asb-portal.cz - Odborný portál pro profesionály v oblasti stavebnictví
Partneři kategorie

Srovnávací měření spotřeby energie

01.02.2011
V otopném období 2008/2009 bylo Technickou univerzitou v Kaiserslauternu (Německo) provedeno srovnávací měření spotřeby energie mezi infračerveným elektrickým vytápěním a plynovým vytápěním otopnými tělesy. Cílem bylo určení spotřeby energie a výše nákladů na energii obou otopných systémů v konkrétní budově. Následně byla provedena analýza energetické bilance z ekologického hlediska a porovnání celkových nákladů na oba topné systémy. Nešlo o porovnávání výrobků různých firem, ale o obecné posouzení vlastností infračervených plochých zářičů s ohledem na jejich použití pro vytápění obytných místností.
Vytápění plynem a otopnými tělesy
Byl zvolen nejrozšířenější typ centrálního plynového vytápění typického pro starou zástavbu. Zdrojem tepla byl centrální plynový kotel umístěný v nevytápěném sklepním prostoru. Okruhy s teplonosnou látkou byly vedeny do jednotlivých místností, kde byla napojena otopná tělesa osazená regulačními ventily. Zemní plyn byl do domu veden plynovým potrubím. Ztráty při přepravě vedením z plynárny k domovní přípojce nebyly zohledňovány. Tepelná energie je u tohoto systému do obytných prostor předávána převážně konvekcí (obr. 1). Vznikající proudění vzduchu vytváří velký teplotní rozdíl mezi horní a spodní částí místnosti.


Obr. 1 Schéma ústředního vytápění plynem a teplou vodou

Systém infračerveného vytápění
Ploché infračervené zářiče byly decentralizovaně umístěny na stěnách místností jako volně zavěšené obrazy a připojeny elektroinstalací (obr. 2 a 3). Alternativně je také možná montáž na strop, kdy panel připomíná plošné svítidlo – nejde však o vestavbu do stropu. K systému patří také proudová síť na vstupu, která je částečně veřejná. Užitečná energie je předávána do vytápěného prostoru převážně infračerveným sáláním.


Obr. 2 Půdorys měřeného bytu a rozmístění infračervených panelů


Obr. 3 Schéma infračerveného stěnového vytápění

Popis měření

Měření probíhala v domě určeném pro bydlení dvou rodin. Dům má dvě a půl patra a jde o neizolovanou starou stavbu z roku 1930. Zdi jsou pískovcové, v roce 1955 a 1967 byl dům rozšiřován a přestavován – konstrukce i tloušťka stěn zůstaly zachovány. Dům má sklep s neizolovaným stropem a podlahou. Částečná renovace proběhla začátkem 90. let, kdy byla izolována střecha v zastavěném půdním prostoru dřevěnými obklady (minerální vlna o tloušťce 12 cm, doplněná nakašírovanou hliníkovou fólií) a vyměněna okna v celém domě. Oba byty jsou spolu propojeny uzavřeným schodištěm. Od roku 1993 je budova vybavena nízkoteplotním plynovým vytápěním s odpovídajícími otopnými tělesy, izolovanými rozvodnými trubkami a oddělenými topnými okruhy pro každý byt. Výsledkem výpočtu potřeby tepla na metr čtvereční každého z bytů jsou stejné hodnoty. Dosavadní spotřeby byly naměřeny měřiči tepla.

Přízemní byt má plochu 102,6 m2; byt v prvním podlaží má včetně připojeného obývaného půdního prostoru plochu 160,7 m2. Oba byty mají stejný půdorys a stejný počet a velikost oken. Oba byty byly používány stejnou rodinou, během měření byly obývány třemi osobami.

Plošné infračervené zářiče byly instalovány na bázi odporových fólií bez akumulační hmoty, podobně jako jsou na stěnách v místnosti zavěšené obrazy, a připojeny na zásuvky domovní elektroinstalace. Přitom byl brán ohled na zatížení jednotlivých proudových okruhů a v případě potřeby byla nainstalována nová vedení.
Mezi infračervený zářič a zásuvku byly umístěny spínače (FS20 ST2), které jsou řízeny rádiovými termostaty (FS20 STR2). Odevzdané infračervené sálání se nachází v dlouhovlnné oblasti IR-C, bez viditelného světelného podílu. Tepelná akumulační kapacita plošných infračervených zářičů je tak malá, že při krátkodobém dotyku nevzniká žádné nebezpečí popálení. Aby se zamezilo problémům s akumulací tepla, nesmí se přikrývat nebo umísťovat za závěsy. Měřidla spotřeby proudu byla nainstalována dvojitě, aby se zamezilo případné ztrátě dat.

Doplňkově byla pravidelně (nejméně jednou týdně ve dnech odečtu spotřeby plynu) prováděna měření teploty vzduchu a povrchu stěn mobilními měřicími přístroji – měření teploty vzduchu (vlhkosti) přístrojem AZ 8703, měření teploty infračerveného sálání přístrojem ST-8838, firma ELV. Cílem měření bylo ověření, zda v místnostech vytápěných infračerveným sáláním jsou průměrné teploty povrchu stěn vyšší než teploty vzduchu.

Byt v poschodí se z hlediska technických instalací zásadně nezměnil. Krátce před zahájením projektu bylo pouze instalováno jedno nové oběhové čerpadlo a topný okruh se hydraulicky seřídil. Topný okruh přízemního bytu byl odstaven.

Ohřev pitné vody byl v obou bytech realizován plynovým vytápěním.

Zkušební provoz
Instalace byly podle plánu provedeny v říjnu 2008 a hned poté bylo zahájeno měření. Nejprve se ve zkušebním provozu učinil pokus udržet v obou bytech stejnou teplotu vzduchu, to se však nezdařilo kvůli subjektivně rozdílně vnímanému komfortu při stejné teplotě vzduchu. Jakmile byly na termostatech nastavené a naměřené teploty vzduchu stejné, buď byl byt vytápěný infračerveným sáláním subjektivně příliš teplý, při příjemně vyhřátém bytě v poschodí, nebo naopak – byt vytápěný plynem se při pocitu komfortu v dolním bytě jevil pocitově příliš studený. Příčinou je rozdílný princip vytápění – pocit komfortu závisí nejen na teplotě vzduchu, ale i na střední radiační teplotě. Ve zkušebním provozu bylo proto nastavení termostatů měněno tak dlouho, až byl v obou bytech pociťován stejný pocit komfortu. Protože byly oba byty používány všemi členy stejné rodiny, neměly na posouzení tepelného komfortu vliv rozdílně preference osob. Při stejném subjektivním pocitu komfortu mohla být teplota vzduchu v bytě vytápěném infračerveným sáláním nastavena o 1 až 2 stupně níže, než v bytě vytápěném plynem. V obou bytech se průběžně větralo nárazovým otevíráním oken, režim větrání byl důsledně (a stejným způsobem) dodržován v obou bytech.

Měření probíhalo od 16. 11. 2008 do 30. 4. 2009. Rezervní měřicí systém pro infračervené vytápění byl uveden do provozu 26. 11. 2008.

Výsledky měření
Celková spotřeba infračerveného vytápění za celé měřicí období byla 7 305,92 kWh, celková spotřeba u vytápění plynem činila 34 742,33 kWh.

Oddělené měření množství energie pro ohřev teplé vody by vyžadovalo velké nároky na instalace, a proto se od něj upustilo. Protože se teplá voda využívala převážně pro sprchování, byla pro výpočet použita paušální hodnota 400 kWh/osobu pro měřené období pět a půl měsíce (standardní hodnoty včetně vody ke koupání se běžně pohybují od 800 do 1000 kWh na osobu a rok). Pro pravidelně přítomné obyvatele tak vzniklá spotřeba činila 1200 kWh. Opravená celková spotřeba u vytápění plynem za měřené období byla 33 542,33 kWh. Aby bylo umožněno srovnání s dnešním stavem techniky výhřevnosti, byla tato spotřeba redukována o 10 %. To odpovídá spotřebě, která by byla v měřeném objektu dosažitelná při vytápění plynovým kondenzačním kotlem. Kalkulační celková spotřeba u vytápění plynem po těchto korekcích byla 30 188,1 kWh. 

Hodnoty spotřeby, vztažené k obytné ploše, jsou znázorněny na obr. 6 – v poměru k nízkoteplotnímu vytápění plynem činí spotřeba konečné energie infračerveného vytápění jen 34,1 %, vůči vytápění plynem v technice kondenzačního vytápění jen 37,9 %. To znamená, že spotřeba konečné energie vytápění plynem byla více než 2,5krát vyšší než u infračerveného elektrického vytápění.


Obr. 4 Týdenní spotřeby energie – infračervené vytápění


Obr. 5 Týdenní spotřeby energie – vytápění plynem a otopnými tělesy


Obr. 6 Porovnání spotřeby energie vztažené k podlahové ploše

Interpretace výsledků
Spotřeba energie

Rozdíl ve spotřebě konečné energie je zjevný. Protože systematické chyby byly volbou objektu a uspořádáním měření prakticky vyloučeny, a obyvatelé v zájmu spolehlivého výsledku angažovaně spolupracovali, lze výsledky měření chápat jako typické pro oblast staré zástavby.

Rozdíly je možno vnímat v následujících bodech:
a) Ztráty při přenosu energie mezi zdrojem a topným prvkem: zatímco při plynovém vytápění s otopnými tělesy dochází k velkým ztrátám, ztráty ve vedení elektroinstalace při infračerveném vytápění jsou zanedbatelné.
b) Ztráty regulací v důsledku setrvačnosti regulace a vlivem akumulace hmoty topných prvků jsou u vytápění plynem také větší než u infračerveného vytápění.

Zatímco otopná tělesa u plynového vytápění potřebovala často více než 10 minut od otevření ventilů k zahřátí, a po (ručním) uzavření ještě nejméně 30 minut vyhřívala, doba ohřevu (na nejméně 60 °C) infračervených zářičů byla menší než 4 minuty a doba ochlazení (ze 60 °C pod 30 °C) byla menší než 7 minut. Rozhodující přitom bylo, že doba, ve které fungovaly infračervené zářiče jako konvekční vytápění, byla co nejkratší. Mimoto je celková koncepce regulace infračerveného vytápění jako regulace jednotlivé místnosti bez snímače venkovní teploty podstatně flexibilnější než u vytápění plynem. Zřetelně bylo možné vysokou dynamičnost regulace pozorovat na nízké spotřebě jižně orientovaného obývacího pokoje v chladných, ale slunečných dnech koncem ledna a v přechodové době začátkem dubna.

Zamezení ztrát při regulaci je jednou z hlavních výhod infračerveného vytápění proti všem velkoplošným typům vytápěním, u kterých je setrvačnost ještě větší než u otopných těles.
c) Ztráty větráním byly u obou typů vytápění rozdílné v důsledku rozdílných teplot vzduchu v místnosti.
d) Ztráty tepla převodem (suchá/vlhká stěna): ztráty tepla převodem jsou v praxi kvůli vlhkým stěnám značné. Nízké teploty vnitřních stran venkovních stěn při mrazivých venkovních teplotách jsou u neizolovaných stěn způsobovány především sníženými hodnotami izolace vůči provlhnutí. Měření prokázala, že v bytě vytápěném plynem byly teploty na povrchu vnitřních stěn venkovních zdí i 14 °C. Povrchy stěn, ohřívané infračerveným vytápěním, byly udržovány na teplotě nejméně cca 19 °C a byly v průměru vždy vyšší než teplota vzduchu. V důsledku vysokých teplot povrchu bylo mimo jiné maximálně zamezeno absorbování vodní páry stěnami.

Vlhká zeď má vůči suché zdi výrazně nižší izolační hodnoty. Již 4% vlhkost snižuje izolační hodnotu o cca 50 %. Vysoušením venkovních stěn infračerveným sáláním (vysoušení budov je klasickou aplikací infračervených zářičů) se izolační hodnota pravděpodobně zvýšila natolik, že nárůst ztrát přenosem v důsledku většího rozdílu teplot mezi vnitřním a venkovním povrchem venkovních stěn byl více než vyrovnaný.

Náklady na vytápění

Jako srovnávací základna pro ceny elektrické energie byly použity disponibilní standardní tarify čtyř dodavatelů elektrické energie (mezi nimi byly i společnosti EON a RWE) a čtyř poskytovatelů se 100% certifikovanou obnovitelnou elektrickou energií. Nejnižší standardní tarif (pracovní cena za 4000 kWh – léto 2009) byl 19,5 centu/kWh, nejvyšší pak 23,8 centu/kWh. Protože čtyři velcí poskytovatelé energie vystupují na trhu zároveň jako prodejci plynu, byly jako srovnávací základna rovněž zvoleny jejich standardní tarify platné po celé zemi. Nejnižší standardní tarif (pracovní cena za 20 000 kWh – léto 2009) byl 5,0 centu/kWh, nejvyšší 5,9 centu/kWh. Protože základní poplatky byly u všech poskytovatelů přibližně ve stejné výši a zanedbatelné, při srovnávání nákladů se k nim nepřihlíželo.

Ceny elektrického proudu vzrostly v posledních 10 letech od liberalizace trhů průměrně o 2,25 % za rok, ceny plynu o cca 7,1 % za rok. Vazba mezi cenami plynu a nafty zůstane v dohledné době zachována, a obě fosilní paliva budou v budoucnu méně dostupná. Nárůst ceny za elektrickou energii byl ze 40 % způsoben státními odvody, navíc se začíná projevovat snižování nákladů v důsledku výroby obnovitelné elektrické energie. Proto lze velmi pravděpodobně očekávat zachování tohoto rozdílného vývoje i do budoucna – tedy, že cena plynu bude i v budoucnu růst rychleji než cena elektrické energie.

Z tohoto předpokladu vycházel vývoj růstu cen znázorněný na obr. 7. Modré křivky znázorňují vývoj cen plynu, zelené křivky pak vývoj cen elektrické energie (uveden počet roků od roku 2009).

Protože spotřeba plynu pro vytápění plynem v kWh činí nejméně 2,5násobek spotřeby elektrické energie na infračervené vytápění, musí být cena plynu vyvážena tímto koeficientem opravy spotřeby. To je znázorněno červenými křivkami.

Na obr. 7 je vidět, že se spodní vážená křivka ceny plynu a horní křivka ceny elektrické energie protínají přibližně za 14 let. To znamená, že nejpozději tehdy je spotřeba infračerveného vytápění příznivější než u vytápění plynem. Protože investiční náklady infračerveného vytápění podle předběžných odhadů činí asi jen polovinu investičních nákladů na plynové vytápění, je vyrovnání nákladů podstatně časnější, případně nastává téměř okamžitě. Celková oblast překrytí, v níž mohou být náklady na spotřebu plynu vyšší než náklady na spotřebu energie, je znázorněna šrafovaně. Poskytnutí zvláštního tarifu při odběru elektřiny pro přímá vytápění, který někteří dodavatelé elektrické energie nabízí, znamená zpravidla ihned příznivější spotřební náklady na infračervené vytápění ve srovnání s vytápění plynem.

Pozitivní vliv infračerveného vytápění
Součástí studie nebylo posouzení zabývající se vlivem obou systémů vytápění na zdraví osob. Bylo pouze zjišťováno subjektivní hodnocení obyvatelů domu, případně jejich návštěv. U infračerveného vytápění popisovali lidé prostředí jako komfortní – ­oceňovali pocit teplých nohou i nižší prašnost. Obecně se jako přínos stěnového sálavého vytápění hodnotí i omezení tvorby plísní v prostoru.
 
Závěry a výhled do budoucna
Studie prokázala, že infračervené vytápění představuje smysluplnou alternativu k běžným otopným systémům. Doposud se k němu nepřihlíží v normách (viz např. účinnost sálání u elektrických plošných topidel) a nařízeních, nebo se k němu přihlíží nedostatečně. V německém Nařízení o úsporách energie EnEV je uvedeno mezi běžnými elektrickými přímotopy, ačkoliv na základě principu vytápění sáláním lze u něj na rozdíl od běžných elektrických přímotopů na bázi proudění očekávat zjevné úspory. Srovnání elektrického podlahového vytápěním (případně nočního akumulačního vytápění) a infračerveného vytápění prezentovaná různými výrobci typicky uvádí úspory ve výši cca 50 %. Právě náhrada nočního akumulačního vytápění infračervenými panely by byla kvůli snadné realizaci a minimálním investičním nákladům (typicky polovina nebo méně než při výměně za vytápění plynovým kondenzačním kotlem) snadno proveditelným opatřením pro zvýšení účinnosti. Další kritéria, která hovoří pro infračervené vytápění, jsou malé investiční náklady, žádné vedlejší náklady (např. kominíci), minimální požadavky na údržbu a možnost 100% obnovitelného provozu dle zdroje elektrické energie.


Ing. Peter Šovčík
Autor působí jako externí konzultant společnosti Fenix Holding.
Recenzoval: Ing. Ondřej Hojer, Ph.D.

Foto a obrázky: Fenix Holding

Literatura
1. Kosack, P.: Příkladné srovnávací měření mezi infračerveným vytápěním a plynovým vytápěním v oblasti staré zástavby. Zpráva o výzkumném projektu, verze 1, říjen 2009. Graduate School CVT Arbeitkreis Ökologisches Bauen, TU Kaiserslautern, 2009.
2. Kübler, T.: Technika vytápění infračerveným sáláním pro velké prostory, Vulkan Verlag, 2001.
3. Herwig, H.: Přenos tepla A – Z: Systematická a podrobná vysvětlení důležitých veličin a koncepce, Springer Berlin, 1. vydání, 2000.
4. Polifke, W. – Kopitz, J.: Přenos tepla. Podklady, analytické a číselné metody pomocí SoftwarePaket Scilab, CD-ROM, Pearson Studium, 2005.
5. Herr, H.: Nauka o teple: Technická fyzika 3. Europa-Lehrmittel, 4. vydání, 2006.
6. Konstantin, P.: Kniha o praxi energetického hospodářství: přeměna, přenos a pořízení energie v liberalizovaném trhu. Berlin: Springer, 2. vydání, 2009.
7. Petermann, J.: Bezpečná energie ve 21. století, Hoffmann a Campe, 2008.



Komentáře

Prepíšte text z obrázku do poľa. Ak nedokážete text rozoznať, kliknite na obrázok.

Další z Jaga Media