Integrace vytápění a ohřevu TUV v nízkoenergetických bytových domech

1. Úvod

Je nutno si uvědomit, že nízkoenergetické bytové domy představují kvalitativně něco nového, a proto nelze použít běžné systémy a zároveň docílit požadované účinnosti využití tepelné energie. To, co platilo pro dosavadní výstavbu, nemusí nutně platit v tomto novém prostředí.

Předně je nutno přihlédnout ke změnám v termální dynamice takto velmi dobře zateplených budov, ke změněnému poměru spotřeby energie pro otop a ohřev teplé užitkové vody a také poměrnému vlivu tepelných zisků. Dále je nutno vzít v úvahu vliv mikro-klimatických podmínek a jejich možných krátkodobých změn vyvolaných tepelnými zisky a činností otopných a větracích systémů na pocit tepelné pohody uživatelů a jejich případné reakce.

Řešení je vždy několik, ale mnohá nebudou efektivní z hlediska investičních a provozních nákladů

2. Spotřeba Energie

Stávající výstavba

V dosavadních bytových domech, viz obr. 1, převládala ztráta pláštěm budovy, ztráta větráním je podstatně menší. Tepelné zisky v průměru představují jen několik procent tepelných ztrát.

Tepelné ztráty pláštěm budovy jsou poměrně konstantní s tepelnou setrvačností několika dnů. Tepelná ztráta větráním je v praxi závislá na mnoha faktorech - rychlosti větru a jeho směru, těsnosti oken a vlivu "komínového efektu" vyvolaného schodištěm. "Utěsnění" oken jen dále snižuje podíl větrání na celkové tepelné ztrátě. Tepelné zisky způsobené přítomností uživatelů a jejich činností typicky představují jen 12% roční spotřeby tepla na vytápění (7), (9).

Roční spotřeba tepelné energie pro ohřev teplé užitkové vody (TUV) dosahuje typicky jen 24% celkové roční spotřeby tepla budovy.

Obr. 1a: Poměrná spotřeba energie a tepelné zisky panelového bytového domu G57 se 40 bytovými jednotkami

Obr. 1b: Vnitřní tepelné zisky v procentech roční spotřeby tepla na vytápění

Nízkoenergetické bytové domy

Tepelná ztráta pláštěm budovy je minimální. Vysoce zateplená budova se chová jako velmi "těžká" budova (1) a má tudíž značnou tepelnou setrvačnost. Tato vlastnost má za následek zvýšenou přirážku na zátop. Nízkoenergetické budovy jsou většinou "těsné" a k zajištění minimální hygienickými předpisy požadované výměny vzduchu jsou často instalovány systémy nuceného větrání, většinou s odtahovými ventilátory a přívodními otvory. Tepelné ztráty větráním jsou téměř rovnocenné tepelným ztrátám pláštěm budovy. Tepelné zisky mohou pokrýt podstatnou část tepelných ztrát pláštěm budovy i při výpočtových teplotách.

Roční spotřeba tepelné energie pro ohřev TUV je rovnocenná roční spotřebě tepla na otop.

3. Dynamika odběru tepelné energie

Profil odběru tepelné energie nízkoenergetické bytové jednotky pro slunný zimní den je zobrazen na obr. 2. Profil je typický tím, že nízký odběr tepelné energie pro otop je modulován nejen venkovní teplotou, ale podstatně solárními zisky. Graf ilustruje to, že i v zimním období je tepelný zdroj v průměru vytížen na méně než 50% svého nominálního výkonu. Graf předpokládá ideální regulaci, která umožňuje okamžitý útlum příkonu tepelné energie do jednotlivých místností. Jestliže má otopný systém větší setrvačnost, například podlahové vytápění, nutně dojde k nepřijatelným mikroklimatickým podmínkám, které budou uživatelé řešit otevřením oken, a tím dojde také k plýtvání energií.

Obr. 2: Denní průběh odběru tepla z otopné soustavy

Oproti tomu, odběr TUV je charakterizován krátce trvajícími špičkovými odběry s několika déle trvajícími odběry - koupel, sprcha.

4. Tepelné mikroklima

Z hlediska tepelné bilance bytu se způsob, jakým je zajištěn otop, nezdá důležitým. Avšak z hlediska uživatele a jeho komfortu je to klíčová otázka.

Z výzkumu je známo (1), (2), že dodržení výpočtové teploty měřené uprostřed místnosti není dostatečnou podmínkou k zaručení tepelné pohody. Přerušení vytápění, to je příkonu tepelné energie, má za následek, že se prosadí negativní konvekční proudění, případně umocněné nuceným větráním, a vytvoří se "průvan" v oblasti nohou, zejména kotníků. Výsledky měření dokazují, jak citlivý je komfort na tomto parametru. "Průvan" v oblasti kotníků o teplotě 19°C a rychlosti proudění jen 0,2 m/s při pokojové teplotě 23 °C má za následek 20% nespokojených subjektů. Jinými slovy, jestliže jen jedna malá část těla není v tepelné pohodě, prostředí je hodnoceno záporně. Při nuceném větrání je průběžný ohřev přiváděného vzduchu z hlediska komfortu naprosto nutný.

Vzhledem ke změnám v dynamice odběru tepelné energie a citlivosti na tepelné zisky a ztráty větráním je nezávislý provoz jednotlivých bytů s individuálním měřením spotřeby tepla a individuální volbou teplot z hlediska energetických úspor nutností. Toto vyplývá z širokého rozpětí (16 - 27 °C) požadovaných teplot v jednotlivých bytech (3), (4), které podstatně ovlivňují výši docílených úspor tepelné energie po celé otopné období. Nezávislý provoz sám o sobě může docílit až 20% úspor ročních nákladů na energii.

5. Požadavky na vytápění a TUV

Požadavky na otopné systémy a ohřev TUV pro nízkoenergetické bytové domy jsou rozdílné od požadavků na stávající systémy. Je možno je shrnout do následujících bodů:

• schopnost zajistit malé příkony tepla (~1000 W a méně) s maximální účinností. Celoroční účinnost je podstatně ovlivněna účinností v údobí mimo výpočtových klimatických podmínek, kdy je tepelný zdroj jen částečně vytížen a dochází k opětovnému zapalování (cyklování) zdroje. Poměr mezi maximálním požadavkem na odběr tepelné energie a průměrnou hodnotou je méně příznivý než u běžných budov.
• schopnost rychle reagovat na tepelné zisky, a to v každé jednotlivé místnosti
• možnost individuálního provozu každé bytové jednotky. Vzhledem k uvedeným rozdílům v požadovaných teplotách v jednotlivých bytech není centrální ekvitermní regulace (i po jednotlivých fasádách) účinným řešením. Regulovaná teplota by musela vyhovovat nejvyšším požadovaným teplotám.
• zajistit ohřev TUV s nejvyšší účinností. Účinnost nesmí být ovlivněna profilem odběru. Požadavky na kvalitu dodávky TUV musí být dodrženy, spíše vyšší, protože nároky stále rostou.
• nízké provozní a investiční náklady
• možnost snadné změny palivové základny

6. Běžné systémy

Klasické řešení vytápění bytových domů s ústředním zdrojem (kotelnou), vertikálním rozvodem a centrálním ohřevem TUV neumožňuje nezávislý provoz jednotlivých bytů a jasné měření spotřebovaného tepla a také trpí nízkou účinností ohřevu TUV vzhledem k nutnosti cirkulace a omezenou možností současné dodávky TUV ve více bytech. Nízkou účinností ohřevu TUV trpí také systémy s bytovými stanicemi, které také vyžadují vyšší instalovaný výkon kotelny a větší dimenze rozvodu.

Možnost individuálního provozu každé bytové jednotky lze jednoduše docílit samostatným (etážovým) systémem vytápění a ohřevu TUV v každé bytové jednotce. Avšak splnění dalších shora uvedených požadavků použitím běžných individuálních systémů a to jak klasických zásobníků TUV tak kotlů typu kombi není snadné.

7. Integrované systémy Enplan

Klíčem k úspěšnému řešení je splnění shora uvedených požadavků. Základním požadavkem je docílení nejvyšší možné účinnosti tepelných zdrojů.

Jednotlivé byty

Otopná soustava v objektu vyhovujícím současným požadavků z hlediska tepelné ochrany budov vyžaduje regulaci požadovaného výkonu pro jeden byt v rozmezí 0,3 až 2,5 kW. Pro průtočný ohřev TUV je potřebný výkon řádově větší. Kvalitní dodávka TUV - 12 l/min o teplotě 55°C - vyžaduje zdroj o výkonu minimálně 40 kW. Běžné kotle kombi nebo průtokové ohřívače o výkonu 24 - 28 kW jsou svým poměrně nízkým průtokem TUV vhodné jen pro určité typy bytů.

V současné době nejsou k dispozici tepelné zdroje, které by byly schopny toto rozmezí obsáhnout a zároveň docílit požadované účinnosti, a je málo pravděpodobné, že v dohledné době budou. Důvodem je složitost technického řešení a tím i vysoká cena.

Technicky a ekonomicky schůdným řešením je integrovaná akumulace tepla. Základem integrované akumulace tepla je vložení integrovaného zásobníku tepla Enplan (IZT) mezi zdroj a odběr tepla, viz obr. 3, kde je zobrazen systém Enplan Solo. Otopná soustava je napojena přímo na IZT a pitná voda se ohřívá průtokově ve vestavěném výměníku.

Obr. 3: Integrovaný Zásobník Tepla

Toto uspořádání umožňuje:

• dimenzovat zdroj na tepelnou ztrátu pláštěm bytu (špičkové odběry kryty zásobníkem)
• snížit opětovné zapalování (cyklování) řádově na jednu desetinu, tepelné zdroje jsou využívány v režimu jejich optimálního provozu
• účinnost zdroje není ovlivněna profilem odběru, účinné krytí malých a měnících se tepelných ztrát je zajištěno
• rychlý zátop, díky přítomnosti akumulované tepelné energie otopná soustava dosáhne plného výkonu ve velmi krátké době (~ 1 minuta). Při přerušovaném provozu toto představuje 6% úspory na ročních nákladech na palivo.
• teplá pitná voda je k dispozici okamžitě a nedochází k její akumulaci
• nehrozí nebezpečí legionelly, voda ve výměníku je udržována nad teplotou potřebnou k zamezení množení bakterií legionelly

Bytové domy

Vytápění a ohřev TUV v nízkoenergetických bytových domech lze řešit jednoduše, a to modulárně. Každý byt je samostatnou a nezávislou jednotkou s integrovaným zásobníkem tepla jakožto zdrojem vytápění a teplé vody - viz obr. 4, kde je zobrazen systém Enplan Multi. Co se týče uživatele, vše, co se změnilo oproti individuálnímu (etážovému) systému Enplan Solo, je, že zdroj tepla, například kotel, je nahrazen připojením na jakýkoliv centrální zdroj - domovní kotelna, CZT, alternativní zdroje.

Efektivitu celého systému lze dále zvýšit použitím tepelného zásobníku - mezizásobníku = vloženého mezi tepelný zdroj a domovní rozvod. Tím se celý domovní systém rozdělí na tři samostatné části - bytová jednotka, rozvod a zdroj tepelné energie. Každá část pak může fungovat zcela samostatně a tím s maximální účinností.

Výhody pro jednotlivé části celkového domovního systému jsou:

Byt Veškeré výhody etážového systému jsou zachovány včetně jednobodového měření spotřebované tepelné energie buď pomocí měřiče tepla nebo poměrově pomocí levnějšího vodoměru. Poměrový rozpočet nákladů je možný, protože teplota přívodu je relativně konstantní. Voda se ohřívá v každé bytové jednotce a tím odpadají ztráty rozvodem. Každá bytová jednotka může mít jakýkoliv otopný systém nebo způsob regulace, aniž by byl ovlivněn domovní systém nebo ostatní bytové jednotky. Teplá voda a možnost vytápění jsou vždy k dispozici, aniž by byla ovlivněna účinnost zdroje a rozvodu. Rozvod Dvoutrubkový rozvod lze dimenzovat jen na tepelné ztráty vnějším pláštěm budovy. Rozvod je v provozu pouze v době, kdy je zásobník nabíjen. Minimální tepelné ztráty rozvodu (jen dvoutrubkový, minimální dimenze, omezený provoz). Zdroj Veškeré výhody plynoucí z vložení tepelného mezizásobníku mezi tepelný zdroj a odběr tepelné energie pomocí domovního rozvodu jsou zachovány. Další výhody plynou pro dodavatele energie, například podstatně menší dimenze napojení CZT a možnost přerušení provozu sítě, menší plynová přípojka atd.

Obr. 4: Modulární systém vytápění a ohřevu pitné vody s Integrovanými Zásobníky Tepla a Mezizásobníkem

Systémy s integrovanou akumulací tepla vykazují v běžné výstavbě úsporu 15-30% ročních nákladů na palivo (5) a investiční náklady o 20% nižší oproti běžným systémům (6).

8. Závěry

1. Nízkoenergetické bytové domy představují nejen kvantitativní, ale i kvalitativní změnu oproti stávající výstavbě.
2. Změna v dynamice odběru tepelné energie spojená s požadavky na tepelné mikroklima a kvalitní dodávku TUV vyžadují nové řešení systémů vytápění a ohřevu TUV, jestliže má být dosaženo efektivního využití paliv.
3. Integrace vytápění a ohřevu TUV pomocí integrovaných zásobníků tepla Enplan umožňuje oddělení zdroje od spotřeby tepla, z čehož plyne řada výhod. Systémy Enplan Multi pro vytápění a ohřev TUV v nízkoenergetických bytových domech tvoří tři samostatné části - bytová jednotka, rozvod a zdroj tepelné energie, což umožňuje jejich efektivní provoz a tím maximální účinnost celého systému.

Literatura

1. Nevřala, D.J., "Úspory energie v obytných budovách" STP Symposium Energetické úspory versus zdraví, Praha, Czech Republic, prosinec 1997.
2. Nevřala, D.J., Pimbert, S.L. "Subjective response to environmental conditions produced by space conditioning systems in residential buildings". International Conference on Quality Standards for the Indoor Environment: Scientific and Regulatory Aspects. Prague, Czechoslovakia. (1-3 Dec 1992).
3. Nevřala, D.J., Jokl, M.V., "Reakce uživatelů na nový koncept vytápění obytných budov - I část" Český plynárenský a naftový svaz, Plyn 9/96.
4. Nevřala, D.J., Jokl, M.V., "Reakce uživatelů na nový koncept vytápění obytných budov - II část" Český plynárenský a naftový svaz, Plyn 10/96.
5. Nevřala, D.J., Krajcar, J.,"Zkušenosti s použitím integrovaných zásobníků tepla při rekonstrukcích otopných soustav" STP Společnost pro techniku prostředí, odborná sekce vytápění, 15. Konference, Praha, Czech Republic, 1997.
6. Verbundnetz Gas AG, Erdgas Report 1/94 "Direkt-warmesysteme im Vergleich"
7. Vyhláška MPO 291/2001 Sb., kterou se stanoví účinnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách.
8. ČSN 730540 (2002) Tepelná ochrana budov
9. Kabele K.: Příspěvek k problematice teplovzdušného vytápění obytných budov. Sborník příspěvků Konference Klimatizace a větrání 2002, str.77-82,29-30.1.2002 Praha, STP, 2002.