Energeticky úsporný rodinný dom

Zastavaná plocha rodinného domu spolu so zimnou záhradou je 135 m². Obytná plocha je približne 240 m², vrátane podkrovia.
Obvodové múry tvoria porézne dierované tehly o hrúbke 45 cm, spájané perlitovou maltou. Navyše z interiérovej strany sú obložené 25 mm hrubou vrstvou heraklitových dosák. Strecha je zaizolovaná 250 mm hrubou vrstvou minerálnej izolácie, pričom medzi krovami je 150 mm a pod krovami 100 mm a z interiérovej strany je prekrytá sádrokartónovými doskami. Pod podlahami na prízemí je 150 mm a na podkroví 70 mm hrubá vrstva tvrdého polystyrénu. Na oknách včítane zimnej záhrady sú použité izolačné dvojsklá plnené argónom s antireflexnou vrstvou.

Celkový pohľad na RD s vákuovými plochými slnečnými kolektormi Heliostar 400 V
integrovanými do strešného plášťa a fotovoltaické panely
umiestnené v predĺžení strechy skleníka.

Na sedlovej streche orientovanej na juho-juho-západ je umiestnených 28 m² plochých vákuových kolektorov Heliostar 400 V. Prebytky tepla v lete sú využívané na ohrev exteriérového bazéna, prípadne sa odvádzajú do zemného kolektora tepelného čerpadla.
Deficit slnečného žiarenia v zimnom období sa pokrýva tepelným čerpadlom zem-voda. Zdrojom nízkopotenciálového tepla pre tepelné čerpadlo je jednak zemný kolektor (rúrky v zemi) a jednak nízkopotenciálové teplo zo slnečných kolektorov. Rúrky zemného kolektora sú uložené v navezenej vlhkej ílovitej pôde bez prístupu spodnej vody.

Oba zdroje tepla, slnečné kolektory i tepelné čerpadlo sú napojené na centrálny zásobník tepla. Je to zaizolovaná sklolaminátová nádrž o výške cca 6 m a objeme 5000 l, ktorá prechádza približne stredom domu oboma podlažiami. V osi zásobníka je umiestnená stratifikačná rúra, do ktorej je zaústený výstup zo slnečných kolektorov i tepelného čerpadla. Vďaka nej sa vstupujúca voda o danej teplote nemieša s vodou v zásobníku, ale ukladá sa podľa teploty v jednotlivých horizontoch. Voda s nižšou teplotou prúdi do spodných častí zásobníka, s vyššou teplotou do vrchných (stratifikácia). TÚV sa získava z 250 l bojlera, ktorý je umiestnený nad centrálnym zásobníkom tepla a je s ním gravitačne prepojený. Toto riešenie umožňuje ohrev TÚV bez nárokov na reguláciu. Vďaka relatívne malému objemu bojlera TÚV je vylúčené nebezpečné poškodenie zdravia legionelami. Prípadný dohrev TÚV zabezpečuje elektrická špirála v hornej časti bojlera zo zabudovaným termostatickým spínačom. Odber vody o vhodnej teplote do vykurovacieho systému riadia dva elektroventily ovládané regulátorom umiestnené v rôznych výškach centrálneho zásobníka tepla.
Odber vykurovacej vody zo zásobníka sa začína vždy z nižšieho, chladnejšieho horizontu cez ventil V2, iba v prípade, že teplota vykurovacej vody je nižšia ako požadovaná, regulátor uzavrie ventil V2 a otvorí ventil V1, ktorý je umiestnený vo vyššom teplejšom horizonte zásobníka tepla. Teplota vykurovacej vody sa riadi podľa vonkajšej teploty (ekvitermická regulácia). Individuálne teploty sa dajú nastaviť v každej miestnosti termostatickými ventilmi stenového vykurovania. Stenové vykurovanie je súčasťou všetkých obvodových stien domu. Má malú tepelnú zotrvačnosť a preto je ním možné rýchlo regulovať tepelný príkon. Dobre sa dopĺňa s podlahovým vykurovaním, ktoré je nainštalované na celom prízemí ako aj v kúpeľni na prvom podlaží. Pretože je súčasťou masívnych keramických podláh, má naopak značnú tepelnú zotrvačnosť a predstavuje tak prakticky dodatočný tepelný akumulátor.

Ďalšou výhodou takto koncipovaného vykurovacieho systému je možnosť zabezpečenia potrebného vykurovacieho výkonu i pri veľmi nízkych teplotách vstupnej vody. To zvyšuje účinnosť práce slnečných kolektorov i tepelného čerpadla pri zaistení veľmi dobrej tepelnej pohody obyvateľov domu.
Všetky obehové čerpadlá sú napojené cez menič prúdu na elektrický akumulátor o kapacite 2 x 125 Ah, ktorý je pripojený na fotovoltaické panely o výkone 660 Wp.
Večer alebo v období nízkeho výkonu fotovoltaiky sa systém automaticky prepne na vonkajšiu el. sieť. Toto riešenie popri úspore el. energie na pohon čerpadiel zabezpečuje aj úplnú nezávislosť solárneho systému od vonkajších energetických zdrojov, pretože v dobe najvyššej intenzity slnečného žiarenia je aj výkon fotovoltaických panelov najväčší.

Záložný zdroj el. energie ďalej umožňuje:

1. pracovať s nižšími tlakmi v primárnom solárnom okruhu bez nebezpečia vyvarenia teplonosnej kvapaliny v kolektore v prípade výpadku obehového čerpadla. Nízky tlak a vylúčenie vysokých teplôt umožňuje aj priame spojenie solárneho okruhu s plastovými rúrkami zemného kolektora tepelného čerpadla.
Práca bez výmeníka tepla výrazne zvyšuje účinnosť prenosu nízkopotenciálneho solárneho tepla v zimnom období do zemného kolektora, z ktorého potom počas noci tepelným čerpadlom sa dá efektívnejšie transformovať na vyšší využiteľný teplotný potenciál. Naopak, v zimnom období teplota teplonosnej kvapaliny vystupujúcej zo zemného kolektora a vstupujúcej do slnečných kolektorov býva okolo bodu mrazu. Za týchto podmienok je účinnosť i doba prevádzky a teda aj výkon slnečných kolektorov podstatne vyšší ako pri práci v štandardných podmienkach.
Je treba zdôrazniť, že na takýto spôsob práce sú vhodné iba vákuové kolektory. Iba tu nedochádza ku kondenzácii vodných pár v kolektore v prípade, že teplota absorbéra je nižšia ako teplota okolia.
2. predĺžiť interval výmen, prípadne vôbec nevymieňať teplonosnú kvapalinu. Je známe, že životnosť teplonosných kvapalín a najmä inhibítorov korózie v nich obsiahnutých, je závislá hlavne od frekvencie a stupňa ich prehrievania v slnečných kolektoroch. Pre daný účel však nebola vhodná v solárnych systémoch štandardne používaná teplonosná kvapalina na báze propylénglykolu, pretože pri teplotách pod bodom mrazu má príliš vysokú viskozitu. Tento nedostatok bol čiastočne eliminovaný použitím teplonosnej kvapaliny, ktorej základnou zložkou bol mravčan draselný.

Elektronický regulátor má program, ktorý v prípade zvýšenia intenzity slnečného žiarenia v priebehu dňa umožní návrat z nabíjania spotrebiča s nižšou teplotnou úrovňou na spotrebič s vyššou teplotnou úrovňou, napríklad v lete z bazéna na zásobník tepla, resp. v zime zo zemného kolektora na zásobník tepla.

Vďaka relatívne veľkému objemu centrálneho zásobníka tepla a malým tepelným stratám rodinného domu tepelné čerpadlo pracuje iba v noci a spotrebováva lacnejší tzv. nočný prúd. V rodinnom dome sú ešte ďalšie dva doplnkové zdroje tepla. Kozub v obývacej izbe slúži hlavne na občasné spríjemnenie zimných večerov. Elektrický kotol umiestnený v hornej časti centrálneho zásobníka tepla je 100 % poistkou pre prípad zlyhania ostatných zdrojov tepla. Zjednodušená hydraulická schéma celého energetického systému domu je na obr. 1.

Obr. 1 - Zjednodušená hydraulická schéma celého energetického systému domu

Rodinný dom využíva hlavne na jar a jeseň teplo zo zimnej záhrady. Aby táto bola obývateľná aj v lete, popri prirodzenej vertikálnej výmene vzduchu v dolnej časti a v streche sú presklené plochy zimnej záhrady clonené popínavými listnatými rastlinami. Na jeseň listy opadajú a šikmé zimné slnečné lúče nerušene môžu vnikať do interiéru zimnej záhrady a čiastočne aj do obývacích priestorov rodinného domu.

Hoci systém zásobovania rodinného domu teplom bol kompletne ukončený až koncom roku 2003, pohybovala sa v uplynulých rokoch spotreba energie na vykurovanie a prípravu TÚV na úrovni 8000 kWh/rok. V lete r. 2003 bola pripojená fotovoltaika a do konca roku 2003 bolo pripojené i tepelné čerpadlo.

Dá sa predpokladať, že ročná spotreba elektrickej energie nakupovanej z verejnej siete na účely prípravy TÚV a vykurovanie klesne pod 2500 kWh/rok.

Poznámka na záver
Treba si uvedomiť, že z hľadiska výšky merných investičných nákladov na jednotku získaného tepla kombinácia solára s tepelným čerpadlom nie je obvykle tým najlepším riešením.
Samostatné soláro resp. samostatné tepelné čerpadlo doplnené plynovým alebo elektrickým dohrevom prípadne kotlom na biomasu sú z hľadiska investičných nákladov vo väčšine prípadov výhodnejším riešením.
Na druhej strane však budú špecifické prípady, kde kombinácia solára a tepelného čerpadla môže byť zmysluplná, hlavne tam, kde je väčšia spotreba tepla aj v letnom období (napr. exteriérový bazén pri rodinnom dome alebo priemyselné teplo). Aké vysoké budú merné investičné náklady, bude do značnej miery závisieť aj do kvality projektu.