Kombinované soustavy pro vytápění a větrání nízkoenergetických domů

Tyto snížené výkonové požadavky na vytápění a důraz na energetickou náročnost budov se musí promítnout i do energetických systémů budov, které jsou vlastně tím výkonným článkem celého řetězce dodávky energie do budovy a na nich závisí, zda skutečná spotřeba energie bude odpovídat potřebě, dané obálkou budovy.

Výpočet tepelného výkonu

Na vývoj tepelně-technických požadavků na stavební konstrukce reaguje i legislativa a to přijetím nové technické normy, která se stanovením potřebného tepelného výkonu zabývá. Jedná se o převzatou ČSN EN 12831, která řeší stanovení potřebného tepelného výkonu pro vytápění prostorů i budov. Předmětem tohoto příspěvku není vysvětlovat nový způsob výpočtu hodnoty, kterou požíváme pro návrh otopných ploch i zdrojů, ale zamyslet se spíše nad přístupy, které jsou v této nové normě odlišné od zaběhnuté a praxí prověřené ČSN 060210.

Lze konstatovat, že výsledky výpočtu podle nové normy se od výsledku vypočtených podle „staré“ normy liší a to v rozmezí 10 – 40 % s tím, že výsledky dle nové normy vycházejí vyšší. Znamená to, že jsme doposud všechny systémy o tuto hodnotu poddimenzovali? Jak je možné, že systémy navržené podle „staré“ normy fungují a najednou bychom měli systémy dimenzovat o 10 – 40 %  výše? Nejprve mi dovolte zaměřit se na příčiny těchto rozdílů. Nová norma počítá potřebný příkon na stejném fyzikálním principu, tzn. předpokládá ustálený rovnovážný stav s konstantní vnitřní i venkovní výpočtovou teplotou. Za tohoto stavu se počítá tepelná ztráta prostupem konstrukcemi a tepelná ztráta větráním.

U tepelné ztráty prostupem se nově zohledňuje nehomogenita konstrukcí započítáním lineárních tepelných mostů. Důvod je vcelku logický, neboť u nových konstrukcí s vysokým odporem při prostupu tepla je vliv těchto nehomogenit podstatně vyšší, a zatímco u konstrukcí klasických byl v podstatě zanedbatelný a skryl se zaokrouhlovacích chybách, u moderních vysoce tepelně izolovaných konstrukcí se vliv tepelných mostů zvyšuje a může výrazně zhoršit deklarovaný plošný součinitel prostupu tepla. K dalšímu zpřesnění výpočtu dochází u prostupu tepla podlahou do zeminy, kde se zohledňuje relace plochy a ochlazovaného  obvodu konstrukce. V původním výpočtu tepelných ztrát se uvažovala konstantní teplota zeminy pod podlahou bez ohledu na její plochu a ohraničení.

Nový přístup je i ke stanovení infiltrovaného množství vzduchu pro výpočet tepelných ztrát větráním, kde se již nepočítá s jednotlivými otvory, ale s těsností budovy jako celku pomocí indexu n50, který vyjadřuje násobnost výměny vzduchu v celé budově při vytvoření podtlaku 50 Pa a je jedním ze základních parametrů pro posuzování budovy jako celku a jistě je přesnějším a měřitelným vyjádřením infiltrace na rozdíl od dříve velmi těžko prokazatelného součinitele provzdušnosti spár.

Vytápění

V ideálním případě je vytápěcí zařízení schopno reagovat s minimálním zpožděním na změny potřeby energie, které jsou vyvolány především změnami klimatických podmínek (vnější teplota, proměnlivé sluneční záření) a vnitřních zdrojů tepelné zátěže (zapnutí domácích spotřebičů, umělé osvětlení nebo příchod osob do místnosti). Z toho vyplývá, že energeticky úsporné vytápěcí zařízení by mělo být především elastické ve všech prvcích (schopné rychle reagovat na změnu potřeby tak, aby se změna výkonu přenesla až do zdroje), s individuální regulací v jednotlivých místnostech (v každé místnosti se může měnit potřeba nezávisle na ostatních) při zachování požadavků na tepelnou pohodu.

Větrání

Oproti tradičním budovám se u nízkoenergetických budov zvyšuje vliv vnitřních zdrojů tepla a větrání (menší tepelné ztráty prostupem) [Lit. 6]. Potřeba energie na větrání je dána požadovaným množstvím větracího vzduchu a klimatickými podmínkami. Protože systémy přirozeného větrání infiltrací neumožňuji v podstatě regulovat množství větracího vzduchu, je vhodné řešit větrání nízkoenergetických obytných budov řízeným větráním, které může být buď integrováno s vytápěcím zařízením (teplovzdušné vytápění s ohřevem přiváděného vzduchu), nebo může být nezávislé (přívod čerstvého vzduchu např. regulovanými štěrbinami ve fasádě).

Z hlediska energetického se nabízí jako nejjednodušší opatření minimalizovat množství větracího vzduchu, nejsou však zcela jasně kvantifikována kritéria pro stanovení minimální výměny vzduchu, a proto třeba s tímto postupem nakládat velmi obezřetně. Spotřeba energie větracím zařízením je pak dána způsobem řešení odvodu vzduchu z budovy. Jako vhodné se jeví použití zařízení na zpětné získávání tepla, které část energie obsažené v odváděném vzduchu vrací zpět do budovy. Rozdíl mezi tradičními a nízkoenergetickými budovami v oblasti větrání je v důrazu na řízené větrání, aplikaci zařízení na zpětné získávání tepla a sladění systémů vytápění a větrání, případně i ohřevu TUV, kam může být teplo z odváděného vzduchu akumulováno.

Regulovatelný přiváděcí otvor hybridního větrání	Odváděcí výustka hybridního větrání

Příprava teplé vody

Vývoj techniky a společnosti v posledním období ovlivnil i tento systém a je nutné zrevidovat některé zaběhnuté postupy a principy. Vývoj lze pozorovat především ve dvou rovinách.  V prvé řadě je to vzrůst významu přípravy TV v objektech individuální bytové výstavby, kde v souladu s moderními trendy zvyšování komfortu se často objevují takové požadavky na odběr TV, že se stávají primárním odběratelem energie v objektu. Příkladem mohou být řešení rodinných domů s více koupelnami, použití velkoobjemových van s vodními masážemi nebo inteligentní multifunkční sprchové kouty. Druhou oblastí vývoje je oblast zdrojů TV, kde klasický zásobníkový ohřev, zatížený stále vzrůstajícím důrazem na problematickou hygienu zásobníkového ohřevu teplé vody, je často nahrazován ohřevem smíšeným a průtočným s jedním nebo více topnými zdroji. Takové systémy jsou pružnější, mají většinou menší prostorové požadavky, jsou však podstatně citlivější na správný návrh a snadno, při podcenění vstupních údajů, mohou vykazovat nepříjemné jevy, jako je nedostatek TV.

Distribuce energie v budově

Distribuční soustava tepla v budově je dalším podstatným článkem na cestě energie od zdroje do místa spotřeby, který podstatnou měrou může ovlivnit celkovou účinnost dodávky tepla. Otopná soustava musí zohlednit jak charakteristické vlastnosti zdroje, tak požadavky na vytápění místností dané tepelně-technickými a provozními vlastnostmi.

Teplovodní vytápění

Odlišnost aplikace tradičního teplovodního vytápění v nízkoenergetických domech od běžných systémů spočívá v podstatně nižších instalovaných výkonech otopných ploch, požadavku na pružnější změnu výkonu při nahodilých vnitřních ziscích a menší důraz na rozmístění otopných ploch s ohledem na rovnoměrnost výsledné teploty ve vytápěném prostoru. Požadavek na pružnější chování soustavy je výraznějším podílem tepelných zisků na celkové tepelné bilanci vytápěné místnosti, kdy může vznikat požadavek na pružnou regulaci výkonu otopné plochy v rozmezí 0 – 100 %. Redukce vlivu umístění tělesa ve vytápěném prostoru na výsledný stav tepelné pohody je dána výrazně lepšími tepelně-technickými vlastnostmi obvodových stěn, jejichž důsledkem jsou vyšší povrchové teploty i na okenních výplních (požadavek na U hodnotu oken je u současných staveb až 1,2  W.m^-2K^-1).

Možnosti tradičních otopných ploch na principu deskových a článkových otopných těles se u nízkoenergetických staveb rozšiřují o aplikace konvektoru (nižší měrný výkon postačuje pro pokrytí nízké tepelné ztráty), vynikajících svou pružností a aplikacemi velkoplošného podlahového vytápění pro nízkoteplotní zdroje energie. U podlahového vytápění uloženého v betonové mazanině je však problém ve značné setrvačnosti, která způsobuje, že vliv vnitřních zisků se projevuje až od teplotní úrovně interiéru rovné povrchové teplotě podlahy (přibližně 26 °C), což snižuje účinnost dodávky tepla do místnosti a v podstatě eliminuje započítání zisků do bilance.

Teplovzdušné vytápění a větrání

Teplovzdušné vytápění integrované s řízeným větráním objektu představuje moderní koncepci, která je využitelná především v dobře zateplených objektech s nízkou potřebou energie na vytápění. Tyto objekty se od tradičních liší v těchto aspektech:

• mění se poměr tepelné ztráty prostupem a větráním, kdy hygienicky minimální větrání tvoří více než 50 % celkové tepelné ztráty,
• díky zateplení a kvalitním oknům se zvyšuje vnitřní povrchová teplota stěn a snižuje se potřeba eliminace negativního sálání a tím i význam sálavé otopné plochy v místnosti.

Otopný zdroj zde musí být řešen tak, aby byl schopen ohřívat čerstvý venkovní vzduch na požadovanou vnitřní  teplotu, a musí být dostatečně pružný na to, aby byl schopen okamžitě reagovat na změny venkovních podmínek. Podle druhu primárního paliva je možné použít zdrojů na plyn (zemní i kapalný), olej nebo elektrických. Při použití plynu nebo oleje se jako nejúčinnější a nejjednodušší jeví aplikace plynového teplovzdušného agregátu, i když v současnosti jsou díky zakořeněným tradicím v Evropě většinou instalována zařízení s tradičním plynovým teplovodním kotlem a výměníkem v teplovzdušné jednotce. Hlavní předností tohoto řešení je možnost použít teplovodní kotel nejen pro ohřev vytápěcího vzduchu, ale řešit i vytápění části budovy klasickou teplovodní soustavou a případně zajistit ohřev TUV nebo vody v bazénu. Díky nízkým pracovním teplotám ve všech částech těchto systémů je možné aplikovat kondenzační kotle. Všechna tato řešení však vedou k topenářsky poměrně náročným zapojením se všemi známými problémy hydraulické stability a přechodových jevů v teplovodních otopných soustavách.

Využití elektrické energie je možné dvojím způsobem. Nejjednodušší řešení je aplikace odporového ohřevu buď přímo vzduchu (pozor však na tarify přímotopného vytápění), nebo akumulace tepla do vody a řešení s hydraulickým přenosem tepla. Druhý způsob otevírá další možnosti řešení energetického systému budovy s využitím solární energie prostřednictvím teplovodních kolektorů s akumulací tepla do vody. V případě systémů v nízkoenergetických domech lze použít i tepelných čerpadel, která předávají teplo do systému teplovzdušného vytápění buď přímo (sekundární strana čerpadla ohřívá přímo vzduch), nebo prostřednictvím hydraulického okruhu (sekundární strana čerpadla ohřívá vodu a ta pomocí teplovodního výměníku ohřívá vzduch). Tepelná čerpadla vzduch-vzduch mají v tomto případě výhodu v snazším přepojení na letní provoz, kdy je možné využít tepelného čerpadla v reverzním provozu pro chlazení.

Teplovzdušné vytápění s ventilačním provozem je systém, u kterého by bylo technickým prohřeškem nevyužít zpětného získávání tepla z odváděného vzduchu. Odváděný vzduch není většinou nadměrně znečištěn mechanickými příměsmi, a tak je možné použít prakticky všech známých principů zpětného získávání tepla. Nejčastěji se používá deskových rekuperačních výměníků, které dosahují účinnosti kolem 80 %. 

Na příkladech na obr. 1 – 6 jsou naznačeny možné způsoby řešení vytápění a větrání  nízkoenergetických rodinných domů.

Obr.1: Teplovodní vytápění, přirozené větrání	Obr.2: Teplovodní vytápění, hybridní větrání
Obr.3: Teplovzdušné vytápění, přirozené větrání	Obr.4: Teplovodní vytápění, teplovzdušné větrání s rekuperací
Obr.5: Teplovzdušné vytápění a větrání s rekuperací a zemním výměníkem	Obr.6: Teplovzdušné vytápění a větrání s rekuperací tepla

Závěr

Integrovaný přístup k řešení energetických systémů budov a stavebních konstrukcí je metoda, kterou lze snížit spotřebu energie stavby při nižších nákladech. Vedle vlastních technických zařízení, zajišťujících vytápění a větrání budov, je toto umožněno především prudkým vývojem v oblasti konstrukcí budov z hlediska tepelně technických vlastností a rozvojem systémů pro inteligentní řízení budov, které umožňují zajistit vazbu mezi jednotlivými subsystémy a harmonizovat chod celé budovy [Lit. 9]. Při vyhodnocování budov z hlediska spotřeby energie se stále více v poslední době prosazuje rozšíření pohledu na energetickou náročnost o LCA (life cycle asessment), který dává úplnější pohled na celý životní cyklus zařízení a jeho vliv na životní prostředí.

Příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru CEZ MSM 6840770003.

Doc. ing. Karel Kabele, CSc.
ČVUT, Stavební fakulta, katedra TZB,
Foto a obr.: autor

Literatura
Lit. 1 Vyhláška MPO 291/2001 Sb., kterou se stanoví účinnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách
Lit. 2 ČSN 730540 (2002) Tepelná ochrana budov
Lit. 3 Šmerák, V.: Energetický projekt 02. Stavební listy 1/2003, ročník IX, ISSN12114790
Lit. 4 ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát při ústředním vytápění
Lit. 5 Kabele, K.: Příspěvek k problematice teplovzdušného vytápění obytných budov. Sborník příspěvků Konference Klimatizace a větrání 2002, str. 77-82, 29-30.1.2002 Praha, STP, 2002 
Lit. 6 Humm, O.: Nízkoenergetické domy, Grada Publishing 1999
Lit. 7 Kabele, K., 2001: ,,Teplovzdušné vytápění nízkoenergetických domů“, Topenářství – instalace, 4, s. 58-63, ISSN 1211-0906, Technické vydavatelství Praha, spol. s r.o.
Lit. 8 Rennie, D., Parand, F.: 1998: ,,Environmental design guide“, BRE, Watford
Lit..9 Kabele, K, 2005: Vytápění a větrání nízkoenergetických budov. Sborník příspěvků konference Vytápění 2005, Třeboň STP