Realizovaný projekt nástavby mateřské školy v Ostravě - Proskovicích

Cíl projektu
Projekt vědy a výzkumu VaV/320/6/00, iniciovaný Ministerstvem životního prostředí, ukázal možnosti řešení na objektu mateřské školy v Ostravě - Proskovicích. Postavena byla v letech 1977 - 78 v rámci akce "Z". Předpokládala se oprava střechy a obvodového pláště, výměna svítidel a oken. Vypracováním projektu nízkoenergetického domu byl vytvořen pilotní projekt pro všechna podobná zhodnocení stavby. Dobře se uplatnila spolupráce a podpora MŽP Ing. Šafaříka a Doc. Tywoniaka z ČVUT-FAST, zvláště pak starosty Ing. Němčeka.

Financování
Reálný náklad pro typové řešení celého solárního systému sloužícího pro ohřev TUV a přitápění včetně akumulace a ohřevu TUV je 845 000,- Kč. Státní fond životního prostředí (SFŽP) se na této akci investičně podílel ze 70 %. Provedení zemního výměníku tepla bylo zlevněno o výkopy vyvolané provedením drenáže základů stavby. Náklad bez rekuperace byl 138 000,- Kč. Vývoj kotle na spalování štěpky byl podpořen v rámci projektu vědy a výzkumu, jakož i jeho provozní ověřování.

Nízkoenergetický dům
Prvým krokem bylo zateplení stávající mateřské školy izolací z minerální vlny ISOVER v tloušťce 200 mm a výměna oken za plastová. Součinitel prostupu oken byl volen 1,1 W/m²K, včetně rámu skup. I pak 1,3 (rámek z umělé hmoty swisspacer). Nástavba na stávající rovné střeše byla navržena z fošínkových vazníků uzpůsobených pro izolaci tl. 300 mm (minerální vlna ISOVER). Tepelné mosty byly překryty další vrstvou vlny tl. 50 mm.

Potřeba tepla byla vypočtena dle ČSN EN 832, zahrnující tepelné zisky vnější i vnitřní. Energetická náročnost řízeného větrání byla snížena rekuperací a zemním výměníkem tepla (viz dále). Celková potřeba tepla pro vytápění a větrání činí 46 kWh/m²rok, přičemž nástavba vychází 31 kWh/m²rok. Při započtení veškerých aktivních zisků solárním systémem pro přitápění a ohřev TUV, vychází celková měrná potřeba tepla včetně ohřevu TUV ve výši 48,2 kWh/m²rok.

Pasivní solární zisky
Z celkové hodnoty tepelných zisků (25 329 kWh/top. sezónu) představují

solární pasivní zisky 53,5 %, zisky osvětlovacích těles 20,0 %, metabolické teplo 12,0 %, potrubí TUV + odpady 14,5 %.

Solární zisky jsou podmíněny stavební hmotou pro jejich nutnou akumulaci. Při nedostatečné akumulační hmotě využitelnost zisků klesá. Okna byla volena se skly CLIMAPLUS (U 1,1 W/m²K, LT-0,77, g-0,58).

Aktivní solární soustava
Střecha nástavby byla navržena s úhlem sklonu 50 °C tak, aby mohly vzniknout dostatečné plochy solárních kolektorů, které současně tvoří střešní plášť. Zvolen byl systém SOLARNOR s "drain back" vyprazdňováním. Umožňuje vsadit do plochy libovolná okna a svou váhou 10 kg/m² nezatěžuje střešní konstrukci. Celková absorpční plocha činí 120,1 m². Vzhledem k azimutu - 27° byla oproti výpočtu poněkud zvětšena (cca o 10 %).

Chtěl bych vyzvednout velmi dobrou spolupráci s projektantem stavební části, což umožnilo instalaci větší solární soustavy. Spolupráce začala od samého začátku projektování. Tento moment by měl být uplatňován u všech nových staveb nízkoenergetických domů.

Solární tank o celkovém objemu 12 m³ je umístěn v kotelně. Jedná se o beztlakou nádobu s hliníkovým pláštěm a vyztužením, přičemž izolace byla navržena v tloušťkách 10 - 20 cm. Nádrž má charakter "buffer tank", tzn. je pro krátkodobou akumulaci, což je dáno prostorovými podmínkami.

V přechodném období je solární energie využívána přednostně pro přitápění, jelikož topná voda bude mít teploty 30 - 40 °C, což je podstatně méně než TUV. Mimo topnou sezónu se počítá s ohřevem TUV pro mateřskou školu, kuchyni, prádelnu a venkovní bazénky a sprchy. Množství využitelné solární energie bylo vypočteno z reálných teplot v solárním tanku, které jsou však závislé na předpokládaných odběrech.

Solární systém je osazen čidly teploty a ultrazvukovými měřiči tepla, které jsou napojeny na CŘS fy Honeywell. Ještě v tomto roce budou veškeré měřené hodnoty vyvedeny na dispečink, umístěný na radnici, který bude archivovat hodnoty i z jiných staveb městského obvodu. Po dokončení dispečinku budou hodnoty přístupny přes Internet.

Zemní výměník tepla
Výměnou oken za plastová vzniká potřeba řízeného nuceného větrání. Kromě rekuperace tepla z odváděného vzduchu byl navržen a zrealizován zemní výměník tepla. Umístěn byl na jižní straně objektu hlavně z důvodu nutných zemních prací (výměna stávajících drenáží), které snížily náklady na položení potrubí. Hloubka potrubí (5 x DN 200) se pohybuje od 1,6 m do 2,0 m podle spádu. Jmenovitý průtok vzduchu bude 1 200 m³/h.

Teplota zeminy se v zimě pohybuje mezi 4,5 až 8 °C (v hloubce 1,5 m). Dosahované výstupní teploty při výpočtovém množství vzduchu a externích teplotách -4 až -15 °C jsou v rozmezí +2 až +5 °C. Jednoleté měření zemního výměníku domu Hausäcker prokázalo následující výsledky: průměrné denní teploty vzduchu na konci potrubí výměníku se pohybovaly koncem října ještě okolo +15 °C, a teprve začátkem prosince klesly pod +5 °C, avšak po celou zimu zůstaly nad bodem mrazu (i při minus 15 °C). Velká specifická kapacita c_p zeminy, znamená velkou možnost ukládání solární energie. Vysoká tepelná vodivost zase vyhovuje proudění tepla z okolních vrstev zeminy do potrubí. V zimě se postará studený venkovní vzduch, vstupující do trubkového výměníku, o silné ochlazení prvních běžných metrů trubek. Trvá-li perioda mrazu delší dobu, posouvá se chladná zemní zóna obklopující zeminy dále směrem k domu. Výstupní teplota výměníku však leží zpravidla o 2 až 3 K pod teplotou zeminy.

Kolísání teploty zeminy v hloubce cca 2 m a více, již není pro soustavu příliš důležité. Rozptyl teplot v hloubce např. 2 m je během celého roku od 5,5 °C do 13 °C. Ve větší hloubce je menší, až se v hloubce 10 m ustálí na +9,5 °C.

Podobně probíhá změna teploty nasávaného vzduchu v létě, ale opačným směrem. Při venkovních teplotách okolo 24 - 26 °C je dosahováno chlazení na 14 - 16 °C, při extrémních teplotách okolo +33 °C pak okolo 19 - 22 °C, což je zvláště při běžných teplotách v interiéru okolo 28 °C velmi příjemné osvěžení a v případě tohoto větrání, teplot nad 25 °C není dosahováno. Při vysoké relativní teplotě vzduchu v době srážek v létě, může dojít ke kondenzaci vodní páry (rosný bod), a proto je potrubí kladeno ve spádu. Po snížení vlhkosti se potrubí prouděním vzduchu vysuší. Nasávací místo (zděný objekt) obsahuje hrubý a jemný filtr klasifikace EU 7 a EU 3. Revizní šachty jsou plastové, uzamykatelné. Slouží nejen k napojení pěti větví potrubí, ale také k čištění potrubí (požadavek OHES). Současně s potrubím byly na začátku a konci potrubních tras umístěny v zemině horizontálně i vertikálně teploměry, které jsou napojeny na měřicí ústřednu, která během roku průběžně snímá a archivuje teploty. Vyhodnocení bude přístupné v digitální i grafické formě.

Využití biomasy
Potřeba tepla byla výrazně snížena zateplením a využitím solární energie na úroveň nízkoenergetického domu. Z celkové potřeby tepla je solárním aktivním systémem kryto 36 %, zbývající část tj. 64 % pak spalováním štěpky (pouze 90 - 100 m³/rok).

Biomasa byla zvolena nejen jako obnovitelný zdroj, který podpoří moderní koncepci, ale také pro využití místních zdrojů, doposud opomíjených. Štěpkovač již byl zprovozněn, rovněž dva kotle VIADRUS U22 BIO o výkonu a 48 kW. Kotle byly upraveny speciálně pro spalování štěpky včetně automatické regulace a zabezpečovacích zařízení. Zkušební provoz započal koncem února zcela hladce. V současné době probíhá montáž šnekového dopravníku a čechradla ve skladu paliva. Provoz kotlů je tak zcela automatický, obsluha pouze zajistí dovoz štěpky jednou za 3 - 8 týdnů. Násypná šachta je na úrovni stropu skladu a tak je násyp samospádem. Dovoz zajišťuje obecní multikára z centrálního skladu cca 400 m vzdáleného.

Díky pochopení starosty je štěpka vyráběna vlastními pracovníky z ořezů a klestu, který je přivážen z údržby zeleně zdarma. Náklady na výrobu 1 tuny štěpky klesají na 300 - 400 Kč, což následně snižuje provozní náklady na vytápění mateřské školy.

Závěry z energetické bilance
Potřeby tepla byly vypočteny dle ČSN EN 832 po jednotlivých měsících poměrně přesně a sestaveny jsou do tabulky. I když se při úpravě projektu změnil tvar střechy, hodnoty uváděné v bilancích se výrazně nezmění.

Z přehledu je vidět, že se u nízkoenergetických domů zkracuje topné období. Potřeba tepla se kumuluje výrazně do tří měsíců (až 22 % ve XII), přičemž přechodné období klesá symbolicky na 3 - 8 %, při přitápění solární soustavou ještě méně. Z toho vyplývá, že využití biomasy i ve formě pelet je výhodné, neboť klesá absolutní spotřeba a rozhodujícími se stávají investiční náklady.

Solární energie se dobře uplatňuje pro ohřev TUV a bazénové vody. Přitápění se posouvá více do chladnějších měsíců, kdy solární nabídka není příliš vysoká. Naopak výraznější vliv má pasivní využití solární energie, avšak za předpokladu přizpůsobení stavební části (oken, akumulace ve stavební hmotě).

Zemní výměník tepla sice zvyšuje účinnost rekuperace až na 87 %, avšak při vyšších investičních nákladech. Vhodné je spojit položení potrubí s jinými stavebními pracemi, čímž se sníží náklady na zemní práce. Důležitou předností je chlazení vzduchu v letním období, které u nízkoenergetických domů nabývá na významu a zvyšuje kvalitu vnitřního prostředí. Do ekonomického hodnocení je tuto službu nutno započítat.

Celková bilance tepla

Měsíce	Celková potřeba tepla Vytápění + TUV	Solární zisk využitelný	Výsledná bilance potřeby tepla	Potřebné množství štěpky 1)	Objem štěpky 2)
	kWh/měs.	kWh/měs.	kWh/měs.	kg/měs.	m3/měs.
Leden	15121	1553	13568	5833	21,2
Únor	12377	2693	9684	4163	15,1
Březen	9243	3518	5725	2461	8,9
Duben	4552	4530
Květen	3265	3240	-	-
Červen	3593	3883	-	-
Červenec	3702	3740	-	-
Srpen	2155	2298	-	-
Září	3443	3468	-	-
Říjen	7419	2826	4593	1975	7,2
Listopad	12292	1340	10952	4708	17,1
Prosinec	15464	740	14724	6330	23,0
Celkem	92626	32103	59246	25470	92,5
Pokrytí		36%	64%

Provoz mateřské školy včetně nástavby bude vyhodnocován. Výsledky budou zvláště užitečné při návrhu podobných budov v klimatických podmínkách České republiky.