry v kolektoru a v prostředí, do kterého se energie má akumulovat. Použije-li se například bivalentní zásobník s elektrickým dohřevem nastaveným na teplotu 75 °C, bude tepla z kolektorů využito až v okamžiku, kdy teplota kolektorového okruhu překročí teplotu v zásobníku, k čemuž může docházet v zimním období při použití běžných kolektorů jen zřídka. Pro zajištění maximální účinnosti celého systému je nutné nalézt správnou kombinaci typu kolektoru, akumulátoru tepla a teplotních parametrů otopné soustavy. Při použití jednoduchých deskových solárních kolektorů je vhodné tepelnou energii akumulovat v teplotně stratifikovaném zásobníku a zvolit co nejnižší teplotu otopné vody. Při použití vakuových kolektorů, které pracují s vyšší teplotou, je možné použít jednoduššího klasického bivalentního zásobníku nebo vícestupňového ohřevu.

Otopné soustavy

Teplovodní vytápění
Odlišnost aplikace tradičního teplovodního vytápění v nízkoenergetických domech od běžných systémů spočívá v podstatně nižších instalovaných výkonech otopných ploch, požadavku na pružnější změnu výkonu při nahodilých vnitřních ziscích. Požadavek na pružnější chování soustavy je dán výraznějším podílem tepelných zisků na celkové tepelné bilanci vytápěné místnosti, kdy může vznikat požadavek na pružnou regulaci výkonu otopné plochy v rozmezí 0 až 100 %. Redukce vlivu umístění tělesa ve vytápěném prostoru na výsledný stav tepelné pohody je dána výrazně lepšími tepelně-technickými vlastnostmi obvodových stěn, jejichž důsledkem jsou vyšší povrchové teploty i na okenních výplních (požadavek na U hodnotu oken je u současných staveb až 1,2 W.m^-2K^-1).

Teplovzdušné vytápění
Systémy s plně cirkulačním provozem patří ke klasickým systémům teplovzdušného vytápění, používaným převážně v zahraničí. Srdcem tohoto systému je teplovzdušný agregát, na který je napojen rozvod vytápěcího vzduchu do jednotlivých místností bytu nebo domu. Zpětné nasávání cirkulujícího vzduchu je většinou v chodbě, transport vzduchu mezi obytnými místnostmi a chodbou je zajištěn netěsnostmi kolem dveří, případně větracími mřížkami ve dveřích. Tento systém neřeší větrání objektu, které se předpokládá přirozené infiltrací bez možnosti regulace v rámci vzduchotechnického zařízení. Z hlediska tepelné pohody se absence sálavé složky řeší vždy umístěním krbu v hlavní místnosti bytu nebo domu. Teplovzdušné vytápění integrované s řízeným větráním objektu představuje moderní koncepci, která je využitelná především v dobře zateplených objektech s nízkou potřebou energie na vytápění. Na rozdíl od systému s cirkulačním provozem je zde regulovaný přívod čerstvého vzduchu do systému, který zajišťuje hygienickou výměnu vzduchu v budově.

Příklady řešení energetických zdrojů nízkoenergetických domů

Na následujících příkladech jsou naznačeny možné způsoby řešení energetických zdrojů nízkoenergetických budov v objemu rodinných domů nebo bytů při různých variantách primárního zdroje energie.

Prezentovaná schémata jsou pouze ilustrativní a jsou určena k vysvětlení principu a v konkrétním případě pro řešení skutečného případu mohou být použita pouze autorizovanou osobou.

Příklad 1 - Klasický kotel s výkonem větším
než 4 násobek tepelné ztráty budovy, pouze vytápění

Zapojení umožňuje práci zdroje v optimálních podmínkách, přerušovaný chod zdroje s přestávkami v řádu dnů.

A0 - Zásobní nádrž pro vytápění
Z1 -Zdroj s minimální požadovanou teplotou vratné vody (biomasa, pevná paliva, běžný plynový kotel, kapalná paliva)

Příklad 2 - Klasický kotel s výkonem větším
než 4 násobek tepelné ztráty budovy, vytápění a průtočný ohřev TUV

Zapojení umožňuje práci zdroje v optimálních podmínkách a přerušovaný chod zdroje s přestávkami v řádu dnů. Průtočný ohřev TUV je ve srovnání se zásobníkovým příznivý z hlediska stagnace TUV (nebezpečí legionell).

A1 - Integrovaný zásobník pro vytápění a průtočný ohřev TUV
Z1 - Zdroj s minimální požadovanou teplotou vratné vody (biomasa, pevná paliva, běžný plynový kotel, kapalná paliva)

Příklad 3 - Bivalentní zdroj - např.kondenzační kotel v kombinaci
s vysokoteplotními kolektory. Teplovzdušné větrání a nízkoteplotní vytápění, průtočný ohřev TUV.

Použití vysokoteplotních kolektorů v kombinaci s nízkoteplotním zdrojem umožňuje plné využití objemu zásobníku.

Z2 - Zdroj nízkoteplotní (plynový kondenzační kotel, tepelné čerpadlo, elektrokotel)
Z4 - Solární kolektory teplovodní vysokoteplotní (vakuované, koncentrující)
A3 - Integrovaný zásobník pro vytápění a průtočný ohřev TUV s výměníkem solárního okruhu
S2 - Teplovodní otopná soustava nízkoteplotní
S4 - Teplovzdušné vytápění a větrání s rekuperací

Příklad 4 - Bivalentní zdroj - klasický kotel v kombinaci
s nízkoteplotními kolektory. Teplovodní vytápění, průtočný ohřev TUV.

Použití teplotně stratifikovaného zásobníku umožňuje využití nízkopotenciálního tepla kolektorů k předehřevu teplé vody.

Z1 - Zdroj s minimální požadovanou teplotou vratné vody (biomasa, pevná paliva, běžný plynový kotel, kapalná paliva)
Z3 - Solární kolektory teplovodní
A5 - Integrovaný teplotně stratifikovaný zásobník pro vytápění a průtočný ohřev TUV s výměníkem solárního okruhu
S1 - Teplovodní otopná soustava
S2 - Teplovodní otopná soustava nízkoteplotní

Závěr

Integrovaný přístup k řešení energetických systémů budov a stavebních konstrukcí je metoda, kterou lze snížit spotřebu energie stavby při nižších nákladech. Vedle vlastních technických zařízení zajišťujících vytápění a větrání budov je toto umožněno především prudkým vývojem v oblasti konstrukcí budov z hlediska tepelně-technických vlastností a rozvojem systémů pro inteligentní řízení budov, které umožňují zajistit vazbu mezi jednotlivými subsystémy a harmonizovat chod celé budovy [8]. Při vyhodnocování budov z hlediska spotřeby energie se stále více v poslední době prosazuje rozšíření pohledu na energetickou náročnost o LCA (life cycle asessment), který dává úplnější pohled na celý životní cyklus zařízení a jeho vliv na životní prostředí.

Použité zdroje:
[1] Vyhláška MPO 291/2001 Sb., kterou se stanoví účinnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách
[2]ČSN 73 0540 (2002) Tepelná ochrana budov
[3] ŠMERÁK, V.: Energetický projekt 02. Stavební listy 1/2003, ročník IX, ISSN 1211-4790
[4] ČSN 06 0210 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.: Teplovzdušné vytápění nízkoenergetických domů, Topenářství - instalace, 4, 2001, s. 58-63, ISSN 1211-0906, Technické vydavatelství Praha, spol. s r.o.
[8] RENNIE, D., PARAND, F.: Environmental design guide, 1998 BRE, Watford.