Stavíme energeticky úsporný dům (VIII)

Ze stavebně-technických a tepelně-technických požadavků na NED (nízkoenergetické domy) lze odvodit obecné požadavky na zařízení techniky prostředí NE budov. NED jsou podle klimatických podmínek definovány měrnou roční potřebou energie na vytápění vztaženou na m² vytápěné plochy (např. pro Německo 30 až 70 kWh/(m²a)). V ČR se však plně nerespektují místně odlišné klimatické podmínky a vliv nadmořské výšky a jednotně se hovoří o NED, pokud mají roční potřebu energie menší než 50 kWh/(m²a). Vývoj potřeby tepla ukazuje tab. 1. Rovněž zajímavé jsou údaje na obr. 1, které nám ukazují, jak se změnila oblast tepelné ztráty objektů a její poměrné rozdělení na tepelnou ztrátu prostupem tepla a větráním.

	Staré budovy [kWh/(m2a)]	Novější budovy (Německo po r. 1995, ČR po r. 1997) [kWh/(m2a)]	NED [kWh/(m2a)]
Německo	250 až 350	54 až 100	30 až 70
ČR	250 až 400	84 až 104	menší než 50

Tab.1 - Vývoj potřeby tepla u nás a v Německu

Obr. 1 - Oblast tepelné ztráty objektů a její poměrné rozdělení na tepelnou ztrátu prostupem tepla a větráním.

Tepelná pohoda a komfort stran TUV

Přes velmi dobré zateplení a těsnost stran infiltrace vykazují i NED tepelné ztráty, které je nutné pokrýt příslušným zařízením techniky prostředí. Primárním úkolem zařízení je tak zajištění tepelné pohody v NED během zimního období.

S rostoucím zateplením klesá rozdíl povrchové teploty obvodové konstrukce a teploty vzduchu ve vytápěném prostoru. Sledování asymetrie sálání vykazuje zanedbatelný vliv vzhledem k uspořádání otopné plochy ve vytápěném NED. To však platí pouze pro místnosti s normálním podílem prosklených ploch a jim odpovídající vysoké těsnosti s ohledem na výměnu vzduchu. U takovýchto místností je možné instalovat otopná tělesa u vnitřních stěn. Z hygienických a stavebně-fyzikálních důvodů je však třeba zajistit i u NED, navzdory těsnosti, příslušnou minimální výměnu vzduchu. Jestliže zvolíme variantu přirozeného větrání větrací regulovatelnou mřížkou, která je součástí konstrukce okna či samostatně k oknu instalovaná, výsledek bude jiný. Navzdory velmi dobrým tepelně-technickým vlastnostem obvodové konstrukce dojde při instalaci otopných těles u vnitřní stěny k vytvoření tepelné nepohody.

Jednoznačně to prokazují i obr. 2 (OT u obvodové konstrukce pod oknem) a obr. 3 (OT u vnitřní stěny) získané matematickou simulací v programu Fluent. Na obrázcích je ukázáno teplotní pole ve vertikálním řezu vytápěnou místností při intenzitě větrání (násobnost výměny vzduchu) I = 0,5 h^-1 zajištěné infiltrací. Model stran tepelně-technických vlastností odpovídá NED umístěnému v oblasti s t_e = -12 °C. Na obr. 3 je patrné, že se ve výšce kotníků vytvoří oblast výrazné tepelné nepohody s teplotou 17,3 °C.

Obr. 2 - Rozložení teploty vzduchu ve vertikální rovině při instalaci OT pod okna; I = 0,5 h^-1, t_e = -12 °C.

Obr. 3 - Rozložení teploty vzduchu ve vertikální rovině při instalaci OT u vnitřní stěny; I = 0,5 h^-1, t_e = -12 °C.

Pokud zajišťujeme u NED výměnu vzduchu infiltrací (zde především větracími nastavitelnými otvory), musíme se držet stejných zásad pro umisťování a navrhování otopných těles jako u běžné zástavby.

Za zachování letních parametrů a požadavků je odpovědný sám architektonický návrh stavby spolu s chováním uživatele. Pouze při funkčně podmíněném vysokém vnitřním či slunečním zatížení (např. kancelářská budova) je nutné nucené větrání, resp. klimatizace.

Lepší tepelně-technické vlastnosti budov vedou k nižší potřebě tepla na vytápění, ale potřeba energie pro ohřev teplé vody (zavedená zkratka TUV) je oproti tomu nezávislá na zateplení objektu. Je závislá především na chování uživatele a jeho požadavcích na komfort.

Názor si lze udělat z obr. 4, kde je prezentován podíl tepla potřebného pro vytápění v závislosti na tepelně-technických vlastnostech objektů v Německu.

Obr. 4 - Rostoucí podíl potřeby energie pro ohřev TUV s rostoucím zateplením objektů.

Hospodárnost
Přes malé tepelné ztráty u NED stále trvá požadavek na hospodárnost použití techniky zařízení budov. Hospodárnost je zároveň důležitým kritériem při volbě různých systémů vytápění. Rozhodnutí pro či proti použití určitého zařízení by tak mělo vycházet z předpokladů hospodárného provozu.

Rozhodujícím kritériem pro NED je nízká potřeba energie. Tu lze určit na základě vzájemné souhry stavební konstrukce a zařízení. Tak jsou kladeny vysoké požadavky na energetickou účinnost použitých zařízení, neboť jejich příspěvek má vést úsilí o co nejvyšší úspory energií.

Měřítkem při porovnávání jednotlivých systémů vytápění může být, resp. by měla být primární energie. To nám umožní celkové posouzení řetězce procesů připravujících výsledný produkt - teplo. U fosilních paliv se tak např. zachytí i náklady na těžbu, úpravu a transport, u elektrického proudu ztráty transformací, resp. účinnost elektrárny.

Jednotlivé druhy energií pak lze rozdělit na:

primární energie - to je první nalezená energie např. ve formě fosilních látek či biomasy. Je to energie např. ve formě uhlí, ropy, zemního plynu, vyzářené sluneční energie či přírodního uranu. sekundární energie - je to energie, kterou získáme přeměnou primární energie, a to ve formě, kterou spotřebitel může ve svých přístrojích využít. Je to např. elektrický proud, topný olej apod. konečná energie - charakterizuje energii, která je nakonec spotřebiteli dána k využití po odečtení transportních ztrát. Při transportu elektrické energie vznikají ztráty při transformaci, u benzínu jsou to ztráty zbytky v přepravních tancích a odparem při přečerpávání atd. využitelná (užitečná) energie - je energie, kterou "využívá" konečný uživatel pro konkrétní zajištění komfortu jako je TUV, osvětlení, vytápění.

Rozdělení energií názorně ukazuje obr. 5.

Obr. 5 - Jednotlivé druhy energií

Obr. 6 ukazuje potřebu primární a konečné energie u vybraných typických způsobů vytápění za předpokladu stejné potřeby tepla pro vytápění při zohlednění pomocné energie. Zejména u elektrického vytápění je energetické posouzení primární energie nepříznivé.

Obr. 6 - Potřeba konečné energie a primární energie pro zvolené způsoby vytápění při stejné tepelné ztrátě objektu.

Na obr. 7 je uveden příklad pro těžkou stavbu orientovanou na sever s I = 0,6 h^-1, střední vnitřní zátěží 3,8 W/m² a maximální regulační odchylkou 2 K. Obr. 7 ukazuje vliv místní regulace u deskového otopného tělesa na spotřebu tepla v porovnání s regulací bez setrvačnosti a bez regulační odchylky - ideální vytápění. Vytápění s TRV vykazuje oproti ideálnímu vyšší spotřebu o 3 kWh/(m²a). Při malé potřebě tepla u NED to představuje vzrůst o 6 %. Pokud by u otopných těles byl použit PI regulátor, nárůst by byl zanedbatelný.

Obr. 7 - Vliv místní regulace na potřebu energie u typické těžké stavby

Za extrémních okrajových podmínek dostaneme při porovnání otopných těles s TRV a ideálního vytápění jiné poměry. Obr. 8 uvádí příklad lehké budovy s I = 0,1 h^-1, střední vnitřní zátěží 11,6 W/m² a maximální regulační odchylkou 3 K. Vytápění s TRV zde vykazuje oproti ideálnímu větší spotřebu o více jak 8 kWh/(m²a). Vztaženo na krajní variantu ideálního vytápění (3,2 kWh/(m²a)) to představuje 267 %. Nicméně je třeba podotknout, že okrajové podmínky pro obr. 8 nejsou typické pro oblast NED.

Obr. 8 - Vliv místní regulace na potřebu energie u lehké stavby s extrémními okrajovými podmínkami.

Varianty řešení vytápění u NED

Teplovodní vytápění s nuceným oběhem otopné vody je dobře použitelné i pro vytápění NED. Musíme se však v některých částech přizpůsobit změněným podmínkám.

Snížená potřeba tepla vede rovněž k nižším teplotám v rámci dimenzování zařízení. To snižuje ztráty při rozvodu a předávání tepla a zvyšuje u kondenzační techniky stupeň využití. Použití kondenzační techniky je tak i ve srovnání s jinými zdroji tepla značně hospodárné. Zde mohou být efektivně provozovány nástěnné kondenzační kotle se svým malým vodním obsahem a rychlou dynamikou provozu. Rovněž při instalaci ve vytápěné místnosti, díky jejich současnému jak estetickému, tak technickému provedení, můžeme využít přímo teplo sdílené kotlem do okolí.

Z velkého rozdílu požadavku na teplo pro vytápění a ohřev TUV u NED lze odvodit následující tendence:

Určení tepelného výkonu pro vytápění a ohřev TUV vyplývá z nároků na ohřev TUV. Alternativně je možné při společném zdroji tepla pro vytápění a ohřev TUV použít většího zásobníku vody nebo pokrýt požadavky tepla pro vytápění z přímo natápěného zásobníkového ohřívače TUV. Vzít v úvahu oddělení vytápění a ohřevu TUV.

Koncepce zařízení podle bodů b) a c) jsou spojeny s řadou dílčích nevýhod. Větší zásobník vody pro TUV s sebou vedle výhody sníženého výkonu kotle nese rovněž negativní následky. Vzrůstají energetické ztráty, nároky na prostor, investiční náklady, doby natápění a doby přerušení vytápění jsou delší. Delší doba setrvání teplé vody v zásobníku může způsobit hygienické problémy.

Běžné přímo natápěné ohřívače TUV jsou energeticky méně efektivní než moderní kotle. Vytápění připojené na takovýto ohřívač pak vykazuje relativně nízký stupeň využití. Společná instalace kondenzačního kotle a zásobníkového ohřívače TUV do jednoho bloku se příliš neprosadila. Příčinou jsou relativně vysoké pořizovací náklady, těžkosti s prostorem vzhledem k velikosti zařízení a stále se zmenšující poměr potřeby tepla pro vytápění a ohřev TUV. Varianta odděleného elektrického ohřevu TUV od vytápění se většinou s ohledem na potřebu primární energie a CO₂ emise v obvyklém rozsahu přípravy TUV odmítá.

Při zohlednění všech aspektů lze považovat za příznivou variantu ohřev TUV napojený na kondenzační kotel s širokou oblastí modulace tepelného výkonu. Maximální výkon kotle je tak určen pro přednostní ohřev TUV a částečný, modulačně snížený, pro vytápění. Minimální výkon kondenzačního kotle může být, s ohledem na dokonalou modulaci, tak malý, že se eliminuje i taktování kotle pod úrovní startovacího výkonu, a tím se omezí i produkce škodlivin.

Obvyklou koncepci ekvitermní regulace s osazenými TRV lze využít i u NED. Musíme ji však rozšířit o vazbu na vnitřní teplotu, abychom dokázali v co možná největší míře postihnout tepelné zisky, resp. dynamické chování poruchové veličiny.

Při velmi nízkých teplotách lze uvažovat i o podlahovém vytápění u NED. Energeticky výhodné je použít jako zdroj tepla tepelné čerpadlo či kondenzační kotel. Značnou nevýhodou u podlahového vytápění však zůstává velká tepelná setrvačnost otopné plochy a zvýšení tepelné ztráty vedením tepla některými částmi stavební konstrukce a následným přestupem do vnějšího prostředí, stejně jako optimálně neřešitelná problematika využívání tepelných zisků od slunečního záření dopadajícího na podlahu v zimním období. Aplikace podlahového vytápění je tak omezena jen na případy rovnoměrně využívaných prostor, kde dochází k přímému kontaktu chodidla s podlahovou krytinou a chceme zajistit plný tepelný komfort pro všechny části těla.

Solární zařízení určené pro ohřev TUV může u NED způsobit podstatnou redukci celkové potřeby energie. Zlepší se hospodárnost provozu, ale pořizovací náklady jsou vyšší. Solární zařízení použité k vytápění však vychází hůře, neboť náklady a tepelné ztráty stran dlouhodobější akumulace tepla nejsou mnohdy u NED akceptovatelné. Centrální kombinované solární zařízení s velkými zásobníky pro vytápění komplexu NED však vychází příznivěji, neboť se náklady rozkládají mezi více zásobovaných objektů. Z pohledu primární energie se nabízí jako efektivní forma využití malých tepláren s druhotnou výrobou elektrické energie, které zásobují komplex NED.

Příznivé okrajové podmínky vytvářejí NED rovněž pro použití tepelných čerpadel, protože požadované teplotní parametry teplonosné látky výrazně klesají. Průměrný roční topný faktor je pak potřeba dosahovat vyšší než 3.

Na rozdíl od výše uvedeného vykazuje klasické elektrické vytápění (přímotopy a akumulační vytápění s nočním nabíjecím časem) extrémně vysokou potřebu primární energie a z pohledu zpracování primární energie i produkci CO₂ emisí. Přestože u NED vykazuje elektrické vytápění, s ohledem na malou spotřebu tepla, nízké pořizovací náklady, nelze ho doporučit s ohledem na komplexní bilanci energií.

V dnešní době je téměř až nekriticky pro vytápění NED propagováno teplovzdušné vytápění. I tato forma vytápění má však své neopomenutelné nevýhody. Ke krytí potřeby tepla pro vytápění je potřebné poměrně velké množství přiváděného vzduchu, rozvod vzduchu je realizován nemalým vzduchotechnickým potrubím a rovněž nezanedbatelné vzhledem k bilanci primární energie je pokrytí výkonů ventilátorů. U standardně dodávaných systémů rovněž není dostatečně řešena regulace ve vazbě na potřebu tepla a množství přiváděného čerstvého větracího vzduchu, což vede k neopodstatněné spotřebě energie v průběhu otopného období. Problémy mohou u dnešních koncepcí vznikat rovněž s hlukem a šířením pachů objektem.

Zajištění výměny vzduchu

NED se svým stavebním provedením většinou blíží z hlediska větrání k "těsným" domům, kde se výměna vzduchu snížila pod, jak hygienicky, tak stavebně-fyzikálně, požadovanou mez. Abychom zajistili dostatečné a současně energeticky smysluplné větrání, vede nás to bezmyšlenkovitě rovnou k použití nuceného větrání. Principiálně nelze však okamžitě vyloučit ani možnost přirozeného větrání okny (infiltrace, provětrávání).

Provětrávání bez příslušných větracích elementů je nedostatečné a problematické, neboť závisí na chování uživatele. Zajištění dostatečné výměny vzduchu tak přísluší buď použití odpovídajících větracích elementů (nastavitelné větrací mřížky u oken či ve fasádě), či systémům nuceného větrání. Pro první způsob hovoří: možnost nastavení při extrémním větru, zlepšení hlukové exponovanosti a možnost filtrace přiváděného vzduchu oproti provětrávání a nízké investiční náklady oproti nucenému (strojnímu) větrání.

Alternativou k přirozenému větrání je nucené (strojní) větrání různého provedení a koncepce včetně zpětného získávání tepla. Tyto koncepce byly a ještě budou v seriálu dostatečně popsány autory, kteří se specializují pouze na variantu teplovzdušného vytápění NED.

Na základě malých výkonů lze pro vytápění použít kombinované zařízení. Úkolem kombinovaného zařízení je zajišťovat vedle větrání rovněž vytápění a / nebo i ohřev TUV v jediné jednotce. Ve Skandinávii jsou takovéto jednotky na bázi elektrické energie poměrně rozšířené. Oproti našim podmínkám jsou tam však mnohem příznivější parametry primární energie (velký podíl vodních elektráren) a rovněž příznivější ceny elektrického proudu. Na trhu jsou rovněž zařízení využívající teplo odváděného vzduchu v malých tepelných čerpadlech pro ohřev TUV. Stejně tak lze odváděný vzduch využít v regeneračních či rekuperačních výměnících k předehřevu přiváděného větracího vzduchu či v kombinaci s tepelným čerpadlem pro vytápění.

Závěr
Konečná energie - elektrický proud s vysokým nárokem na primární energii vyžaduje použití efektivní techniky (např. tepelné čerpadlo) tak, abychom zajistili akceptovatelné hodnoty potřeby primární energie a emisí CO₂. Zemní plyn je jako zdroj energie velmi dobře použitelný. Potřeba elektrické energie pak může být pro skupinu NED výhodně zajišťována menší teplárnou (kogenerační jednotkou) s podílem výroby elektrické energie. Zde hraje významnou roli i použití palivových článků. Obdobnými koncepcemi lze dosáhnout značného poklesu CO₂ emisí.

Literatura:
[1] Bašta, J.: Otopné plochy. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2001. - 328 s. - ISBN 80-01-02365-6.
[2] Bašta, J.: Hydraulika a řízení otopných soustav. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2003. - 252 s., 209 obr., ISBN 80-01-02808-9.
[3] Firemní podklady: Buderus Heiztechnik, Maico Haustechniksysteme