Partneři sekce:
  • SCHELL
  • REHAU
  • P.M.H. Invest & Trade

Vytápění budov s nízkou potřebou energie

Vytápění budov s nízkou potřebou energie

Snižujeme-li energetickou náročnost budovy ve vztahu k potřebě tepla na vytápění, roste význam ostatních energií potřebných na provoz domu. Příspěvek se zaměřuje na posouzení vhodnosti volby zdroje tepla u budov s nízkou potřebou energie ve vztahu k pohledu projektanta a investora. Hlavním tématem je využití obnovitelných zdrojů energie (podle české vyhlášky č. 78/2013 Sb.). 

Při pohledu na současný trend výstavby v bytové sféře za posledních deset let je zřejmá snaha o minimalizaci provozních nákladů v budovách. Základní ukazatel „kvality budovy“ byl vyhláškou č. 78/2013 Sb., o energetické náročnosti budovy, nastavený do tzv. průkazu energetické náročnosti budovy (PENB). Z pohledu investora (uživatele budovy) ukazuje PENB přehled energetických potřeb na zabezpečení typického užívání budovy, ke kterému je budova určena. Mezi základní ukazatele energetické náročnosti budovy zobrazené na druhém listě grafické podoby PENB patří průměrný součinitel prostupu tepla budovy a dílčí dodaná energie na fungování technických systémů (vytápění, chlazení, větrání, úprava vlhkosti vzduchu, příprava teplé vody a osvětlení).

Pohled investor vs. projektant

Je zřejmé, že při pohledu na PENB by každý investor požadoval také provozní nároky budovy, aby byla splněna kritéria, která zařazují tuto budovu do kategorie A – mimořádně úsporná. Tento úkol není pro projektanta technicky neřešitelný, ve většině případů však navržené technické řešení naráží na pohled investora – ať už finanční, estetický, nebo velmi často i osobní. Jeho obvykle nezajímají podrobné informace o tom, co je nebo není nízkoenergetický či pasivní dům. Jeho pohled je většinou čistě ekonomický. Bohužel v dnešním světě téměř neomezených možností získávání informací jsou rokování mezi investorem a projektantem už v první fázi poznamenána více či méně zkreslenou představou investora o tom, jak bude budova z hlediska minimalizace provozních nákladů navržena.

Není výjimkou ani požadavek investora na budovu s téměř nulovou potřebou energie, ale při splnění základního požadavku, že se nebude řešit problematika větrání (investor nechce „drahou“ vzduchotechniku), nebo je častý požadavek investora na teplotu vnitřního prostředí v rozpětí od 20 °C do 22 °C v letních měsících (investor si neuvědomuje nároky spojené s nutností strojového chlazení apod.). Úlohou projektanta je tedy najít řešení, které bude pro investora akceptovatelné nejen po technické, ale i po ekonomické stránce. A to bývá někdy velmi náročné.

Volba zdroje tepla

Základní vstupní informací při výběru vhodného zdroje tepla, typu vytápěcí plochy nebo regulace je pro projektanta energetická bilance posuzované budovy. Hlavní parametry tvoří potřeba tepla na vytápění a přípravu teplé vody. U budov s nízkou potřebou energie je zřejmé, že rozhodující část potřeby energie na provoz budovy nemusí představovat nevyhnutelně potřeba tepla na vytápění, ale právě potřeba energie na zabezpečení teplé vody.

Přihlédneme-li na základní možnosti návrhu nezávislého zdroje tepla do rodinných domů splňujících kritéria budov s nízkou potřebou energie, máme nejčastěji tyto možnosti:

  • a) zdroj tepla na plynná nebo kapalná paliva,
  • b) zdroj tepla na biomasu,
  • c) využití tepelného čerpadla (není tématem tohoto článku),
  • d) kombinace možností a) a b) s podporou obnovitelných zdrojů energie.

Zdroje tepla na plynná nebo kapalná paliva mají hlavní výhody v provozu, který nevyžaduje obsluhu, v širokém pásmu modulace tepelného výkonu a v malé náročnosti na zastavěný prostor. Možnosti zapojení jsou už poměrně dobře známé, popsané a ověřené provozem. Nevýhodou je samozřejmě dostupnost paliva. U plynných paliv (nejčastěji zemní plyn) je tak nevyhnutelné mít k dispozici buď plynofikaci daného pozemku, nebo je nevyhnutelné zřídit zásobník paliva (u plynných i kapalných paliv), což s sebou přináší nemalé investiční náklady. Jiná je situace u zdrojů tepla na tuhá paliva. Výhodou je sice možnost využití široké škály tuhých paliv, ale i zde je důležitá otázka dostupnosti daného typu paliva a požadavek na jeho skladování. Hlavní nevýhodou je potom potřeba obsluhy (alespoň občasné) a z hlediska provozu vytápěcí soustavy těžko řešitelná regulace tepelného výkonu zdroje.

Obr. 1 Základní možnost zapojení kotle na biomasu u rodinných domů AN – akumulační nádrž, ČAN – snímač (pozn.: v orig. jde o čidlo, z čehož vyplývají jednotlivé zkratky) teploty akumulační nádrže, ČK – snímač zpětného potrubí kotle, ČTV – snímač teploty zásobníku teplé vody, ČTE – snímač vnější teploty, ČOS – snímač teploty vytápěcího systému, EN – expanzní nádoba, K – kotel, OČ1 – oběhové čerpadlo vytápěcího systému vytápěcích těles, OČ2 – oběhové čerpadlo vytápěcího systému podlahového vytápění, OČ3 – nabíjecí čerpadlo akumulační nádrže vytápěcí soustavy,  OČ4 – nabíjecí čerpadlo zásobníku teplé vody, PV – pojistný ventil, R – ekvitermní elektronická regulace, TRV – trojcestný směsný ventil, TRVS – trojcestný termostatický směsný ventil, TV – zásobník teplé vody

Obr. 1 Základní možnost zapojení kotle na biomasu u rodinných domů: AN – akumulační nádrž, ČAN – snímač (pozn.: v orig. jde o čidlo, z čehož vyplývají jednotlivé zkratky) teploty akumulační nádrže, ČK – snímač zpětného potrubí kotle, ČTV – snímač teploty zásobníku teplé vody, ČTE – snímač vnější teploty, ČOS – snímač teploty vytápěcího systému, EN – expanzní nádoba, K – kotel, OČ1 – oběhové čerpadlo vytápěcího systému vytápěcích těles, OČ2 – oběhové čerpadlo vytápěcího systému podlahového vytápění, OČ3 – nabíjecí čerpadlo akumulační nádrže vytápěcí soustavy, OČ4 – nabíjecí čerpadlo zásobníku teplé vody, PV – pojistný ventil, R – ekvitermní elektronická regulace, TRV – trojcestný směsný ventil, TRVS – trojcestný termostatický směsný ventil, TV – zásobník teplé vody

Základní schéma zapojení, které by mělo zmírnit výše uvedené nedostatky, je na obr. 1. Toto schéma je dnes standardní z pohledu odborné veřejnosti, na druhé straně právě pohled investora může být v tomto momentu velmi omezující. V ČR existuje přibližně 600 000 malých stacionárních zdrojů na tuhá paliva. Jejich majitelé se jen těžko smiřují s vlivem požadavků zákona č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší, resp. normy ČSN EN 303-5, tzn. požadavků na emisní třídy těchto kotlů a jejich plněním.

Majitel staršího typu kotle na tuhá paliva sice vykoná stavební úpravy na svém domě a může se tak z hlediska průměrného součinitele prostupu tepla dostat do kategorie například nízkoenergetické budovy, stále však velmi často zapomíná na to, jak takovéto opatření ovlivní provoz existujícího zdroje tepla. K zabezpečení optimálních provozních podmínek nejen pro zdroj tepla na tuhá paliva, ale i na regulaci vytápěcího systému a minimalizaci nároků na obsluhu tohoto zdroje tepla, je nutné vykonat základní opatření ve smyslu obr. 1. To však majiteli domu přináší další, a to nemalé investiční náklady (desítky tisíc korun/stovky až tisíce €), které on velmi často považuje za zbytečné.

Obr. 2 Energetická bilance potřeby energie na přípravu teplé vody a získané energie z navržených solárních kolektorů (pozn.: bilance uváděné na obr. 2 a 3 platí vždy pro tentýž typ, počet, orientaci a sklon kolektorů)

Obr. 2 Energetická bilance potřeby energie na přípravu teplé vody a získané energie z navržených solárních kolektorů (pozn.: bilance uváděné na obr. 2 a 3 platí vždy pro tentýž typ, počet, orientaci a sklon kolektorů)

Začneme-li uvažovat o využití obnovitelných zdrojů energie (OZE) – ať už jako hlavního zdroje tepla, nebo na podporu jiného typu zdroje tepla –, je optimální, když si sestavíme základní energetickou bilanci získané energie z OZE proti požadavkům na potřebu energie v objektu. Jako příklad uvádíme rodinný dům, který byl postaven v roce 1995. Jeho tepelná ztráta byla 8,5 kW, při přípravě teplé vody se počítá se čtyřmi osobami a poměrnou ztrátou rozvodů teplé vody přibližně 20 %. V souladu s výpočtem podle ČSN EN ISO 13 790 je potřeba tepla na vytápění asi 18 900 kWh/rok za stavu z roku 1995. Pokud se však majitel rozhodne například pro solární kolektory, které budou podporovat výlučně přípravu teplé vody (pro čtyři osoby), lze vykonat základní energetickou bilanci [3] podle obr. 2.

Návrh solárních kolektorů podle obr. 2 je realizován tak, aby bylo dosaženo minimálních přebytků tepla v letních měsících. Jak můžeme vidět na obr. 2, celková potřeba energie na přípravu teplé vody v řešeném objektu je přibližně 4 200 kWh/rok (počítá se se sníženou potřebou teplé vody v letních měsících). Celková vyrobená energie solárních kolektorů je asi 2 200 kWh/rok. To v poměru znamená pokrytí potřeby tepla na přípravu teplé vody na úrovni přibližně 53 %.

Obr. 3 Energetická bilance potřeby energie na přípravu teplé vody a podporu vytápění (původní stav domu z roku 1995) a získané energie z navržených solárních kolektorů

Obr. 3 Energetická bilance potřeby energie na přípravu teplé vody a podporu vytápění (původní stav domu z roku 1995) a získané energie z navržených solárních kolektorů

Další obrázek (obr. 3) představuje totožný případ s tím rozdílem, že se majitel rozhodne stejný počet kolektorů – jako v případě bilance podle obr. 2 – využít i na podporu vytápění. Jak vidíme, využití solárních zisků z kolektorů je v tomto případě minimální (asi 9,5 %). Pokud bychom zvyšovali počet kolektorů, abychom i na vytápění získali více energie, je zřejmé, že nám společně s investicí do solárních panelů bude růst i investice do akumulačních zásobníků, protože solární soustava bude produkovat více energie, než bude její skutečná spotřeba, a my se tuto energii budeme snažit někde akumulovat.

Co však v případě, kdy se majitel domu rozhodne zateplit dům a snížit tak nároky na potřebu tepla na vytápění? Jaký vliv budou mít tato opatření na využití solárních kolektorů v celkové bilanci domu? V prvním případě budeme počítat se zateplením na úroveň požadovanou u nízkoenergetických budov.

Celková potřeba energie na vytápění se sníží na přibližně 10 100 kWh/rok. V druhém případě budeme uvažovat o zateplení na úroveň požadovanou u pasivních budov a budeme počítat s využitím zpětného získávání tepla na větrání domu (ηZZT = 85 %). Celková potřeba energie na vytápění je potom přibližně 3 100 kWh/rok. Výsledky u jednotlivých vypočítaných variant shrnuje tab. 1.

Závěr

Jak je zřejmé z tab. 1, když snižujeme energetickou náročnost budovy ve vztahu k potřebě tepla na vytápění (zateplení obalu budovy, využití zpětného získávání tepla atd.), roste význam ostatních energií potřebných na provoz domu. Jak ukázal jednoduchý příklad, v případě potřeby tepla na přípravu teplé vody se podíl na celkovém dodaném teple u budov s nízkou potřebou energie může pohybovat v rozpětí od 50 do 70 %. Samozřejmě to při návrhu systému vytápění klade rozdílné nároky jak na provoz zdroje tepla, tak i na vytápěcí soustavu.

Není výjimkou, že v případě budov s nízkou potřebou energie rozhoduje nejen energetický požadavek na zabezpečení teplé vody, ale zároveň i požadavek na výstupní teplotu teplé vody (55 °C). U nízkoteplotních vytápěcích soustav tak velmi často vyhovuje nízkopotenciální zdroj tepla pro vytápění, ale jeho provoz může být velmi problematický v případě, když je třeba splnit požadavky i pro teplou vodu.

Literatura

  1. ČSN EN ISO 13 790 Energetická náročnost budov – Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení, ČNI 2009.
  2. Vyhláška č. 78/2013 Sb., o energetické náročnosti budov.
  3. Šourek, B. – Matuška, T.: Program BilanceSS_5.4. Dostupné z: http://users.fs.cvut.cz/tomas.matuska/?page_id=158.

Text: Ing. Roman Vavřička, Ph.D. , Obrázky: autor

Ilustrační foto: Ester Havlová
Recenzoval: prof. Ing. Jiří Bašta, Ph.D.
Autor působí v Ústavu techniky prostředí Strojní fakulty ČVUT v Praze.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.