Elektrické vytápění v energeticky úsporném rodinném domě

19. června 2012

Text pojednává o návrhu, výstavbě a praktických zkušenostech energeticky úsporného domu REP-HOUSE (pasivní dům) v Moravanech u Brna. V objektu je instalováno elektrické podlahové vytápění a elektrické stropní vytápění. Regulace je řešena centrální regulací BMR s řízením přes počítač.

Cílem projektu REP-HOUSE, energeticky úsporného domu v Moravanech u Brna, který vznikal ve spolupráci autora projektu se společností Fenix Jeseník, je posunout možnosti současného stavebnictví v oblasti nízkoenergetické a pasivní výstavby. Autor témata tepelné ochrany budov a nízkoenergetických staveb na Stavební fakultě VUT v Brně přednáší, a tak bylo logické, že jeho vlastní rodinný dům bude malou laboratoří, kde si na vlastní kůži může své zkušenosti vyzkoušet z pozice běžného investora – tedy od projektu přes realizaci až k užití, včetně všech důsledků svých rozhodnutí. Od počátku proto autor projektu kladl důraz na zajištění vnitřní tepelné pohody v zimním i letním období a současně na přijatelné náklady nejen pořizovací, ale především na co nejnižší náklady provozní.

Popis domu
Jedná se o jednopodlažní dům se sedlovou střechou (atriový), s velkými okny orientovanými na jih, s celkovou podlahovou plochou 130 m² a úložným prostorem v podkroví o ploše 30 m². Obvodová stěna byla navržena jako sendvič z cihlových bloků o tloušťce 300 mm a fasádního polystyrenu o tloušťce 300 mm. Projekt počítal se zateplením stropní i podlahové konstrukce, konkrétně strop PUR deskami v celkové tloušťce 300 mm, podlaha pak EPS deskami tloušťky 150 mm.

Srovnání pořizovacích a provozních nákladů na vytápění NED a PD
Jedním z charakteristických rysů pro nízkoenergetické až pasivní domy je nízká spotřeba energie na vytápění a tento faktor přiměl i autora projektu k důkladnému rozboru, jaký vlastně zvolit nejvhodnější systém vytápění svého domu. Ani u klasických staveb nelze obecně a jednoznačně tvrdit, který způsob řešení vytápění objektu je nejvýhodnější, o to složitější je to navíc u nízkoenergetických staveb, které jsou na trhu poměrně krátkou dobu.

Prvním krokem proto bylo porovnání a vyhodnocení investičních a provozních nákladů na vytápění, ohřev TUV a spotřebu elektrické energie – a to mezi dvěma hlavními zdroji energie používanými v ČR: zemním plynem a elektřinou. Toto porovnání je potřeba provést komplexně, zahrnují se tedy nejen náklady na vytápění, ale i na ohřev TV a na elektřinu pro domácnost.

Pro referenční dům byla na základě projektu stanovena roční spotřeba energie na vytápění a ohřev TV 4 200 kWh a spotřeba elektrické energie na 2 500 kWh. Pro výpočet provozních nákladů bylo potřeba vzít v úvahu konkrétní místní podmínky, dle kterých se stanovil vhodný tarif. (zemní plyn: Jihomoravská plynárenská, a. s., – místní distributor plynu, kategorie domácnost, roční odběr se pohybuje v pásmu 1,89 až 9,45 MWh/rok, elektrická energie: E.ON Energie, a. s., – místní dodavatel, kategorie domácnost, jistič nad 3x 20 A do 3x 5 A včetně.)


Obr. 2 Graf srovnání nákladů na energie pro běžný, nízkoenergetický a pasivní dům	Obr. 3 Půdorys domu s vyznačením použitého systému vytápění

Vytápění elektřinou
Pro volbu elektrického vytápění domu hned v úvodu svědčí skutečnost, že u objektů, jež se svými parametry blíží k hranici NED, přestává být nejdůležitějším kriteriem cena samotné energie, a mnohem významnější vliv mají pořizovací náklady, udržovací náklady a životnost otopného systému a jeho komponentů. Spotřeba energie na vytápění je u těchto objektů tak malá, že například u tepelných čerpadel, přestože dokáží vyrobit teplo nejlevněji, přesahuje návratnost investice životnost zařízení.

Neopomenutelná je i skutečnost, že v nízkém tarifu poskytovaném u elektrického vytápění jsou provozovány i všechny ostatní domácí spotřebiče, zatímco u plynového vytápění jsou elektrospotřebiče provozovány v sazbě několikrát vyšší. Analýza autora ukázala, že cena za topení elektrickou energií je sice vyšší než plynem, ale po přičtení nákladů za provoz ostatních elektrospotřebičů v domácnosti se provozní náklady nejen vyrovnaly, ale u elektrického vytápění dochází dokonce k úspoře ve výši cca jeden tisíc Kč (při současné ceně).

Současný trend vysoké vybavenosti moderní domácnosti elektronikou a elektrickými spotřebiči pak bude výhodu nízkého tarifu u elektrického vytápění jen umocňovat.

Výpočty potvrdily, že projekt s elektrickým otopným systémem bude velmi ekonomický, autor projektu navíc ocenil i variabilitu otopného systému, přesnost regulace a vysoký uživatelský komfort. Tepelnou pohodu v celém domě tak budou zajišťovat výrobky z produkce FENIX Jeseník – pro REP-HOUSE bylo navrženo převážně podlahové vytápění fóliemi ECOFILM, v koupelnách a kuchyni pod dlažbou pak topné rohože ECOFLOOR. Ve dvou místnostech autor navrhl stropní vytápění fóliemi ECOFILM C. To vše, samozřejmě, s centrální regulací BMR.
–>–>
Klasická vytápěcí teplovodní soustava byla tedy vyloučena a nahrazena podlahovým vytápěním v podobě elektrických topných fólií, elektrických topných rohoží pod dlažbou a také elektrických stropních fólií pod sádrokartonovým podhledem. Podlahové topné fólie instaloval autor projektu do pracovny, ložnice, dětského pokoje, obývacího pokoje, jídelny, šaten a chodby, kde budou tvořit povrchovou vrstvu plovoucí laminátové podlahy. Topné fólie jsou díky rovnoměrné distribuci tepla v celé ploše pro dům REP-HOUSE i ideálním přímotopným systémem. Provozní teplota topné fólie bude ve srovnání s jinými topnými médii (např. vodou nebo olejem) velmi dobře regulovatelná, čímž lze velmi flexibilně a hlavně přesně nastavovat požadovanou komfortní či útlumovou teplotu v čase. Přesnost regulace je jedním z hlavních faktorů pro vytvoření stabilního komfortního prostředí a pro úsporu nákladů na vytápění.

Ve dvou obytných místnostech je pod sádrokartonovými podhledy stropů umístěna topná fólie. Skrytá instalace nijak nenarušuje vzhled místnosti a teplota se dá i přes umístění vytápění ve stropu velmi dobře regulovat. Navíc tady nebude docházet k vysušování vzduchu a ke zvýšené prašnosti, typické pro běžné konvekční systémy. Šířka fólií ECOFILM přesně odpovídala doporučené rozteči nosných prvků sádrokartonových konstrukcí a bylo možné je instalovat přímo na tyto nosníky bez nutnosti dalších úprav konstrukce.

V technické místnosti, koupelně s WC, kuchyni a spíži bude povrchovou vrstvu podlahy tvořit keramická dlažba, a proto autor pro vytápění použil elektrické topné rohože ECOFLOOR, které jsou pod tento typ podlahy vhodnější.


Obr. 4 Ve většině místností jsou pod plovoucí podlahou topné fólie ECOFILM jako podlahové vytápění.	Obr. 5 Topné fólie ECOFILM jsou jako stropní vytápění v SDK konstrukci ve dvou místnostech.

Regulace
Důležitým činitelem, obzvláště u elektrického vytápění, je regulace. Má velmi významný vliv nejen na provozní náklady, ale i na komfort vytápění v celém objektu. Investor si proto zvolil centrální regulaci od českého výrobce – společnosti BMR z Rychnova nad Kněžnou.

Regulace ovládá topení v jednotlivých místnostech pomocí polovodičového spínání, které je bezkontaktní. Oproti spínacím kontaktům běžných termostatů je naprosto tiché (necvaká), nemá omezený počet spínacích cyklů (výrazně delší životnost), a proto je i ideální pro tzv. pulzní šířkovou modulaci. Tímto termínem se označuje funkce, při které regulace topení střídavě zapíná a vypíná. Čím více se sledovaná místnost blíží k požadované hodnotě, tím se topné cykly plynule zkracují. Místnost je tak vytopena přesně na požadovanou hodnotu a nedochází k překmitu teploty (přetopení), což se pochopitelně na provozních nákladech projeví pozitivně.

Regulace umožňuje nejen nastavení týdenního programu s individuálním teplotním režimem pro každou místnost v objektu, ale i operativní změnu teploty v místnosti uživatelem, komfortní ovládání regulace přes počítač a přes internet nebo záznam teplot a provozních hodin v každé místnosti. Z praktických zkušeností u dřívějších instalací bylo ověřeno, že při použití této centrální regulace je proti individuálním termostatům v každé místnosti dosahováno až 30 % úspor v provozních nákladech.

Nízkoteplotní zdroje pro vytápění
Díky malé tepelné ztrátě domu (pouze 3 kW) bylo možné použít nízkoteplotní zdroj s výkonem topné fólie 60 W/m² a povrchovou teplotou 25 °C.

Podlahová fólie ECOFILM je umístěna přímo pod podlahou a hlavní část tepla jde proto přímo do místnosti; i přesto se v průběhu vytápěcích dnů naakumuluje část tepla do podkladového betonu, který je dobře tepelně izolován ze spodní strany – od zeminy. Objekt tak získá tepelnou stabilitu na několik dalších dnů i při přerušovaném vytápění, což napomáhá silnému využití nízkého tarifu. Dobrou tepelnou stabilitu zajišťují i obvodové stěny s kvalitním zateplením na vnější straně.


Obr. 7 Centrální regulace BMR je velmi přesná, lze ji ovládat přes osobní počítač a proti regulaci samostatnými termostaty přináší až 30% úsporu.	Obr. 8 Digitální prostorové termostaty umožňují operativní změnu teploty, bez nutnosti zásahu do nastaveného programu, současně lze design čidel přizpůsobit použitým vypínačům.

Ekonomická efektivnost – roční náklady na vytápění pod 7 000 Kč
Cena stavby REP-HOUSE se proti sousednímu domu se standardními tepelnými vlastnostmi příliš neliší, pořizovací náklady byly vyšší asi pouze o 9 %. Užitné vlastnosti objektu jsou ale velmi vysoké, zejména z hlediska komfortu vnitřního mikroklimatu, tj. teploty a vlhkosti vzduchu. Provedení stavebních konstrukcí a zvolený systém vytápění předchází vzniku diskomfortu, způsobovaný zvýšeným prouděním vzduchu, nebo případné kondenzaci vodních par a růstu plísní na vnitřních konstrukcích.

U projektu REP-HOUSE je předpokládaná spotřeba na vytápění 14 kWh/(m² . a) při celkové energetické náročnosti 95 kWh/(m² . a) (včetně TV, ventilace a dalších). Náklady na vytápění by se při současných cenách energií tedy měly pohybovat mezi 6 a 7 tisíci Kč. Šedesát procent energie na ohřev TV (především v letním období) by měly pokrýt solární kolektory, jejichž návratnost je odhadována přibližně na 10 let. Při ročním pětiprocentním růstu cen energie odhaduje autor celkovou návratnost vyšší investice do realizace energeticky úsporného domu na šest let.

Zkušenosti
Ve třetí části série o výstavbě energeticky úsporného domu v Moravanech u Brna jsou uvedeny praktické zkušenosti s otopným systémem, reálné provozní náklady za kalendářní rok a je posuzována kvalita a způsob vytápění z hlediska umístění zdroje. Bylo provedeno také srovnání rozložení teploty vzduchu ve svislé rovině u místností s podlahovým a stropním vytápěním.

Celková spotřeba elektrické energie
Jak již bylo popsáno, v objektu je kombinováno velkoplošné podlahové a stropní vytápění, celkový instalovaný výkon činí 4,5 kW. Na celkové spotřebě elektřiny se kromě vytápění pochopitelně podílí také ostatní zařízení – domácí spotřebiče, bojler na ohřev teplé vody, osvětlení apod. Dům je vybaven fotovoltaickými panely, protože je ale získaná energie dodávána do sítě a není v domě přímo spotřebovávána, nemá na provozní náklady přímý vliv – proto zde není toto zařízení podrobně popisováno. Objekt užívá šest osob (tři dospělí a tři děti). Pro úplnost: z hlediska vytápění jsou v pasivním domě významné tzv. tepelné zisky tvořené odpadním teplem ze spotřebičů, metabolickým teplem a osluněním místností.

Celková spotřeba elektrické energie za daných podmínek a způsobu užívání činila v kalendářním roce 2010 (22. 9. 2009 – 22. 9. 2010) 7 540 kWh, vyjádřeno v cenách roku 2010 šlo o částku 23 465 CZK včetně DPH. Převedeno na uživatele, náklady na energie v energeticky úsporném domě REP-HOUSE činí 3910 CZK/os/rok. Vytápění se na této spotřebě podílí pouze 32 %, zbytek je ostatní spotřeba a ohřev TV. Dle propočtu autora projektu by v případě vytápění objektu plynem přesáhly roční náklady za všechny energie 30 tisíc CZK, rozdíl by byl především u ostatní spotřeby elektřiny, která by nebyla provozována v nízkém tarifu jako elektrické vytápění.

Spotřeba na vytápění
Z celkové spotřeby domu je možné díky centrální regulaci oddělit spotřebu elektřiny na vytápění, tedy energii, která projde otopným systémem topných fólií a rohoží s instalovaným výkonem 4,5 kW. Jedná se o 2 413 kWh, což představuje cca 7 tisíc CZK včetně DPH z celkové ceny za energie.

Z grafu (obr. 10) je patrná i jedna zajímavá věc – tzv. ostatní spotřeba, tedy provoz všech elektrospotřebičů v domácnosti včetně osvětlení, je v každém měsíci kalendářního roku vyšší, než spotřeba energie na vytápění! V praxi je tak prokázána skutečnost, že v současných novostavbách již není vytápění energeticky nejvýznamnější položkou.


Obr. 10 Graf spotřeby energie pro vytápění, ostatní spotřebiče a výrobu elektřiny fotovoltaickými panely v průběhu roku – názorně je vidět, že ani v zimním období spotřeba elektřiny na vytápění nepřevyšuje ostatní spotřebu elektřiny.	Obr. 11 Graf teploty vzduchu v místnosti s podlahovým a stropním vytápěním (teplotní profil vzduchu pří aktivním vytápění a vypnutém větrání)

Praktické zkušenosti s otopným systémem
Samotný otopný systém si uživatelé chválí, v celém domě je příjemné teplo, přitom není patrný zdroj tepelné energie – není tedy znát, odkud teplo přichází, jako je tomu například u běžných radiátorů. Vzhledem k nízkoteplotnímu systému vytápění se konstrukce chovají neutrálně a znatelné je to především u podlah, které nejsou teplé, ale ani studené – jde o příjemný komfort, kdy si uživatel vůbec neuvědomuje teplotu podlahy.

Zajímavou zkušenost učinili obyvatelé domu na konci listopadu 2009, kdy při servisním zásahu do řízení regulace fotovoltaických panelů technik nedopatřením vypnul hlavní jistič vytápění. Přestože venkovní teploty se pohybovaly pouze okolo 0 °C a topení netopilo, obyvatelé domu na tuto skutečnost přišli až po třech dnech, kdy teplota v domě postupně klesla z běžných 22 °C cca na 19 až 20 °C. Z tohoto případu jsou patrné nejen výborné tepelněizolační vlastnosti domu, ale také vliv tzv. tepelných zisků, které jsou zmíněny výše.

Rozložení teploty vzduchu ve svislém průřezu
V pasivním domě dochází k dobré redistribuci tepla z důvodu velmi kvalitní tepelné izolace obálky budovy. Taktéž malá potřeba tepla a nízké teploty velkoplošného vytápění umožňují snadněji docílit rovnoměrné rozložení teploty vzduchu v místnosti. Bylo provedeno měření teploty vzduchu u systému podlahového i stropního vytápění, aby bylo možné pozorovat rozdíly mezi nimi. Teploty vzduchu byly měřeny při aktivním topidle v průběhu jednoho dne v ustáleném stavu a byly zprůměrňovány. Bylo měřeno ve výšce 200, 160 a 250 cm od podlahy v dětském pokoji (stropní vytápění) a obývacím pokoji (podlahové vytápění). Výsledky jsou uvedeny v následujícím grafu (obr. 11).

Z grafu je patrné, že u obou systémů byla teplota 1,6 m nad podlahou v podstatě na stejné hodnotě a také že u stropního vytápění je teplota těsně nad podlahou (měřeno ve 20 cm) jen o 0,3 °C nižší, než ve výšce 1,6 m. Grafy nejsou zcela vypovídající, protože měřicích bodů je málo a jsou od sebe příliš vzdáleny. Podstatně přesnější měření bylo provedeno ve zkušební laboratoři společnosti FLEXEL Ltd. se sídlem ve Skotsku, která patří do holdingu FENIX.

Zkouška je zdokumentována a podrobně popsána na internetových stránkách společnosti FENIX, v článku Teplotní gradient nízkovýkonného stropního vytápění Ecofilm v nízkoenergetických domech.


Obr. 13 Graf prokazuje, že rozložení teplot u stropního vytápění s plošným příkonem 40 W/m² je stejné, jako při plošném příkonu 60, 80 a 100 W/m² – jednotlivé příkony se lišily pouze v čase potřebném k dosažení požadované teploty.	Obr. 14 Energeticky úsporný dům REP-HAUSE je vybaven i fotovoltaickými panely.

Teplota vnitřního povrchu konstrukcí
Teploty na povrchu stěnových konstrukcí jsou téměř konstantní a blíží se teplotě vzduchu v místnosti, tj. kolem 22 °C. Pouze v některých částech dochází ke snížení povrchové teploty z důvodu mírného tepelného mostu. Jedná se o napojení podlahy na terénu s obvodovou stěnou a okenního nebo dveřního rámu a ostění (16 až 20 °C). Celkově se jedná o zanedbatelný pokles vysoko nad teplotou rosného bodu a rizika růstu plísní.

Závěr
Elektrická energie je díky malým tepelným ztrátám cenově zajímavý zdroj vytápění nejen pro tento dům, ale v podstatě jakýkoliv pasivní i nízkoenergetický dům. Potvrzují to konkrétní zkušenosti z dalších referenčních nízkoenergetických objektů, které má dnes Fenix Jeseník k dispozici. V podobných projektech jako je REP-HOUSE v Moravanech u Brna totiž spotřeba „domácí“ energie převyšuje spotřebu na vytápění objektu, a proto vyrovnává případný rozdíl proti plynu (včetně měsíčních paušálů). Nízkoteplotní vytápění je hygienicky příznivé, nevysušuje vzduch a nevíří prach. Lze jej dobře regulovat, a tím se uspoří energie na vytápění a sníží se energetická náročnost objektu.

doc. Ing. Miloš Kalousek, Ph.D.
Obrázky: autor a Fenix Jeseník

Autor působí v Ústavu pozemního stavitelství Fakulty stavební VUT v Brně.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.