Experimentální dům pro výzkum větrání

Pozadí projektu

Myšlenka stavby experimentálního domu pro výzkum větrání vznikla v souvislosti se zapojením Odboru termomechaniky a techniky prostředí Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně do projektu 5. rámcového programu EU s názvem RESHYVENT (RESidential HYbrid VENTilation). Experimentální dům měl původně sloužit pouze ke zkoumání hybridního větrání v podmínkách České republiky. Tato myšlenka, postavit jednoduchou stavbu, která by byla spíše laboratoří než obytným domem, byla však záhy opuštěna. Následně byl formulován nový záměr, a to postavit demonstrační stavbu velikosti rodinného domu, která by svými tepelně technickými vlastnostmi výrazně překračovala požadavky platných norem a byla vybavena moderním hybridním větracím systémem a dalšími systémy pro úsporu energie při vytápění a větrání. Hlavní myšlenkou nového záměru bylo, aby experimentální dům sloužil široké odborné i laické veřejnosti jako ukázkový projekt implementace řízeného větrání v podmínkách České republiky.

Jako základ větracího systému byl použit hybridní větrací systém pro mírné klimatické pásmo, vyvinutý v rámci projektu RESHYVENT konsorciem nizozemských firem ve spolupráci s ústavem aplikovaného výzkumu TNO. Tento větrací systém byl pro podmínky České republiky doplněn tepelným čerpadlem pro zpětné získávání tepla z větracího vzduchu a solárním komínem pro pasivní chlazení v letním období. Vzhledem k omezenému časovému prostoru pro výstavbu domu byla zvolena dřevostavba s dobrou tepelnou izolací.

Experimentální dům pro výzkum větrání bude sloužit jak k výukovým a demonstračním účelům, tak ke zkoumání řízeného větrání v podmínkách České republiky. V domě je instalován rozsáhlý měřicí systém, který monitoruje množství parametrů potřebných pro hodnocení přínosu řízeného větrání jak po stránce kvality vzduchu tak energetických úspor.

V 1. N.P. se nachází prezentační místnost (obývací pokoj), která bude postupně vybavena potřebnou technikou umožňující seznámit zájemce z řad odborné i laické veřejnosti s instalovaným systémem větrání a dalšími systémy TZB a také s výsledky zde probíhajících měření a experimentů.

Technické řešení

Experimentální dům je koncipován jako samostatně stojící stavba velikosti rodinného domu o dvou nadzemních podlažích s plochou střechou. Konstrukčně je dům řešen jako dřevěný skelet opláštěný OSB deskou. Stavba je založena na patkách umístěných na betonových základových pasech. Mezi podlahou domu a zemí je provětrávaná vzduchová mezera. Odvodnění ploché střechy je řešeno svodem procházejícím budovou, přibližně ve středu dispozice.

Zastavěná plocha je 72,4 m² a užitná plocha 101 m². Půdorys obou podlaží domu je na obr. 3. Vzhledem k záměru využívat dům jako demonstrační má 1. N.P., ve kterém se nachází prezentační místnost, bezbariérový přístup - k domu je vybudován bezbariérový přístupový chodník.

Obr. 3 - Půdorys 1. a 2. N.P. experimentálního domu

Tepelná izolace obvodových konstrukcí

Dům je velmi dobře tepelně izolován. Celková tloušťka tepelné izolace je u všech obvodových konstrukcí 300 mm. Prostor mezi nosnými trámy stěn, střechy a podlahy je vyplněn minerální vlnou. Z vnější strany obvodových stěn je použit zateplovací systém o tloušťce 80 mm, na vnitřní straně je tepelná izolace o tloušťce 60 mm umístěná mezi nosnými profily sádrokartonových desek.

Na obr. 4 je řez obvodovou stěnou s naznačeným složením konstrukce. Součinitel prostupu tepla obvodové stěny je U = 0,15 W.m^-2.K^-1. I při takto nízké hodnotě součinitele prostupu tepla je celková šířka konstrukce, jak je vidět na obrázku, poměrně malá a to 320 mm.

Na obr. 5 je složení konstrukce ploché střechy nad 2. N.P. Součinitel prostupu tepla střechy je U = 0,17 W.m^-2.K^-1, a to bez uvažování tepelného odporu polystyrenových desek, pomocí kterých je vytvořen spád střechy směrem k odvodňovacímu otvoru. Do výše uvedené hodnoty součinitele prostupu tepla nebyl rovněž zahrnut tepelný odpor kačírku, který chrání hydroizolaci.

Obr. 4 - Složení konstrukce stěny

Obr. 5 - Složení konstrukce stropu

Na obr. 6 je složení podlahy v 1. N.P. Podlaha má ze všech obvodových konstrukcí nejnižší hodnotu součinitele prostupu tepla a to U = 0,14 W.m^-2.K^-1. V obývacím pokoji a sociálním zařízení v 1. N.P. je použito podlahové vytápění. Izolaci podlahy v 1. N.P. tedy tvoří, kromě 300 mm minerální vlny, také styrodurové desky použité pro rozvod podlahového topení v obývacím pokoji a sociálním zařízení a pro vyrovnání výšky podlahy v ostatních místnostech.

Obr. 6 - Složení konstrukce podlahy

Součinitel prostupu tepla u oken a vnějších dveří je U = 1,1 W.m^-2.K^-1. Celkově lze říci, že součinitele prostupu tepla u obvodových konstrukcí výrazně převyšují požadavky platných stavebních norem.

Vytápění

Experimentální dům má teplovodní vytápění s akumulačním zásobníkem o objemu 400 l. Vytápěcí systém je koncipován jako nízkoteplotní: radiátorové topení 50/40 °C a podlahové topení 35/30 °C. Cílem je co nejlépe využít energii ze solárních kolektorů a tepelného čerpadla pro zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu. Ohřev teplé užitkové vody je řešen průtokovým ohřívačem umístěným v akumulační nádobě. Schéma systému vytápění je na obr. 7.

Na střeše domu jsou umístěny dva solární kolektory s vakuovými trubicemi o celkové ploše 6 m². Jedná se o zvětšenou variantu kolektorů VS 40-S (výrobce Vacusol). Kolektory s vakuovými trubicemi jsou sice dražší než kolektory ploché, ale mají lepší vlastnosti (vyšší účinnost) při nízkých venkovních teplotách. Vzhledem k velmi nízké tepelné ztrátě domu je tak možné pomocí vakuových kolektorů pokrýt významnou část energie potřebné na vytápění.

Použité vakuové kolektory umožňují podle údajů výrobce získat v podmínkách České republiky 650 až 850 kWh/m² za rok. Pro 6 m² to představuje 3900 až 5100 kWh za rok.

Z demonstračních a experimentálních účelů je v prezentační místnosti (obývacím pokoji) použito jak podlahové tak radiátorové topení. Každý z těchto způsobů vytápění je dimenzován na celou tepelnou ztrátu místnosti. Záměrem je zkoumat a posléze demonstrovat vliv kombinace použitého hybridního větrání s radiátorovým vytápěním, podlahovým vytápěním a kombinací obou na tepelnou pohodu prostředí.

Obr. 7 - Schéma systému vytápění v experimentálním domě

1 Teplotně stratifikovaná vyrovnávací akumulační nádrž 400 litrů s průtočným ohřívákem TUV, výměníkem solárního okruhu a elektrickou topnou vložkou 6 kW 2 Solární kolektory s vakuovými trubicemi 2 x 3 m2 3 Tepelné čerpadlo vzduch-voda pro zpětné získávání tepla z větracího vzduchu

Větrání

Obr. 8 - Umístění samoregulační vyústky

Dům je vybaven hybridním větracím systémem. Hybridní větrací systémy kombinují přirozené a nucené větraní takovým způsobem, aby bylo dosaženo co nejnižší spotřeby energie. Základem větracího systému v experimentálním domě je hybridní větrací systém pro mírné klimatické pásmo vyvinutý konsorciem nizozemských firem v rámci projektu RESHYVENT. Hybridní větrací systémy se rozdělují na tři základní skupiny. Použitý větrací systém spadá do kategorie označované v angličtině jako "fan assisted natural ventilation" tzn. přirozené větrání asistované ventilátorem. Pokud je to možné, využívá systém pro větrání přirozených sil (rozdíl teplot, účinek větru), a pouze pokud tyto síly nejsou dostatečné pro zajištění potřebné výměny vzduchu, uvádí se do činnosti ventilátor.

Větrací systém se skládá ze samoregulačních vyústek pro přívod vzduchu, vzduchovodů, odváděcího ventilátoru, střešního nástavce (využívajícího účinku větru), centrální řídicí jednotky a senzorů CO₂.

Obr. 9 - Princip činnosti samoregulační vyústky

Samoregulační vyústky pro přívod vzduchu jsou umístěny nad okny nebo dveřmi obytných místností (obr. 8). Vyústky jsou ovládány servomotoricky a zajišťují konstantní průtok vzduchu bez ohledu na tlakový rozdíl na fasádě. Celý systém je navržen tak, že nominální průtok vzduchu vyústkou je dosažen již při rozdílu tlaků 1 Pa. Princip činnosti samoregulační vyústky je na obr. 9. Vyústka udržuje konstantní průtok vzduchu (např. 10 l.s^-1) bez ohledu na rozdíl tlaků uvnitř a vně budovy.

Vzduch je odváděn odváděcími vyústkami, které jsou umístěny v kuchyni, v koupelně a sociálním zařízení. Větrání je řízeno automaticky na základě monitorování koncentrace CO₂ v obytných místnostech (obr. 10). V domě jsou celkem čtyři senzory CO₂, které se nachází v obývacím pokoji, pracovně a obou pokojích. Pokud koncentrace v místnosti dosáhne nastaveného limitu, dojde k otevření přiváděcí vyústky a do místnosti se přivádí venkovní vzduch až do okamžiku snížení koncentrace CO₂ pod nastavený limit. Oba limity je možné nastavit v centrální řídicí jednotce (např. otevření vyústek při dosažení koncentrace 800 ppm a uzavření vyústek při poklesu koncentrace na 600 ppm).

Použitím větrání řízeného na základě aktuálních požadavků je možné omezit celkovou výměnu vzduchu uvnitř budovy (při zachování kvality vzduchu) a tím podstatně snížit tepelnou ztrátu větráním.

Předpokladem použití řízení větrání je vysoká vzduchotěsnost budovy. Pro daný systém je to N₅₀ < 3 tzn. 3 výměny vzduchu při rozdílu tlaků 50 Pa. Při nízké vzduchotěsnosti budovy dochází ke značné infiltraci venkovního vzduchu a tím se omezuje význam řízeného větrání. Navíc tepelná ztráta spojená s vysokou infiltrací vzduchu do budovy znehodnocuje přínos nízké tepelné ztráty prostupem tepla. Z tohoto důvodu byla vzduchotěsnosti experimentálního domu věnována značná pozornost. Měření vzduchotěsnosti bylo provedeno v únoru 2003 s výsledkem N₅₀ = 2,5 1/hod.

Obr. 10 - Schéma hybridního větracího systému

Přiváděcí vyústky je možné ovládat pomocí dálkového ovládaní podobného tomu, které se používá např. pro ovládaní televizoru a další elektroniky. Uživatel tak má možnost v každé chvíli zasáhnout do činnosti systému a např. vstupní vyústku uzavřít, pokud by byl obtěžován průvanem. Po zásahu uživatele zůstane vyústka v pozici požadované uživatelem po předem stanovenou dobu např. 6 hod a potom se systém vrátí do automatického módu (viz obr. 13).

Pro snížení tepelné ztráty větráním je větrací systém doplněn tepelným čerpadlem vzduch-voda pro zpětné získávání tepla z větracího vzduchu. Tepelné čerpadlo pracuje při průtoku větracího vzduchu větším než 35 l/s. Objem vodního zásobníku tepelného čerpadla je 270 l. Přečerpávání vody mezi zásobníkem tepelného čerpadla a hlavním akumulačním zásobníkem otopného systému je řízeno automaticky v závislosti na rozdílu teplot.

Solární komín, který je instalován nad schodištěm, slouží k intenzivnímu větrání budovy v teplém ročním období, kdy výměna vzduchu v domě není spojena s tepelnou ztrátou a právě naopak je žádoucí odvádět tepelnou zátěž větráním. Solární komín je experimentální zařízení a jeho přínos pro tepelnou pohodu prostředí a kvalitu vnitřního vzduchu bude studován v následujících letech. Principiálně je solární komín vzduchovým kolektorem, ve kterém se slunečním zářením ohřívá vzduch a zvyšuje se tak "hnací" síla pro přirozené (šachtové) větrání.

Ověření funkčnosti větracího systému v demonstračním domě

Protože demonstrační dům není zatím trvale obydlen, je koncentrace CO₂ uvnitř domu po většinu času stejná jako koncentrace CO₂ ve venkovním vzduchu. Na obr. 11 je koncentrace uvnitř jednotlivých místností v průběhu pěti dnů.

Obr. 11 - Koncentrace CO₂ uvnitř domu (bez přítomnosti osob)

Jak je vidět, pohybovala se koncentrace CO₂ okolo 400 ppm, tedy pod hranicí pro otevření přiváděcích vyústek.

Z tohoto důvodu bylo nutné pro ověření funkčnosti systému přítomnost osob simulovat, a to uvolňováním CO₂ do vzduchu. Simulace přítomnosti osob byla provedena v obývacím pokoji. Množství uvolňovaného CO₂ bylo konstantní a to cca 36 l/hod. Uspořádání experimentu je vidět na obr. 12. Při této příležitosti byla rovněž ověřena přesnost snímače CO₂ pomocí analyzátoru plynů Bruel and Kjaer 1302. Hadička pro odběr vzorků pro analyzátor plynů, jak je vidět na obrázku 12, byla umístěna blízko senzoru CO₂. Analyzátor plynů byl během testu umístěn v kuchyni a dveře mezi kuchyní a obývacím pokojem byly nahrazeny dřevotřískovou deskou.

Obr. 12 - Simulace přítomnosti osob

Graf na obr. 13 ukazuje koncentraci CO₂ a průtok vzduchu vyústkou v době přibližně 4 dnů, kdy probíhala simulace přítomnosti osob. Během sledovaného období bylo simulováno také uzavření vyústky uživatelem, což se projevilo zvýšením koncentrace CO₂ v místnosti. Provedená zkouška prokázala funkčnost hybridního větracího systému. V programovém režimu byl větrací systém schopen udržovat koncentraci CO₂ pod hodnotou 1200 ppm (viz pravá část grafu).

Obr. 13 - Koncentrace CO₂ a průtok vyústkou v obývacím pokoji