Energetické systémy nízkoenergetických objektů

Všechny objekty je zapotřebí z hlediska spotřeby energie navrhovat a posuzovat se zřetelem na návaznost jednotlivých systémů. Se zvyšujícími se požadavky na energetickou úsporu rostou i nároky na kvalitu vyhotovení stavebních konstrukcí a různých konstrukčních detailů, na energetické systémy stavby a v neposlední řadě na uživatele objektů, kteří musejí být minimálně poučeni o ovládání jednotlivých systémů spotřebovávající energii.

Stavební objekty se z hlediska potřeby energie na vytápění mohou dělit na:

• obvyklou výstavbu se spotřebou tepla na vytápění 80 až 140 kWh/(m² . a),
• energeticky úsporné objekty se spotřebou tepla 50 až 70 kWh/(m² . a),
• nízkoenergetické objekty se spotřebou ≤ 50 kWh/(m² . a),
• pasivní objekty se spotřebou ≤ 15 kWh/(m² . a),
• nulové objekty se spotřebou < 5 kWh/(m² . a),
• plusové objekty, které jsou schopny potřebné množství energie na provoz vyprodukovat samy. 

Na vytápění nízkoenergetických objektů jsou z hlediska hlavního zdroje energie známy tyto energetické systémy:

• systémy využívající obnovitelné zdroje energie (solární systémy, geotermické systémy, kombinované systémy a systémy na bázi biomasy),
• systémy využívající elektrickou energii jako hlavní zdroj energie,
• systémy využívající neobnovitelné zdroje energie.

Z hlediska využívání zdrojů energie známe pasivní a aktivní systémy.

Systémy využívající obnovitelné zdroje energie
Solární systémy
Patří sem především pasivní solární systémy, které může využívat celý dům nebo jen některé z jeho částí. Energie se transportuje pouze přirozenou cestou, bez pomoci technických zařízení. Vhodným návrhem lze při pasivním slunečním vytápění výrazně snížit spotřebu tepla.

Akumulační solární stěny
Jsou orientované na jih a pracují na principu solárního kolektoru. Základním předpokladem těchto stěn je použití masivních stavebních materiálů a vytvoření masivních konstrukcí z materiálů s vysokou tepelnou kapacitou. Konstrukce se chovají jako tepelný zásobník, přičemž se nabíjejí tepelnou energií při slunečním svitu. Zabraňuje se tak přehřátí a následně se při poklesu teploty uvolňuje radiací nahromaděné teplo.

Nezasklený solární vzduchový kolektor
Základem nezaskleného solárního vzduchového kolektoru je tmavý, děrovaný trapézový plech, který se umísťuje na fasádu ve vzdálenosti 2 až 4 cm od zateplené obvodové stěny. Ventilátor vytváří podtlak mezi fasádou a plechem, a tím dochází k nasávání vzduchu do dutiny přes děrování. Vzduch stoupá dutinou, zahřívá se a je dále rozváděn běžným větracím zařízením.

Energetické fasády
Energetické fasády jsou jednoduché vzduchové kolektory, jejichž transparentní vrstvu tvoří skleněná deska a absorpční povrch normální fasáda. Výhodou je, že pomocí těchto kolektorů můžeme zásobovat teplem celý dům.

Dvojité transparentní fasády
U dvojitých transparentních fasád jde podobně jako v předcházejícím případě o vzduchový kolektor, který je tvořen skleněnými deskami předsazenými před obvodovou prosklenou konstrukcí. Ve vytvořené dutině jsou ještě umístěny stínicí prvky a otvory umožňující regulaci vzduchu ve vnějším plášti.

Energetická střecha
Energetická střecha je vzduchový kolektor zabudovaný do roviny střešní konstrukce. Většinou se kombinuje se stěnovým vzduchovým kolektorem. K dosažený dostatečného účinného vztlaku při letním provozu s přirozenou cirkulací vzduchu je nutný určitý výškový rozdíl mezi vstupem a výstupem vzduchu. Z tohoto důvodu je systém vhodný pro šikmé střechy s úhlem sklonu nejméně 30°.

Transparentní izolace
Jde o materiály, které výhodně kombinují dvě základní vlastnosti požadované u zasklených prvků v solární technice – dobrou propustnost slunečního záření a nízkou tepelnou ztrátu. Jsou vyráběny ze skla nebo z plastů.

Geotermické systémy
Systémy využívající přímo geotermickou (geotermální) tepelnou energii pro běžnou výstavbu jsou poměrně ojedinělé a ekonomicky náročné. Ve větší míře se budují nepřímé systémy s nasazením tepelného čerpadla využívající povrchové zemské teplo prostřednictvím teplovýměnných registrů uložených v předepsané hloubce v zemském plášti. Úspěšně se využívají i základové piloty s integrovaným trubkovým tepelným výměníkem, tzv. energetické piloty.

Kombinované systémy s aktivní tepelnou ochranou
Velikost tepelných ztrát v zimním období skrz 1 metr čtvereční obvodové stěny závisí přímo úměrně na rozdílu teplot interiérového a exteriérového vzduchu a nepřímo úměrně na tepelném odporu stěny. Ve standardně řešených pasivních domech se tepelné ztráty přes obvodové stěny snižují aplikací co největší tloušťky vysokoúčinné tepelné izolace (jde o tzv. pasivní tepelnou ochranu budovy). Existuje však i jiný způsob, jak lze snížit tepelné ztráty přes obvodové stěny. Tento způsob je charakteristický využitím solární, geotermické energie prostřednictvím aktivní tepelné ochrany obalových konstrukcí. Obalová konstrukce s aktivnou tepelnou ochranou využívá ke snížení tepelných ztrát solární a geotermickou energii pomocí tepelných bariér.

Je známo, že v hloubce asi 2 metry pod povrchem země je stálá teplota zeminy 5 až 10 °C, a to v létě i v zimě, nezávisle na zemské atmosféře. Někdy se tato teplota nazývá sklepní teplotou. V zimě ji pociťujeme jako teplo a v létě jako chlad. Množství energie na vytápění domu se určuje podle jednotlivých teplotních rozdílů mezi exteriérem a interiérem. Pokud by se tato nevyčerpatelná energie uzavřela v obvodových fasádách budovy ve formě teploty s hodnotou 10 °C, vytvořila by se tepelná bariéra. Energetická spotřeba domu by tak závisela pouze na rozdílu vnitřní teploty od teploty tepelné bariéry bez ohledu na to, jak klesne venkovní teplota.

Jak však mohou být obvodové stěny zásobovány zemským teplem? V podlaze sklepa, respektive v hloubce asi 2 až 3 metry pod zemským povrchem, se položí potrubí, v němž cirkulující voda absorbuje zemské teplo. Čerpadlem se poté dopraví do potrubního systému ve venkovních stěnách podobně, jako je tomu u stěnového velkoplošného vytápění. Důležitou podmínkou však je, aby se izolovala základová deska budovy (nepodsklepené i podsklepené). Proud tepla přicházející ze země se potom pod základovou deskou zastaví a teplota stoupá, dokud se nedosáhne rovnováhy s proudem tepla unikajícím do atmosféry po stranách budovy. Teplota se samozřejmě zvýší i tehdy, pokud není budova přímo vytápěna. Nárůst teploty kromě jiného závisí i na hloubce základů a půdorysné ploše budovy. Její hodnota je v současnosti 2 až 4 Kelvinů (K), takže teplota v tepelné bariéře dosahuje asi 10 až 12 °C. Trendem je tento teplotní rozdíl dále snižovat, tedy zvyšovat teplotu v tepelné bariéře až na teplotu vytápěného interiéru bez potřebného přísunu energie. V interiéru se samozřejmě zohledňují nejen solární zisky, ale i zisky od vnitřních zdrojů – od uživatele, ale i od všech spotřebičů (TV, PC, vaření atd.).

V této souvislosti přišel fyzik Dipl. Ing. Edmond D. Krecké na myšlenku využít další, nevyčerpatelný, výkonný a levný zdroj energie – slunce. Česká republika má vhodné podmínky pro exploataci sluneční energie na vytápění obytných staveb a na přípravu teplé vody. Jde zejména o intenzitu slunečního záření a počet hodin jeho svitu. Klimatické podmínky nejsou tak atraktivní jako ve Středomoří, ale jsou mnohem příznivější než například ve Skandinávii či Švýcarsku a Rakousku, kde je výstavba slunečních domů v obcích rozšířena a státem výrazně podporována. Průměrný roční objem slunečního záření v našich podmínkách představuje energii asi 1 200 kWh/(m² . rok) ročně u horizontálních ploch. Díky slunci má lidstvo k dispozici zdroj energie, s nímž může vytvářet tepelnou pohodu v budovách prakticky zadarmo. Díky zemi máme zase k dispozici zdroj energie na chlazení, ale i akumulátor na ukládání solárního tepla. Využití solární energie spolu s podpovrchovou geotermickou energií spojuje jednoduchým způsobem výhody obou principů – solární techniky a využití zemského tepla.

Stavební technologie umožňuje velmi rychlou výstavbu. Nerezový výměník tepla se vyrobí za několik hodin přímo na stavbě, čímž odpadá přeprava několik desítek metrů dlouhé roury na staveniště. Roura se přesype zeminou a provedou se vyztužovací práce na základové desce. Mezi výztuž se umístí plastová potrubí. Po vyhotovení základové desky se na stavbě osadí ztracené bednění stěn a zalije se betonem. Ztracené bednění stěn je složeno ze dvou polystyrenových desek spojených speciálními spojovacími prvky. Na stropní konstrukci se rovněž použije ztracené bednění. Stavební systém umožňuje použít šikmé i ploché střechy. Do střechy se umístí plastová potrubí, jimiž se v letním období odvádí teplo do zemního zásobníka tepla. Po dokončení hrubé stavby se zemní zásobník tepla zaizoluje vysokoúčinnou tepelnou izolací. V domě je zapotřebí použít výplně otvorů, které splňují požadavky na nízkoenergetické (pasivní) domy. Polystyren použitý ve ztraceném bednění se omítá omítkovými systémy, které se používají u kontaktních zateplovacích systémů.

Systémy na bázi biomasy
Biomasa se může nasadit jako vhodný zdroj tepelné energie i v nízkoenergetických domech. U návrhu je však třeba mít na paměti zvýšené požadavky na skladování, manipulaci s palivem a vzniklým odpadem po procesu spalování.

Energetické systémy na vytápění nízkoenergetických objektů lze z hlediska převažujícího způsobu odevzdávání tepla do prostoru rozdělit na:

• konvekční systémy,
• sálavé systémy,
• kombinované systémy.

Konvekční systémy
U konvekčního způsobu vytápění se teplo z topného tělesa šíří prouděním a přímo ohřívá vzduch. Od tepla vzduchu se dále ohřívají okolní stavební konstrukce. Přitom platí, že teplota vzduchu je vyšší než teplota okolních ploch, respektive tzv. účinná povrchová teplota okolních ploch. Současně je tím nižší (v závislosti na teplotě vzduchu), čím menší je tepelněizolační schopnost stavebních konstrukcí ohraničujících interiér a čím nižší je venkovní teplota vzduchu. U stavebních konstrukcí (zvláště obvodových) s dostatečnou tepelněizolační schopností je potom však rozdíl mezi teplotou vzduchu a účinnou teplotou okolních ploch v rozmezí 2 až 3 K.

Sálavé systémy
Tento způsob vytápění je založen na odevzdávání tepelného toku sáláním. Přitom platí, že účinná povrchová teplota okolních ploch je vyšší než teplota vzduchu. Pokud se sálavá vytápěná plocha umístí v jedné nebo na jedné ze stavebních konstrukcí (nejčastěji strop, podlaha nebo stěna), mluví se o velkoplošném sálavém vytápění. Vycházíme-li z podmínky, že teplota vzduchu je menší než účinná teplota okolních ploch, potom teplota vzduchu je tím nižší ve srovnání s účinnou teplotou, čím menší je tepelněizolační schopnost ohraničujících stavebních konstrukcí a čím nižší je venkovní teplota vzduchu.

Kombinované systémy
Vývoj vědy a techniky v oblasti vytápění budov přinesl i nový trend tzv. kombinovaného vytápění. Teplo se odevzdává sáláním i konvekcí současně buď v jednom vytápěném prostoru, nebo ve stavebním objektu jako celku s rozlišením jednotlivých prostorů (podlaží, zón, místností a podobně) podle charakteru přenosu tepla a hmoty. Je možné kombinovat více systémů z hlediska způsobu odevzdávání tepla, například: konvekční-konvekční, konvekční-sálavý, sálavý-sálavý.

Při volbě topného systému lze konstatovat: čím více se teplota vzduchu a okolních ploch od sebe liší, tím je ochlazování člověka příjemnější. Z tohoto hlediska je hygienicky nejvýhodnější vytápění, u kterého se všechny ochlazované plochy místnosti zajistí topnými plochami. Takto vytvořené teplotní poměry můžeme přirovnat k teplotním poměrům během příjemného letního dne v nevytopené místnosti.

doc. Ing. Daniel Kalús, PhD., Ing. Martin Keszegh, Ing. Martin Cvíčela
Foto: Henrich Pifko, Tepelná čerpadla IVT, Prefa, Vailant