Využití různých systémů elektrického vytápění

V poslední době se často diskutuje v občanské i podnikatelské sféře o otázkách vhodnosti využití elektřiny pro vytápění a ohřev vody, a to jak v nových stavbách, tak při přechodu z dosavadního používání pevných paliv. Tento zájem je podporován jednak stávající relativně velmi nízkou cenou elektřiny pro vytápění, jednak vyplývá ze snahy regionů, měst a řady obcí radikálně ozdravit ovzduší přechodem na vytápění ušlechtilými palivy - plynem či elektřinou.

Názory občanů a investorů jsou přitom ovlivňovány převážně dostupností zdrojů tepla a informací v daném místě, závislými na zaměření prodejců, projektantů i dodavatelských a montážních firem. Cílem tohoto příspěvku je proto poukázat v obecné rovině na možnosti využití elektřiny pro vytápění v souvislosti s některými technickými a ekonomickými vlivy na další rozvoj tohoto segmentu spotřeby elektřiny.

Především je nutno zdůraznit, že rozvoj elektrického vytápění a přípravy teplé užitkové vody na stávající úrovni je potřebný v návaznosti na řešení ekologických problémů některých našich lokalit, ale přes určitá ekonomická zvýhodnění při uplatnění elektrotopných spotřebičů je vhodné zvážit i to, že tato nejušlechtilejší forma energie bude patrně v budoucnu také energií nejdražší. Eliminovat tento handicap mohou jen zásadní opatření v tepelné izolaci elektricky vytápěných prostor, případně v samotném topném režimu. Již dnes se řada uživatelů elektrického vytápění přesvědčuje o značných nákladech za odběr elektřiny při zanedbání vlivu nedostatečných tepelně technických vlastností staveb.

Hospodárnost a regulaci elektrotopných spotřebičů bude pochopitelně vždy ovlivňovat řada dalších faktorů, jako např.:

režim vytápění, resp. způsob užití topných zdrojů (přerušované - nepřerušované vytápění, základní otop - přitápění atd.), požadavky na tepelnou pohodu a hygienu (úroveň vnitřních teplot v místnostech, způsob větrání - hlučnost, povrchová teplota zdrojů tepla, spalování mikročástic - termoprecipitace prachu, pohyb vzduchu atd.), tepelné ztráty na rozvodech topného média, resp. akumulátorech tepla, ostatní požadavky (řešení místností včetně otvorů do venkovního prostředí, umístění topidel a otopných těles či jejich zakrytí atd.).

Základním předpokladem vhodného použití otopného systému je vždy respektování účelu a charakteru stavby i časového využití jednotlivých prostor vytápěného objektu. S tím samozřejmě souvisí i pružnost otopných systémů, neboť ta přináší úspory energie zejména při tlumeném či přerušovaném vytápění s omezením otopu na nezbytnou dobu zajištění tepelné pohody v místnostech a zejména rychlou reakcí na tepelné zisky uvnitř vytápěných místností (např. z pobytu osob, provozu el. spotřebičů a oslunění). Proto se musí zvážit použití méně pružných elektrických zdrojů tepla, např. statických akumulačních kamen, akumulačního podlahového vytápění topnými vodiči nebo ústředního vytápění s litinovými radiátory v odlehčených stavbách, mnohdy navíc se značným prosklením. Podobně je třeba respektovat vliv tepelně technických vlastností stavby na tepelnou pohodu při některých typech elektrotopných zdrojů při tarifně stanoveném blokování jejich odběru, např. při přímotopném místním vytápění s blokováním odběru pro dobu 4x1 hodinu denně.

Z hlediska regulace vytápění je zřejmé, že správně navržený regulační obvod musí mít vždy menší setrvačnost než stavba.

Zvláštní pohled zaslouží problematika dimenzování příkonu elektrotopných spotřebičů. Předimenzování příkonu má určité výhody, např. ve zvýšení pružnosti vytápění (zkrácení doby zátopu při přerušovaném vytápění a při tepelných ziscích v místnostech). Naproti tomu ale lze předpokládat, že další vývoj tarifní politiky v elektroenergetice bude vázan do značné míry na velikost připojeného příkonu odběratelů (tzv. jističové tarify, dnes uplatňované např. u sazeb C pro podnikatelský maloodběr a sazeb D pro domácnosti), což znamená, že každý instalovaný kW elektrického zdroje tepla bude znamenat výdaje v podobě stálého platu za odebíraný příkon ze sítě. Proto se jeví vhodné dimenzovat celkový příkon elektrických zdrojů tepla spíše mírně podhodnocený vůči výpočtové potřebě tepla, přičemž základní podmínkou by vždy měl být výpočet tepelných ztrát všech vytápěných místností podle ČSN 06 0210 s ohledem na specifika elektrického vytápění.

Navíc lze doporučit vzájemné blokování odběru rozhodujících elektrických spotřebičů odběratele a respektovat současnost jejich provozu tak, aby postačující hodnota hlavního jističe v místě měření odběru elektřiny byla co nejmenší (např. blokovat odběr přímotopných topidel při krátkodobém provozu el. trouby nebo průtokového ohřívače vody). Již nyní požaduje řada energetických akciových společností vzájemné automatické blokování odběrů přímotopného vytápění při zapnutí průtokových ohřívačů vody.

Využití jednotlivých elektrotopných systémů z pohledu průběhu jejich zatížení elektrizační soustavy bude záviset na regionálních podmínkách, tzn. především na požadavcích příslušného rozvodného závodu podle možností místní sítě. Odběratelé nebudou tedy moci vždy sami rozhodnout, jaký druh odběru elektřiny pro otopné soustavy zvolit, neboť např. akumulační způsob vytápění představuje převážně dvojnásobné i vyšší nároky na soudobě přenášený výkon pro elektrické vytápění proti přímotopným topidlům. Do budoucna lze předpokládat, v návaznosti na optimální vytížení zdrojů elektřiny a přenosových cest energie, preferování elektrotopných spotřebičů smíšeného typu, tj. s částečnou akumulací a přímotopným dotápěním v mrazivých dnech.

Příkladem může být využití již v osmdesátých letech prosazovaných tzv. hybridních kamen a kotlů, ale i kombinace akumulačních kamen či podlahového vytápění s přímotopnými topidly nebo smyčkami, případně jejich oddělené užití (např. v bytě: obývací pokoj - akumulační kamna, ložnice a kuchyň - přímotopné vytápění). I to může být cesta ke zrovnoměrnění odběru a tudíž ke snížení pro odběratele dodávaného elektrického výkonu včetně snížení stálého platu za elektřinu.

Při porovnání nákladů pro instalaci a provoz přímotopného vytápění proti akumulačnímu lze vesměs konstatovat, že přímotopné vytápění vykazuje pronikavě nižší příkon topidel, nižší investiční prostředky a v důsledku jednodušší a účinnější regulace vytápění (u akumulátorů tepla je třeba i regulace nabíjení tepla) i nižší srovnatelnou spotřebu elektřiny, cena 1kWh bude však vždy vyšší. Smíšené vytápění je v podstatě kompromisem mezi těmito extrémy.

K jednotlivým elektrickým topným soustavám lze uvést několik stručných poznámek:

1. Ústřední topné systémy

Obr. 1 - Elektrokotelna

V našich podmínkách se jedná vesměs o využití teplovodních elektrokotlů, a to elektrodových nebo odporových, mezi nimiž není zásadní rozdíl v kvalitě. Některé výrobky obou typů umožňují i regulaci výkonu v průběhu topné sezony. Upozornit je třeba na žádoucí souměrnost zatížení jednotlivých fází při regulaci odpínáním krajních vodičů topných tělísek odporových kotlů nebo na možnost změny výkonu elektrodových kotlů v průběhu topného období (z toho důvodu dodavatelé elektřiny vyžadují zpravidla omezovací jistič pro tento typ kotle, např. do výkonu 27 kW - jistič 40 A apod.).

Ústřední vytápění elektrokotlem je zajímavé při záměně kotlů na tuhá paliva, ale často se zapomíná, že soustavu je nutno řešit komplexně (viz ještě někdy tradiční rozvody pro přirozený oběh topné vody s litinovými radiátory a pouze s uzavíracími kohouty atd.).

Proti přímotopným lokálním (místním) systémům se zde projevuje i nižší citlivost teplotní regulace, snížené možnosti časové regulace vytápění jednotlivých prostor, to vše násobené nutným tlakovým vyregulováním soustavy a zejména ztrátami byť i tepelně izolovaných rozvodů tepla v nevytápěném prostoru (zvýšení roční spotřeby elektřiny proti lokálnímu vytápění může činit až 30 %).

Dosavadní poznatky ukazují na výhodnost ústředních nebo etážových soustav zvláště u menších staveb, jako jsou jednogenerační rodinné domky, kde je při stejné době užití místností možno dosáhnout žádoucí tepelné pohody. Výhodou v těchto případech je, že tepelné ztráty při velmi krátkých tepelně izolovaných rozvodech tepla včetně armatur, resp. na velmi dobře izolovaných akumulačních nádržích, jsou relativně nízké (i do 3 % denní spotřeby).

Naopak u elektrokotelen s dlouhými rozvody topného média - např. ze samotné kotelny do několika objektů - přesahují skutečné ztráty tepla i 20 %, proto je třeba tento způsob užití elektřiny vyloučit (stejně jako centrální přípravu teplé užitkové vody elektřinou). Do budoucna lze předpokládat vhodné využití elektrických ústředních soustav nejen v dělených a kombinovaných systémech (viz dále), ale i pro vícedenní, např. týdenní akumulaci tepla při tzv. superizolacích zásobníků tepla.

2. Lokální topné systémy

Obr. 2 - Elektrická akumulační dynamická kamna

Výhodou místních topidel nebo soustav v každé místnosti jsou především podstatně lepší možnosti časové a teplotní regulace vytápění bez ztrát tepla v nevytápěných prostorech a proto vesměs nižší spotřeba energie pro vytápění proti ústředním soustavám. Určitou nevýhodou mohou být větší nároky na prostor v místnostech u některých typů topidel (např. u akumulačních nebo hybridních kamen) a nutnost rekonstrukce rozvodů elektřiny ve všech vytápěných místnostech.

I nadále se jeví právě z pohledu hospodárného využití energie uplatnění místních topných systémů jako přednostní, a to zvláště u místností využívaných v odlišnou dobu a pro ohřev teplé užitkové vody.

V nedávné době se projekty a instalace elektrického vytápění omezily téměř výhradně na přímotopná topidla, ať už konvektory nebo sálavé panely. Přesto lze pro místní vytápění využít akumulační kamna dynamická, tj. s ventilátorem (např. pro prostory v podnikatelské nevýrobní sféře nebo v hlavní obytné místnosti bytu) nebo i statická (např. pro omezené doby vytápění historických budov, chodeb škol apod. bez požadavku na přesnou regulaci teploty).

Obr. 3 - Přímotopný konvektor

Z hlediska žádoucího využití přenosových sítí a zrovnoměrnění jejich průběhu zatížení je určitým zklamáním, že se u nás pro svou složitější regulaci nabíjení a vybíjení tepla v závislosti na venkovní teplotě neuplatnily tzv. hybridní zdroje tepla, např. hybridní kamna nebo kotle. Ty měly být jakýmsi kompromisem mezi akumulačním a přímotopným vytápěním především pro místnosti pravidelně užívané po dobu více než 12 hodin denně. Přesto lze předpokládat využití tzv. univerzálních, resp. hybridních soustav již v nedaleké budoucnosti.

Zásadou by mělo být vždy umístění místních topidel k nejvíce ochlazovaným plochám, tj. u venkovních stěn, pod okna bez zakrytí různými kryty, závěsy, záclonami apod. (podobně jako tělesa ústředního teplovodního vytápění).

U místních topidel se velmi často projevují nedostatky v umístění regulátorů teploty. Pro správnou funkci má být např. prostorový termostat v místnosti pouze jeden, umístěný mimo dosah jakýchkoliv zdrojů tepla na vnitřní stěně vytápěné místnosti ve výšce 1,5 až 1,7 m. V prostorách s nebezpečím svévolné manipulace s regulačními prvky (školy, internáty, restaurační podniky apod.) se doporučuje aretace nastavení požadované nebo horní hranice teploty v místnosti. Obdobná pravidla je třeba respektovat u čidel ve venkovním prostředí (např. pro snímaní venkovní teploty - umístění přibližně na severní straně budovy ve výšce min. 2 m nad terénem).

3. Velkoplošné topné systémy
U těchto systémů je třeba respektovat již v projektové fázi ve zvýšené míře hygienická hlediska. To platí jak pro podlahové a stěnové, tak stropní sálavé vytápění. Systémy zabudované do konstrukce (podlahové vytápění) jsou často investičně náročnější a proto vhodné hlavně pro nové stavby. Nespornou výhodou je vesměs ideálnější rozložení teplot ve vytápěných místnostech. Při vyšších povrchových teplotách stěn, podlah apod. je možno snížit teplotu vzduchu v místnosti, což vede k podstatně nižší spotřebě energie pro vytápění proti ostatním systémům.

Obr. 4. Elektrické topné rohože

Obr. 5. Elektrické sálavé topné panely

Vzhledem k určitým odlišnostem proti klasickým topným soustavám lze doporučit vždy profesionální zpracování projektu.

Již typickým negativním příkladem z hlediska pružnosti vytápění je akumulační podlahové vytápění v odlehčených značně prosklených stavbách. Naopak přednosti těchto systémů lze využít např. v historických a výrobních budovách a v zemědělské živočišné výrobě (velká výška místností - průmyslové haly, tělocvičny, ohřev míst obsluh zařízení; koupelny, odchov mláďat apod.). Vhodné jsou i kombinace velkoplošných systémů s některými jinými, např. s přímotopnými konvektory.

4. Kombinované topné systémy
Řada těchto systémů navazuje na jiné zdroje tepla než je využití elektřiny. Může se jednat např. o kombinace elektrického přitápění s kotlem na fosilní palivo, s tepelným čerpadlem, se solárním zařízením apod., ale patří sem i specifické případy užití elektřiny např. pro temperování technologických zařízení (např. zajištění nezámrzné teploty na vodních potrubích, zamezení orosování zařízení a přístrojů a zamrzání okapů) nebo saunová kamna. U těchto případů platí totéž co v předchozím odstavci z hlediska potřebné kvality projektu, případně lze doporučit konzultace ve vybraných poradenských střediscích energetických akciových společností nebo České energetické agentury.

Při kombinaci elektrických zdrojů tepla s jinými rozlišujeme v podstatě tyto možnosti provozu:

bivalentní - paralelní (dělený) s pokrytím části potřeby tepla trvale elektřinou, např. elektrickými lokálními topidly pro dotápění při "základním" vytápění systémem CZT, kotelnou na fosilní paliva nebo el. dohřev vody pro pokrytí proměnného množství tepla z obnovitelných zdrojů energie; bivalentní - alternativní (střídavý) s pokrytím části nebo celé potřeby tepla buď zdrojem tepla na elektřinu nebo jiným zdrojem, přičemž elektřinou je kryta potřeba tepla do určité venkovní teploty (např. el. tepelným čerpadlem) anebo potřeba tepla pro určité časové období (el. ohřev vody v mimotopné sezoně, el. vytápění v přechodném období topné sezony při odstavení ústředního zdroje na jiné palivo).

Možné kombinace elektrického přitápění:

Obr. 6a - Tepelná čerpadla

Obr. 6b - Zásobníky topné vody

Obr. 6c - Solární panely

Obr. 6d - Vzduchotechnická jednotka

Příkladem této kombinace je využití elektrických topných vložek do otopných těles (radiátorů) ústředního vytápění, které užívají např. majitelé některých rodinných domků, zejména v okrajových měsících topných sezon pro vytvoření tepelné pohody pouze ve vybraných místnostech.

Závěr
Je racionální předpokládat, že elektrické vytápění bude v příštím dvacetiletí patřit spíše k velmi komfortním využívaným způsobům vytápění a tomu bude odpovídat i cena odebírané energie.

Jakýkoliv záměr pro rekonstrukci nebo instalaci nového topného systému by měl být posuzován z hlediska nejen pořizovací ceny na zdroj tepla s regulační technikou, v řadě případů i včetně nové přípojky energie pro budovu, rekonstrukce elektrické instalace i rozvodnice s měřením, ale také z hlediska pravděpodobných nákladů za odběr elektřiny. Proto by součástí projektů s elektrickým vytápěním měl být vždy výpočet tepelných ztrát vytápěných místností a návrhy na zlepšení tepelně technických vlastností obvodového pláště budovy, resp. tepelných izolací rozvodů a zásobníků tepla a minimalizace soudobého příkonu pro elektrická vytápění.

Vzhledem k rozsahu příspěvku nelze detailně vymezit všechny klady a zápory jednotlivých elektrických topných soustav.

Z přímotopných systémů pro základní vytápění lze doporučit především velkoplošné zdroje s vyšší sálavou složkou nebo konvektory, resp. etážové elektrokotle, akumulaci lze uvažovat pro základní vytápění vybraných místností nebo budov. Vývoj pravděpodobně potvrdí rozvoj smíšených systémů vytápění, které je možné realizovat jak lokálními, tak ústředními zdroji tepla, např. při využití akumulace po celou topnou sezonu a s přímotopným dotápěním v mrazivých dnech nebo od určité vnitřní teploty také po celé topné období. Příkladem může být tzv. dělený systém s akumulačním ústředním vytápěním budovy a s přitápěním přímotopnými topidly v jednotlivých místnostech.