Stavíme energeticky úsporný dům (X) - Mikroklima nízkoenergetických budov, rekuperace, teplovzdušné vytápění

Historický vývoj

V celé historii středoevropských obytných staveb bylo zajištěno jejich vytápění a větrání výhradně lokálními zdroji (pece, krby, kamna) umístěnými v jednotlivých místnostech. Tyto topné zdroje spolu s netěsnými okny vytvářely po dlouhá staletí v budovách plně funkční systém vytápění a větrání, kdy intenzita výměny vzduchu byla závislá na provozu topného zdroje.

I v době odstávky pak zajišťoval trvalý aerační odtah v teplých vnitřních komínech dostatečnou intenzitu podtlakového větrání. Místnosti sociálních zařízení se větraly okny do fasády, nebo do velkorozměrných vnitřních světlíků činžovních domů.

Tyto systémy, provozované nárazově, fungovaly bezpečně, s výjimkou několika extrémních letních dnů, kdy docházelo ke zpětným tahům.

Lokální zdroje zajišťovaly výrazně sálavou složku tepla, která byla nezbytná pro eliminaci "studeného sálání" nedostatečně izolovaných obvodových stěn.

Až v průběhu 20. století se začínají masivně prosazovat ústřední teplovodní systémy vytápění, kdy se kotel ústředního vytápění instaluje nejprve v bytě a až následně do sklepů, mimo obytné prostory. Tím však dochází k radikální změně mikroklimatických podmínek. Při nezměněných tepelných parametrech poddimenzovaných obvodových konstrukcí totiž citelně chybí sálavá tepelná složka, neboť přenos tepla tělesy ústředního vytápění je nyní převážně konvektivní, a pro dosažení tepelné pohody je nutno místnosti výrazně přetápět. Současně se silně omezuje i původní trvalý přívod vzduchu do místností a při nezměněném chování obyvatel (sušení prádla v bytě, vaření bez digestoře, neodvětrané plynové sporáky) a při následném dodatečném utěsnění oken dochází k masivnímu výskytu plísní na chladném povrchu nevyhovujících obvodových stěn, často s výraznými tepelnými mosty.

V ojedinělých případech byly navrženy i teplovzdušné otopné soustavy se samotížným okruhem od kotle v suterénu. Ve většině případů však nemohly zajistit požadovaný komfort, neboť nebyly vybaveny filtry a roznášely prach, vyžadovaly velké průřezy vzduchovodů a vznikaly problémy s přenosem hluku. Regulace těchto systémů, kdy zdroj tvořil většinou kotel na tuhá paliva, nebyla prakticky možná.

Zahraniční koncepce vytápění a větrání

V řadě vyspělých zemí (USA, Kanada, Skandinávie) se prakticky standardně používají moderní teplovzdušné systémy vytápění s nucenou cirkulací, účinnou filtrací, případně s chlazením a dokonalou regulací. Topné medium - teplý vzduch s teplotou do 40°C - je od vzduchotechnické jednotky rozváděn potrubním systémem do každé obytné místnosti podlahovými mřížkami, pod dveřmi bez prahů se odvádí do chodeb a přes centrální sací mřížku se nasává zpět k jednotce, kde se filtruje a ohřívá na teplovodním nebo plynovém registru.

Vlastní výměna vzduchu byla v minulosti zajištěna infiltrací oken, potom přívodním potrubím z vnější žaluzie do sacího okruhu a teprve v poslední době přes samostatnou rekuperační jednotku (obr. 1). Odvětrání sociálních zařízení se navrhovalo původně s odděleným odsáváním, u současných moderních systémů již přes centrální rekuperační jednotku (obr. 2).

Obr. 1 - Zahraniční instalace rekuperační jednotky do cirkulačního systému
teplovzdušného vytápění (firma Lifebreath, Kanada) - samostatné odvětrání sociálních zařízení

Obr. 2 - Zahraniční instalace rekuperační jednotky do cirkulačního systému
teplovzdušného vytápění (firma Lifebreath, Kanada) - včetně odvětrání sociálních zařízení

I přes dokonalé zateplení, které zaručuje minimální gradienty teplot vzduchu a vnitřního povrchu stěn, je standardně u těchto zahraničních koncepcí rodinných domů navrhována krbová vložka, spíše však z psychologických než praktických důvodů.

Současné problémy mikroklimatu obytných budov

Při obecném trendu zdražování energií se samozřejmě zpřísňují i požadavky na energetickou náročnost budov, která se dominantně podílí na celkové spotřebě energií vyspělých zemí.

Výrazně se zvyšující tepelné odpory konstrukcí a dokonalé utěsnění všech spár budov však přináší řadu dříve neznámých problémů. Dle zkušeností s novými úspornými domy v SRN dochází k potížím při zaregulování běžných teplovodních soustav s velmi nízkými výkony a povrchovými teplotami a současně k masovému výskytu plísní. Realizované systémy řízeného podtlakového větrání, kde je přívod z fasád řešen okenními a podokenními štěrbinami a odtah ventilátory v sociálních zařízeních, neakceptují uživatelé pro pocit průvanu a v topném období štěrbiny nezodpovědně ucpávají, čímž spolehlivě vyřadí z funkce i celý větrací systém hermeticky utěsněného bytu.

Novější řešení v SRN tedy prosazují malé vzduchotechnické jednotky s rekuperací tepla pro rovnotlaký odtah i přívod vzduchu umístěné nad kuchyňskou linkou. Zkušenosti z provozu jsou výrazně lepší, problémem však zůstává nedostatečné provětrání všech koutů místností při nízkém množství přiváděného vzduchu, nevyhovující obrazy proudění a také akustické přeslechy mezi obytnými místnostmi.

Při velmi nízkých transmisních ztrátách těchto úsporných bytových objektů (výpočtová ztráta bytu Q_max = 1 - 1,3 kW) dochází k přehřívání často i v topném období při krátkodobém oslunění. V letním období se pak problémy dále zvyšují, zvlášť při přívodu větracího vzduchu z osluněných fasád.

Parametry nových staveb v ČR

Jsou charakterizovány výrazným zlepšením tepelných vlastností budov novou normou ČSN 730560 - 2 přibližující ČR zahraničním normám. Pro nízkoenergetické domy jsou dále doporučená další snížení hodnot až o 50 % a zde již jsou podstatné ostatní parametry tj. A/V a dokonalá těsnost pro dosažení spotřeby tepla pro vytápění do 35 kWh/m²/rok. U pasivních domů jsou dále požadovány hodnoty U ≤ 0,1 W /m²K s limitem 0,3 W/m²K (tj. 10 W/m² pro t_e = - 12°C) a ročním limitem do 15 kWh/m²/rok (podle ČSN EN 832). Pro jednotlivé místnosti pak ztráty nepřesáhnou 120 - 200 W, celý běžný dům pak 1,5 kW. Je pak otázkou, čím vůbec tyto domy vytápět a hlavně chladit. Dnešní požadované parametry těsnosti domu n = 0,6 - 0,9 (h^-1) při Δp = 50 Pa zjišťované tzv. Blower door testem dle ČSN EN 13829 posouvají těsnost do dříve nepředstavitelných hodnot, při požadavku prakticky nulové infiltrace oken a hermetizace všech spár.

O tom, že tyto požadavky budou zásadou v EU, svědčí i fakt, že v SRN budou zavedeny tyto hodnoty pro novou výstavbu jako závazné již od roku 2005.

Často diskutovaným problémem je dimenzování výkonu vzduchotechnického systému pro zajištění požadovaných hygienických parametrů. Obecně uznávanou hodnotou je tzv. Pettenkoferovo kriterium, které stanoví optimální hodnotu 0,1% CO₂ (tj. 1,0 l/m³ = 1000 ppm = 1800 mg/m³) ve vnitřním ovzduší jako indikátoru znečištění vzduchu lidskými odéry. Při běžné produkci 16 až 20 l CO₂/h/os a venkovní koncentraci 0,03 % CO₂ (tj. 0,3 l/m³ = 300 ppm = 540 mg/m³) vychází nutné množství čerstvého vzduchu na osobu:



Pro částečně adaptované osoby v obytných budovách však lze uvažovat zcela akceptovatelné snížení kvality vzduchu až na hodnotu 0,15 % CO₂ (tj. 1500 ppm = 1,5 l/m³). Potom vychází nutné množství čerstvého vzduchu:

Tato hodnota však již nezajišťuje pro běžnou 4-člennou rodinu požadované množství vzduchu nutné pro odvětrání sociálních zařízení podle DIN 1946-2 (WC = 40 m³/h; koupelna = 60 m³/h; kuchyň = 60 m³/h) a je nutno řešit problematické lokální zvýšení výkonů těchto odsávání při jejich využívání.

Obdobně dochází k hygienickým problémům při nárazovém využívání menších uzavřených obytných místností větším počtem obyvatel, kdy ani řízený přívod vzduchu již nevyhovuje z hlediska hygienického.

Integrovaný systém teplovzdušného vytápění a řízeného větrání nízkoenergetických budov

Z předchozích úvah je zřejmé, že v nové racionální výstavbě nízkoenergetických domů již není možné zajistit požadované hodnoty tepelně - vlhkostního a odérového mikroklimatu dnes běžnými způsoby a je nutné přikročit k uplatnění zcela nových systémů.

Legenda: 1 - cirkulační a čerstvý vzduch do obytných místností A - vytápěcí a větrací jednotka DUPLEX RD 2 - venkovní vzduch přiváděný zemním registrem B - integrovaný zásobník tepla IZT 950 3 - odpadní vzduch z WC, koupelny, kuchyně C - dřevokotel zplynovací 4 - cirkulační vzduch z místností do VZT jednotky D - zemní registr 5 - výfuk odpadního vzduchu po rekuperaci E - solární vakuové kolektory Obr. 3 - Systém teplovzdušného vytápění a větrání s rekuperací tepla a zemním registrem

Obr. 4 - Systém rozvodů teplovzdušného vytápění a větrání v rodinném domě

V ČR byl firmou Atrea s.r.o. vyvinut a je od roku 2000 hromadně dodáván pro moderní rodinné domy kompletní stavebnicový systém teplovzdušného vytápění a větrání s rekuperací tepla a chlazení zemním registrem. Princip moderního a ekonomického systému spočívá v dvouzónovém uspořádání okruhů vzduchotechnických rozvodů v rodinném domě (obr. 3, 4).

• primární okruh zajišťuje cirkulační teplovzdušné vytápění, zároveň s řízeným podílem čerstvého vzduchu a rekuperací tepla s přívodem podlahovými mřížkami do každé obytné místnosti
• sekundární okruh zajišťuje zcela oddělené odvětrání sociálních zařízení a kuchyní, s rekuperací tepla

Obr. 5 - Vzduchotechnická dvouzónová jednotka DUPLEX RD

Obr. 6 - Provozní režimy dvouzónové jednotky DUPLEX RD (po kliknutí se obrázek zvětší)

Oba okruhy vzduchotechnických rozvodů jsou vyústěny do společné vzduchotechnické jednotky DUPLEX RD (obr. 5). Podle zvoleného programu na regulátoru pak zajišťuje jednotka v 5-ti režimech celoročně požadavky na mikroklima domu (obr. 6):

1. rovnotlaké větrání s rekuperací tepla
2. teplovzdušné cirkulační vytápění a rovnotlaké větrání s rekuperací
3. teplovzdušné cirkulační vytápění (bez větrání)
4. podtlakové větrání sociálních zařízení s přívodem předehřátého vzduchu
5. přetlakové letní větrání, případně chlazení s přívodem vzduchu přes zemní registr

Technické řešení a funkce vzduchotechnického systému

• cirkulační a čerstvý vzduch do obytných místností se společně rozvádí z centrální rozdělovací podlahové komory jednotlivými plochými vzduchovody z pozinkovaného plechu rozměru 200 x 50 mm, uloženými v tepelně - izolační vrstvě podlahy těsně pod nášlapnou vrstvou. Vyústění rozvodů přes podlahové vyústky s regulací do místnosti se doporučuje vhodně pod okny pro eliminaci chladu, a proti případnému zastavění nábytkem. Tímto centrálním systémem se vylučují akustické přeslechy mezi obytnými místnostmi.
  
  
• cirkulační vzduch z jednotlivých místností se odvádí pod dveřmi bez prahů do předsíně, či chodby, odkud se odsává stěnovou mřížkou pod stropem do svislých vzduchovodů a odvádí zpět k jednotce.
  
  
• v jednotce se cirkulační a čerstvý vzduch filtruje na filtru G4 s účinností až 94 %, ohřívá na teplovodním registru a radiálním pomaloběžným ventilátorem (s nastavitelným příkonem 50 až 110 W) se rozvádí přes rozdělovací komoru s tlumičem hluku zpět do obytných místností.
  
  
• v jednotce se do cirkulujícího vzduchu současně přimísí v nastavitelném poměru čerstvý vzduch, který se přivádí z fasády nebo zemního registru přes předfiltr a předehřívá v rekuperačním výměníku s účinností až 80 % (alter. až 91 %).
  
  
• odpadní vzduch ze sociálních zařízení a vodní pára z kuchyní se trvale, případně s nárazovým zvýšením, odvádí odsávacími ventily s regulací a potrubními kruhovými rozvody průměru 100 až 160 mm přivádí k jednotce. Tyto rozvody se osazují do stropů nebo podstropních zákrytů. V rekuperačním výměníku se předává teplo čerstvému vzduchu a po ochlazení se odpadní vzduch odvádí menším větracím ventilátorem přes fasádní žaluzie do atmosféry.
• odsávací digestoře nad sporáky se navrhují jako cirkulační s uhlíkovými filtry pro zachycení pachů, s nastavitelným výkonem 150 až 550 m³/h.
  
  
• regulaci vzduchových výkonů a tím i teplot v jednotlivých místnostech zajišťují ručně ovládané klapky v podlahových vyústkách rozměru 250 x 100 mm.
  
  
• zvýšení teploty v koupelnách se řeší instalací topných žebříků s teplovodním nebo elektrickým ohřevem, případně instalací podlahového vytápění (např. topné folie).
  
  
• při max. výkonu přivádí standardní podlahová vyústka 250 x 100 mm až 90 m³/h vzduchu, tj. při spádu 45/20°C topný výkon až 700 W.
  
  
• v řadě realizací byl realizován zemní registr pro přirozené letní klimatizování budovy. Jedná se o potrubí z hladkých, hermeticky těsných PVC trub Ø 200 mm v délce cca 20 m, uložené v hloubce 1,8 - 2 m pod terénem, kterým se přivádí vzduch k jednotce maximálním výkonem cirkulačního ventilátoru tj. 700 - 1100 m³/h. Bylo ověřeno, že v podloží zavodnělých jílů se v létě přiváděný vzduch + 30°C v registru ochlazuje až na + 18°C, a tím udržuje teplotu v interiéru max. 24 - 25°C. V zimním období se naopak přiváděný mrazivý vzduch - 15°C předehřívá až na + 6°C, zamezuje tak zamrzání rekuperačního výměníku jednotky a snižuje spotřebu tepla pro ohřev. Celková účinnost rekuperace se přitom zvyšuje až na 92%.

Výhody teplovzdušných systémů s centrálním větráním

• jediný systém pro vytápění, větrání, chlazení, rekuperaci tepla a odsávání sociálních zařízení.
• úspora nákladů na rozvody a tělesa teplovodního ústředního vytápění a odsávací ventilátory sociálního příslušenství.
• sloučení funkcí cirkulačního vytápění a nezávisle řízeného větrání s rekuperací tepla do jediného agregátu vzduchotechnické jednotky.
• záruka hygienicky nutných trvalých výměn vzduchu v domě s možností řízeného nárazového zvýšení.
• úspora až 90 % nákladů na větrání.
• rychlý zátop s pružnou regulací teploty.
• dokonalá filtrace cirkulačního a větracího vzduchu a tím i celkové snížení prašnosti v domě.
• společným systémem podlahových plochých potrubí se v domě rozvádí teplonosné médium (cirkulační vzduch) zároveň se vzduchem větracím.
• možnost instalace elektropolarizačního filtru.
• možnost integrace solárních vzduchových systémů (vzduchových kolektorů a okenních kolektorů) do vzduchotechnických rozvodů.
• vyloučení vzniku plísní.
• účinné letní noční "předchlazení" interiéru.
• využití všech energetických zisků v domě z provozu domácnosti pro předehřev větracího vzduchu rekuperací.
• využití solárních zisků z osluněných oken, případně teplovzdušného krbu s okamžitým přenosem tepla do ostatních neosluněných místností.
• instalací zemního potrubního registru se přiváděný větrací vzduch v zimě účinně předehřívá a v létě ochlazuje.
• dokonalou cirkulací se využívá objemu vzduchu v celém domě (zvlášť u minimálně obsazených nebo trvale nevyužívaných domů a bytů s částečnou neodstranitelnou infiltrací vzduchu netěsností stavebních konstrukcí).
• podlahové rozvody výhodně zvyšují povrchovou teplotu podlahových nášlapných vrstev.
• rovnotlaký systém větrání vylučuje problémy zvýšené infiltrace ve spárách objektu při podtlakovém větrání.

Zkušenosti z provozu

Souhrnné zkušenosti s uplatněním teplovzdušných systémů u více než 70-ti realizací v ČR u různých typů objektů jsou velmi dobré. Uživatelé hodnotí především kvalitu vzduchu v domě, rovnoměrné klima, výrazné snížení prašnosti (!), účinek zemního registru i převod solární zátěže do neosluněných místností a možnost vytápět krbem prakticky celý dům, bez nutné instalace dalších potrubních rozvodů.

V interiéru se dále oceňuje úplně volný prostor bez těles ústředního vytápění, hlavně při obvyklém požadavku spuštění okenních záclon až k podlaze, a v případech souvislých kuchyňských linek.

Nízkoenergetický experimentální dům Koberovy

Koncem roku 2001 byl uveden do provozu nízkoenergetický dům v Koberovech u Železného Brodu, ve kterém byla použita řada experimentálních technických zařízení a systémů:

• nadstandardní tepelně - technické parametry všech obvodových konstrukcí progresivní dřevostavby RD Rýmařov:

  obvodové stěny	R = 6,6 m2 K W-1
  stropy podkroví	R = 7,6 m2 K W-1
  okna Heat Mirror	U = 0,7 W m-2 K-1

• precizně realizovaná parotěsná zábrana, zajišťující vzduchotěsnost objektu nižší než n = 1,0 /h^-1/ při zkušebním podtlaku Δp = 50 Pa
• optimalizovaná konstrukce obvodových panelů s přerušenými tepelnými mosty
• nekonvenční teplovzdušné vytápění s integrovaným větráním s rekuperací tepla
• sezónní přívod větracího vzduchu přes zemní registr (klimatizace)
• vzduchový solární okenní kolektor
• akumulační zásobník vzduchového solárního systému jako zdvojená středová zeď objektu lehké dřevostavby s dynamickým nabíjením cirkulujícím vzduchem
• integrovaná krbová vložka jako bivalentně - akumulační topný zdroj vestavěný do akumulační zdi s automatickým přepínáním režimu provozu
• vodní solární systém vakuových kolektorů s velkoobjemovou akumulací s trivalentním energetickým zásobením
• průtočný ohřev teplé užitkové vody v zásobníku topné vody IZT s výraznou teplotní stratifikací

Systém teplovzdušného vytápění a větrání s rekuperací realizovaný v objektu vytváří zcela rovnoměrně tepelně - vlhkostní mikroklima při okamžitém transferu solární zátěže z osluněných průčelí do všech místností.

V letním období extrémních venkovních teplot vyšších než 30°C zajišťuje přívod chlazeného vzduchu zemní registr složený ze dvou větví potrubí Ø 200 mm v délce 22 m, uložených v jílovém podloží. Vzduchotechnická dvouzónová jednotka Duplex RD 2000 se přepíná do přetlakového režimu s maximálním výkonem 760 m³/h a přivádí vzduch až o 8°C chladnější do všech prostor domu. Tím se výrazně zvyšuje tepelná stabilita objektu, kdy i v extrémních letních podmínkách nepřestoupila vnitřní teplota vzduchu hodnotu 25,5°C. I při dlouhodobém provozu této přirozené klimatizace nebyl zaznamenán výraznější pokles chladicího účinku zemního registru, neboť pracuje prakticky v ideálních podmínkách zavodnělého jílu v hloubce přes 2 m.

Výrazně se pro stabilizaci teplotních poměrů lehké dřevostavby v letním období uplatňuje dále vnitřní zdvojená akumulační zeď, která při celkové hmotnosti přes 19 t vykazuje akumulační schopnost 5,8 kWh/K.

Solární jižní průčelí objektu tvoří vzduchový solární okenní kolektor plochy 16 m², výšky 5,6 m sestavený z vnějšího zasklení Ditterm (U = 1,1 W m^-2 K^-1) a vnitřního zasklení Heat Mirror s mezilehlou reflexní folií s hodnotou U = 0,7 W m^-2 K^-1 ("tepelné zrcadlo"). Vzduch nuceně cirkulující v dutině mezi zasklením se ohřívá při výrazně selektivní tepelné propustnosti "g" obou zasklení a je ventilátorem vháněn do labyrintu zdvojené akumulační zdi, kterou zevnitř nahřívá. Na vnějším povrchu zdi se potom zvýšení teploty vhodně projeví až s určitým časovým odstupem ve večerních hodinách. Spínání chodu ventilátoru je řešeno termostatem podle teploty v horní části kolektoru (nastavení na 25°C).

Jako doplňkový (bivalentní) záložní zdroj tepla je do akumulační zdi vestavěna krbová jednoplášťová vložka s maximálním topným výkonem 12 kW. Originální konstrukce zakrytování s dvěma uzavíracími klapkami se servopohonem zajišťuje automatické přepnutí režimu vytápění ze standardní prostorové cirkulace na uzavřený hypokaustenický okruh přes zdvojenou zeď s mimořádně vysokou akumulační schopností.

Lehce demontovatelný kryt vložky umožňuje jednoduché čistění povrchu krbové vložky, což je v běžných instalacích klasicky obezděných vložek vyloučené a dochází k zdravotně závažnému termickému přepalování usazeného prachu na povrchu vložky s teplotou přes 180°C a následnému přenosu škodlivin do cirkulujícího vzduchu.

Pro sezónní ohřev teplé užitkové vody jsou ve střeše objektu instalovány integrované solární vakuové kolektory fy Thermosolar s plochou 6,8 m². Jsou osazené ve sklonu 38°, s odchylkou 7°na JJZ a zajišťují přípravu TUV a ohřev vnitřního bazénu pro dvoučlennou domácnost v období duben až říjen prakticky bez dalšího dohřevu.

Akumulaci solárních zisků zajišťuje integrovaný zásobník tepla v topné vodě IZT obsahu 950 l, s vestavěnou vložkou solárního výměníku, elektrospirálami záložního ohřevu a horní vložkou průtočného ohřevu TUV. Zároveň je do IZT 950 připojen zplynovací dřevokotel. Tím se zásobník stává trivalentním energetickým zdrojem s výrazným rozvrstvením teploty po výšce velkokapacitní nádrže (obr. 7). Automatické řízení solárního systému zajišťuje jednotka WILO - Star Control v kombinaci s plynule nastavitelnými otáčkami oběhového čerpadla WILO.

Obr. 7 - Celkové energetické schéma

Podle řady měření ve třech úrovních po výšce zásobníku H = 2000 mm se běžný gradient teplot topné vody ustálí na hodnotě 15° až 18°C. Zásadním přínosem zvětšeného akumulačního objemu zásobníku je pak zvýšení bezpečnosti proti přehřátí, vysoká tepelná kapacita při překlenutí období bez přímého slunečního svitu a vyšší účinnost solárního systému při ohřevu výrazně chladnější spodní části zásobníku.

Zcela progresivně je řešen vlastní ohřev teplé užitkové vody průtočným způsobem ve vestavěné horní spirálové vložce, s účinným povrchem 5,1 m² (obr. 7). Při maximálním průtoku 8 l/min (sprcha) zajišťuje vložka trvalý ohřev TUV se spádem cca 5°C, což bezpečně vykrývá požadovaný odběr pro domácnost i při ekonomicky výhodné nižší teplotě topné vody v zásobníku 40° - 45°C. Zásadním přínosem průtočného ohřevu TUV je vyloučení rizika výskytu bakterie Legionella Pneumophila a usazenin agresivních kalů, které jsou průvodním jevem u všech klasických zásobníků.

Energetický systém celého domu je trvale monitorován digitální ústřednou COMET se 16-ti výstupy.