Využití různých systémů elektrického vytápění

Aktualizaci tohoto článku zveřejněného 18.9.2003 provedl dne 4.7.2019 Ing. Josef Hodboď, TZB-info.

Často se diskutuje v občanské i podnikatelské sféře o otázkách vhodnosti využití elektřiny pro vytápění a přípravu teplé vody, a to jak v nových stavbách, tak při přechodu z dosavadního používání pevných paliv. Tento zájem je podporován jednak relativně příznivou cenou elektřiny pro vytápění, jednak vyplývá ze snahy regionů, měst a řady obcí radikálně ozdravit ovzduší přechodem na vytápění ušlechtilými palivy - plynem či elektřinou.

Názory občanů a investorů jsou přitom ovlivňovány převážně dostupností zdrojů tepla a informací v daném místě, závislými na zaměření prodejců, projektantů i dodavatelských a montážních firem. Cílem tohoto příspěvku je proto poukázat v obecné rovině na možnosti využití elektřiny pro vytápění v souvislosti s některými technickými a ekonomickými vlivy na další rozvoj tohoto segmentu spotřeby elektřiny.

Především je nutno zdůraznit, že rozvoj elektrického vytápění a přípravy teplé vody na stávající úrovni je potřebný v návaznosti na řešení ekologických problémů některých našich lokalit, ale přes určitá ekonomická zvýhodnění při uplatnění elektrotopných spotřebičů je vhodné zvážit i to, že tato nejušlechtilejší forma energie bude patrně i v budoucnu energií nejdražší. Eliminovat tento handicap mohou jen zásadní opatření v tepelné izolaci elektricky vytápěných prostor, případně v samotném otopném režimu.

Hospodárnost a regulaci elektrotopných spotřebičů bude pochopitelně vždy ovlivňovat řada dalších faktorů, jako např.:

režim vytápění, resp. způsob užití otopných zdrojů (přerušované - nepřerušované vytápění, programem řízený režim, základní otop - přitápění atd.), požadavky na tepelnou pohodu a hygienu (úroveň vnitřních teplot v místnostech, povrchová teplota zdrojů tepla a s ní případně spojené spalování prachu, pohyb vzduchu atd.), tepelné ztráty na rozvodech teplonosné látky, resp. akumulátorech tepla, ostatní požadavky (řešení místností včetně otvorů do venkovního prostředí, umístění topidel a otopných těles či jejich zakrytí atd.).

Základním předpokladem vhodného použití otopného systému je vždy respektování účelu a charakteru stavby i časového využití jednotlivých prostor vytápěného objektu. S tím samozřejmě souvisí i pružnost otopných systémů, neboť ta přináší úspory energie zejména při tlumeném či přerušovaném vytápění s omezením otopu na nezbytnou dobu zajištění tepelné pohody v místnostech a to zejména rychlou reakcí na tepelné zisky uvnitř vytápěných místností (např. z pobytu osob, provozu el. spotřebičů a oslunění). Proto se musí zvážit použití méně pružných elektrických zdrojů tepla, např. statických akumulačních kamen, akumulačního podlahového vytápění topnými vodiči nebo ústředního vytápění s litinovými radiátory v odlehčených stavbách, mnohdy navíc se značným prosklením. Podobně je třeba respektovat vliv tepelně technických vlastností stavby na tepelnou pohodu při některých typech elektrotopných zdrojů při tarifně stanoveném blokování jejich odběru.

Z hlediska regulace vytápění je zřejmé, že správně navržený regulační obvod musí mít vždy menší setrvačnost než stavba.

Zvláštní pohled zaslouží problematika dimenzování příkonu elektrotopných spotřebičů. Předimenzování příkonu má určité výhody, např. ve zvýšení pružnosti vytápění (zkrácení doby zátopu při přerušovaném vytápění při tepelných ziscích v místnostech). Naproti tomu je vázáno do značné míry na velikost připojeného příkonu odběratelů, což znamená, že každý instalovaný 1 kW elektrického zdroje tepla znamená paušáoní výdaje v podobě stálého platu. Proto se jeví vhodné dimenzovat celkový příkon elektrických zdrojů tepla spíše mírně podhodnocený vůči výpočtové potřebě tepla, přičemž základní podmínkou by vždy měl být výpočet tepelných ztrát všech vytápěných místností podle ČSN 06 0210 (Pozn.: Případně jiných, aktuálně platných norem) s ohledem na specifika elektrického vytápění.

Rozhodně lze doporučit zážit vzájemné blokování odběru rozhodujících elektrických spotřebičů odběratele a respektovat současnost jejich provozu tak, aby postačující hodnota hlavního jističe v místě měření odběru elektřiny byla co nejmenší (např. blokovat odběr některých přímotopných topidel při krátkodobém provozu elektrické pečící trouby, průtokového ohřívače vody aj).

Možnost využití jednotlivých elektrotopných systémů z pohledu průběhu jejich zatížení elektrizační soustavy závisí na regionálních podmínkách, tzn. především na požadavcích povozovatele elektrické rozvodné sítě. Z tohoto pohledu nemusí být v některých místech k dispozici dostatečná přenosová kapacita sítě a zvýšení odběru elektrické energie pro vytápění nemusí být povoleno, případně podmíněno specifickými podmínkami pro provoz elektrických topných systémů. Například využitím smíšeného vytápění kombinujícího z části přímotopné, z časti akumulační systémy.

Při porovnání nákladů pro instalaci a provoz přímotopného vytápění proti akumulačnímu lze vesměs konstatovat, že přímotopné vytápění vykazuje pronikavě nižší příkon topidel (Pozn.: mohou být na jmenovitý výkon provozovány až 20 hodin za den oproti 16, případně 8 hodinám za den u akumulačního)), nižší investiční prostředky a v důsledku i jednodušší a účinnější regulaci vytápění (u akumulátorů tepla je třeba regulovat i jejich nabíjení teplem) a i nižší srovnatelnou spotřebu elektřiny. Smíšené vytápění je v podstatě kompromisem mezi těmito extrémy.

K jednotlivým elektrickým otopným soustavám lze uvést několik stručných poznámek:

1. Ústřední topné systémy

Obr. 1 - Elektrokotelna

V našich podmínkách se jedná vesměs o využití teplovodních elektrokotlů, a to elektrodových nebo odporových, mezi nimiž není zásadní rozdíl v kvalitě. Některé výrobky obou typů umožňují i regulaci výkonu v průběhu topné sezony. Upozornit je třeba na žádoucí souměrnost zatížení jednotlivých fází při regulaci odpínáním krajních vodičů topných tělísek odporových kotlů nebo na možnost změny výkonu elektrodových kotlů v průběhu topného období (z toho důvodu dodavatelé elektřiny vyžadují zpravidla omezovací jistič pro tento typ kotle, např. do výkonu 27 kW - jistič 40 A apod.).

Ústřední vytápění elektrokotlem může být variantou při záměně kotlů na tuhá paliva, ale často se zapomíná, že soustavu je nutno řešit komplexně (viz ještě někdy tradiční rozvody pro přirozený oběh topné vody s litinovými radiátory a pouze s uzavíracími kohouty atd.).

Aktualizační poznámka: Z hlediska provozních nákladů je mnohem příznivější uplatnění tepelných čerpadel. V roce 2003 bylo ještě jejich současné masové využití v počátcích.

Proti přímotopným lokálním (místním) systémům se zde projevuje i nižší citlivost teplotní regulace, snížené možnosti časové regulace vytápění jednotlivých prostor, to vše násobené nutným tlakovým vyregulováním soustavy a zejména ztrátami byť i tepelně izolovaných rozvodů tepla v nevytápěném prostoru (zvýšení roční spotřeby elektřiny proti lokálnímu vytápění může činit až 30 %).

Aktualizační poznámka: V současnosti jsou na trhu programovatelné termostatické ventily na otopná tělesa, které dokáží hlídat zvolený teplotní režim individuálně v každé místnosti. Jako základ regulace se uplatňuje ekvitermní řízení, které snižuje případné přetápění a rovněž nároky na schopnost místních regulačních prvků. Případné zvýšení roční spotřeby elektřiny proti lokálnímu vytápění tak může vyplývat prakticky jen z rozdílu rychlosti reakce na dodatečné tepelné zisky - sluneční záření, teplo z domácích spotřebičů aj. Navíc i oběhová čerpadla mají nyní násobně menší spotřebu elektrické energie oproti době, kdy byl publikován tento článek. Proto se výše uvedené zvýšení roční spotřeby elektřiny proti lokálnímu vytápění až o 30 % z dnešního pohledu jeví jako značně nadsazené.

Dosavadní poznatky ukazují na výhodnost ústředních nebo etážových soustav zvláště u menších staveb, jako jsou jednogenerační rodinné domky, kde je při stejné době užití místností možno dosáhnout žádoucí tepelné pohody. Výhodou v těchto případech je, že tepelné ztráty při velmi krátkých tepelně izolovaných rozvodech tepla včetně armatur, resp. na velmi dobře izolovaných akumulačních nádržích, jsou relativně nízké (i do 3 % denní spotřeby).

Naopak u elektrokotelen s dlouhými rozvody teplonosné látky - např. ze samostatné kotelny do několika objektů - přesahují skutečné ztráty tepla i 20 %, proto je třeba tento způsob užití elektřiny vyloučit (stejně jako centrální přípravu teplé vody elektřinou). Do budoucna lze předpokládat vhodné využití elektrických ústředních soustav nejen v dělených a kombinovaných systémech (viz dále), ale i pro vícedenní, např. týdenní akumulaci tepla při tzv. superizolacích zásobníků tepla.

2. Lokální topné systémy

Obr. 2 - Elektrická akumulační dynamická kamna

Výhodou místních topidel nebo soustav v každé místnosti jsou především vynikající možnosti časové a teplotní regulace vytápění bez ztrát tepla v nevytápěných prostorech, a proto vesměs nižší spotřeba energie pro vytápění proti ústředním soustavám. Určitou nevýhodou mohou být větší nároky na prostor v místnostech, například u akumulačních nebo hybridních kamen a nutnost rekonstrukce rozvodů elektřiny ve všech vytápěných místnostech.

I nadále se jeví právě z pohledu hospodárného využití elekrické energie uplatnění místních topných systémů jako přednostní, a to zvláště u místností využívaných v odlišnou dobu a pro přípravu teplé vody.

V nedávné době (Pozn.: devadesátá léta minulého století) se projekty a instalace elektrického vytápění omezily téměř výhradně na přímotopná topidla, ať už konvektory nebo sálavé panely. Přesto lze pro místní vytápění využít akumulační kamna dynamická, tj. s ventilátorem (např. pro prostory v podnikatelské nevýrobní sféře nebo v hlavní obytné místnosti bytu) nebo i statická (např. pro omezené doby vytápění historických budov, chodeb škol apod. bez požadavku na přesnou regulaci teploty).

Obr. 3 - Přímotopný konvektor

Z hlediska žádoucího využití přenosových sítí a zrovnoměrnění jejich průběhu zatížení je určitým zklamáním, že se u nás pro svou složitější regulaci nabíjení a vybíjení tepla v závislosti na venkovní teplotě neuplatnily tzv. hybridní zdroje tepla, např. hybridní kamna nebo kotle. Ty měly být jakýmsi kompromisem mezi akumulačním a přímotopným vytápěním především pro místnosti pravidelně užívané po dobu více než 12 hodin denně. Přesto lze předpokládat využití tzv. univerzálních, resp. hybridních soustav již v nedaleké budoucnosti.

Aktualizační poznámka: V této oblasti se poměry od počátku tisíciletí výrazně změnily. V prvé řadě zásluhou nástupu tepelných čerpadel, která na vyrobení srovnatelného množství tepelné energie spotřebují přibližně jen třetinu až čtvrtinu elektrické energie. Navíc zájem o využití akumalačních elektrických kamen zásadně poklesl. A v současnosti se ani nejeví, že by mohl být opět vyvolán. Neboť v popředí zájmu je využití elektřiny jako zdroje energie pro dopravní prostředky. Jejich elektrické baterie mají pomoci řešit využití přenosových sítí a zrovnoměrnění průběhu jejich zatížení.

Zásadou by mělo být vždy umístění místních topidel k nejvíce ochlazovaným plochám, tj. u venkovních stěn, pod okna bez zakrytí různými kryty, závěsy, záclonami apod. (podobně jako tělesa ústředního teplovodního vytápění).

U místních topidel se velmi často projevují nedostatky v umístění regulátorů teploty. Pro správnou funkci má být např. prostorový termostat v místnosti pouze jeden, umístěný mimo dosah jakýchkoliv zdrojů tepla na vnitřní stěně vytápěné místnosti ve výšce 1,5 až 1,7 m. V prostorách s nebezpečím svévolné manipulace s regulačními prvky (školy, internáty, restaurační podniky apod.) se doporučuje aretace nastavení požadované nebo horní hranice teploty v místnosti. Obdobná pravidla je třeba respektovat u čidel ve venkovním prostředí (např. pro snímaní venkovní teploty - umístění přibližně na severní straně budovy ve výšce min. 2 m nad terénem).

Doplňující poznámka z diskuze k článku (Ing. Jiří Špička): Obávám se, že nelze souhlasit s doporučením uvedeným v článku: "U místních topidel se velmi často projevují nedostatky v umístění regulátorů teploty. Pro správnou funkci má být např. prostorový termostat v místnosti pouze jeden, umístěný ...". Je-li místnost větší a členitější a vyžaduje-li několik topidel, je jen správné, aby každé topidlo bylo řízeno čidlem umístěným v ním vytápěném prostoru. Naopak lze říci, že dosažení požadované tepelné pohody v každém místě vytápěné místnosti vyžaduje umístění více čidel (a více topidel). Věta v článku je zcela zavádějící.

3. Velkoplošné topné systémy
U těchto systémů je třeba respektovat již v projektové fázi ve zvýšené míře hygienická hlediska. To platí jak pro podlahové a stěnové, tak stropní sálavé vytápění. Systémy zabudované do konstrukce (podlahové vytápění) jsou často investičně náročnější a proto vhodné hlavně pro nové stavby. Nespornou výhodou je vesměs ideálnější rozložení teplot ve vytápěných místnostech. Při vyšších povrchových teplotách stěn, podlah apod. je možno snížit teplotu vzduchu v místnosti, což vede k podstatně nižší spotřebě energie pro vytápění proti ostatním systémům.

Aktualizační poznámka:

I v oblasti velkoplošných systémů došlo za posledních cca 15 let k zásadním změnám. Pokud jsou pořizovány během výstavby, tak jsou investičně naopak velmi příznivé. Cena základních materiálů již není zásadní a tak nemotivuje investory k tomu, aby vytápěné plochy volili malé, tedy s vyšší povrchovou teplotou. Mohou tak snadno nejen dodržet hygienický limit pro povrchovou teplotu, ale zvolit i maximální teplotu nižší.

Na trhu dostupné sety s topnými rohožemi i pro dodatečnou vestavbu elektrického podlahového vytápění jsou často využívány pro koupelny.

Obr. 4. Elektrické topné rohože

Obr. 5. Elektrické sálavé topné panely

Vzhledem k určitým odlišnostem proti klasickým topným soustavám lze doporučit vždy profesionální zpracování projektu.

Typickým negativním příkladem z hlediska pružnosti vytápění je akumulační podlahové vytápění v odlehčených značně prosklených stavbách. Přednosti akumulačních systémů lze využít např. v historických a výrobních budovách a v zemědělské živočišné výrobě (velká výška místností - průmyslové haly, tělocvičny, ohřev míst obsluh zařízení; koupelny, odchov mláďat apod.). Vhodné jsou i kombinace velkoplošných systémů s některými jinými, např. s přímotopnými konvektory.

4. Kombinované topné systémy
Řada těchto systémů navazuje na jiné zdroje tepla než je využití elektřiny. Může se jednat např. o kombinace elektrického přitápění s kotlem na fosilní palivo, s tepelným čerpadlem, se solárním zařízením apod., ale patří sem i specifické případy užití elektřiny např. pro temperování technologických zařízení (např. zajištění nezámrzné teploty na vodních potrubích, zamezení orosování zařízení a přístrojů a zamrzání okapů) nebo saunová kamna. U těchto případů platí totéž co v předchozím odstavci z hlediska potřebné kvality projektu, případně lze doporučit konzultace napřklad v poradenských střediscích atp.

Při kombinaci elektrických zdrojů tepla s jinými rozlišujeme v podstatě tyto možnosti provozu:

bivalentní - paralelní (dělený) s pokrytím části potřeby tepla trvale elektřinou, např. elektrickými lokálními topidly pro dotápění při "základním" vytápění systémem CZT, kotelnou na fosilní paliva nebo el. dohřev vody pro pokrytí proměnného množství tepla z obnovitelných zdrojů energie; bivalentní - alternativní (střídavý) s pokrytím části nebo celé potřeby tepla buď zdrojem tepla na elektřinu nebo jiným zdrojem, přičemž elektřinou je kryta potřeba tepla do určité venkovní teploty (např. el. tepelným čerpadlem) anebo potřeba tepla pro určité časové období (el. ohřev vody v mimotopné sezoně, el. vytápění v přechodném období topné sezony při odstavení ústředního zdroje na jiné palivo).

Možné kombinace elektrického přitápění:

Obr. 6a - Tepelná čerpadla

Obr. 6b - Zásobníky topné vody

Obr. 6c - Solární panely

Obr. 6d - Vzduchotechnická jednotka

Příkladem této kombinace je využití elektrických topných vložek do teplovodních otopných těles (radiátorů) ústředního vytápění, které užívají např. majitelé některých rodinných domků, zejména v okrajových měsících topných sezon pro vytvoření tepelné pohody pouze ve vybraných místnostech. Případně i jen do otopného tělesa v koupelně.

Závěr
Je racionální předpokládat, že elektrické vytápění bude v příštím dvacetiletí patřit spíše k velmi komfortním využívaným způsobům vytápění a tomu bude odpovídat i cena odebírané energie.

Doplňující poznámka z diskuze k článku (Ing. Milan Bechyně): Dovolím si mírně nesouhlasit se závěrem článku, že elekrické vytápění bude v příštích 20 letech spíše komfortem. Pokud se prosadí trend výstavby nízkoeergetických a "skoropasivních" domů s výpočtovými tepelnými ztrátami 4 kW a méně, tak se elektrické vytápění popř. v kombinaci se slunečními kolektory nebo zdrojem tepla na biomasu jistě stane běžným standadem.

Aktualizační poznámka:

Současnost roku 2019 dává za pravdu diskuzní poznámce Ing. Bechyněho. Co v době prvního zveřejnění článku ještě nemohl znát, je aktuální přechod na budovy s téměř nulovou potřebou energie od 1.1.2020 i u rodinných domů. Tomu odpovídá velký zájem o tepelná čerpadla. Pro vytápění jich je nejvíce prodáváno s výkony okolo 6 kW. Rovněž zájem o využití elektrické energie její přímou přeměnou na tepelnou energii je častým požadavkem stavebníků. Výpočtová tepelná ztráta RD okolo 4 až 5 kW již není unikátní záležitost.

Na trhu dostupné sety s topnými rohožemi i pro dodatečnou vestavbu elektrického podlahového nebo stěnového vytápění jsou často využívány pro modernizace koupelen. Jako progresívní se jeví i kombinace, kdy podlahové vytápění tvoří základ, ke kterému se z pocitových důvodů a rychlejší reakce na dodatečné tepelné zisky přidává malé, sálavé těleso se zajímavým designem.

Jakýkoliv záměr pro rekonstrukci nebo instalaci nového topného systému by měl být posuzován nejen z hlediska pořizovací ceny na zdroj tepla s regulační technikou, v řadě případů i včetně nové přípojky energie pro budovu, rekonstrukce elektrické instalace i rozvodnice s měřením, ale také z hlediska pravděpodobných nákladů za odběr elektřiny. Proto by součástí projektů s elektrickým vytápěním měl být vždy výpočet tepelných ztrát vytápěných místností a návrhy na zlepšení tepelně technických vlastností obvodového pláště budovy, resp. tepelných izolací rozvodů a zásobníků tepla a minimalizace soudobého příkonu pro elektrická vytápění.

Vzhledem k rozsahu příspěvku nelze detailně vymezit všechny klady a zápory jednotlivých elektrických topných soustav.

Z přímotopných systémů pro základní vytápění lze doporučit především velkoplošné zdroje s vyšší sálavou složkou nebo konvektory, resp. etážové elektrokotle, akumulaci lze uvažovat pro základní vytápění vybraných místností nebo budov. Vývoj pravděpodobně potvrdí rozvoj smíšených systémů vytápění, které je možné realizovat jak lokálními, tak ústředními zdroji tepla, např. při využití akumulace po celou topnou sezonu a s přímotopným dotápěním v mrazivých dnech nebo od určité vnitřní teploty také po celé topné období. Příkladem může být tzv. dělený systém s akumulačním ústředním vytápěním budovy a s přitápěním přímotopnými topidly v jednotlivých místnostech.