Akú vnútornú teplotu treba zabezpečiť pri energetickom manažmente budov?

Abstrakt

Pri návrhu a prevádzke budov je nevyhnutné dbať na požiadavky vnútorného prostredia z hľadiska tepelno-vlhkostnej mikroklímy a kvality vzduchu. Vysoká kvalita vnútorného prostredia vyjadrená ukazovateľmi ako teplota vzduchu, relatívna vlhkosť, koncentrácia oxidu uhličitého, či osvetlenosť má na zdravie, komfort a výkonnosť človeka veľký vplyv. Najmä v priestoroch s dlhodobým pobytom osôb je dôležité zabezpečiť požadovanú kvalitu vzduchu. Najčastejšie sa pri výpočte potreby tepla pre bytové priestory uvažuje predpoklad ohľadne tepelného odporu oblečenia v zimnom období 1,0 clo, čo predstavuje teplejší odev zahŕňajúci spodnú bielizeň, tričko, nohavice, ponožky a vrchnú vrstvu. Vo veľa prípadoch obyvatelia v domácnostiach miesto zvýšenia vrstiev alebo hrúbky oblečenia majú sklon k prekúreniu priestoru, čo vedie k zvýšeniu potreby tepla na vykurovanie. Preto sa v príspevku zameriavame na vplyv zvýšenia vnútornej teploty na spotrebu energie.

Přečtěte si také Program konference TZB-info Rekonstrukce a provoz bytových domů 2021 Přečíst článek

1. Úvod

Merania kvality vzduchu sú dôležité z hľadiska tepelnej pohody pre človeka. Prostredie priamo aj nepriamo ovplyvňuje psychickú aj fyzickú stránku človeka, preto je dôležité zabezpečiť čo najlepšie podmienky vnútornej teploty. Pre optimálny návrh technických systémov a objektívne posúdenie kvality prostredia v prípade sťažností treba v prvom rade poznať kritériá na tepelnú pohodu, vetranie a kvalitu vnútorného vzduchu. Na Slovensku sú požiadavky na celkovú tepelnú pohodu stanovené vyhláškou MZ SR č. 99/2016 Z. z. a MZ SR č. 259/2008 Z. z. a základnými normami týkajúcimi sa vnútorného prostredia sú na Slovensku STN EN 16798-1 a STN EN ISO 7730.

2. Tepelná pohoda

Vyhláška MZ SR č. 99/2016 Z. z. definuje štyri triedy práce na základe energetického výdaja. Tabuľka 1 ukazuje definíciu triedy práce 1a, ktorá je typická napríklad pre aktivity administratívneho charakteru. Týmto triedam práce zodpovedajú optimálne rozsahy operatívnej teploty, ktoré sú definované zvlášť pre teplé a zvlášť pre chladné (Tabuľka 2) obdobie.

Tab. 1 Triedy práce podľa celkového energetického výdaja [3]

Tab. 2 Rozsah optimálnych a prípustných hodnôt faktorov tepelno-vlhkostnej mikroklímy pre chladné obdobie [3]

Požiadavky definované vo vyhláške MZ SR č. 99/2016 Z. z. a vyhláške MZ SR č. 259/2008 Z. z. vychádzajú z PMV-PPD modelu, ktorý bol vyvinutý prof. Fangerom [1]. PMV (Predicted Mean Vote) index predpovedá strednú voľbu veľkej skupiny ľudí na sedembodovej škále. PMV možno vypočítať pomocou modelu definovaného v STN EN ISO 7730, ktorý berie do úvahy teplotu vzduchu, teplotu okolitých povrchov, metabolickú aktivitu a tepelný odpor odevu užívateľov, rýchlosť prúdenia vzduchu a vlhkosť vzduchu. Na základe PMV možno stanoviť predpovedané percento ľudí nespokojných s tepelným prostredím, PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). Od týchto podmienok sa odvíja aj odporúčaný teplotný rozsah vnútornej teploty definovaný v STN EN 16798-1.

Tabuľka 3 určuje dovolené hodnoty podľa PMV (stredný tepelný pocit) a PPD (percentuálny podiel nespokojných) hodnotenia v prostredí, ako prijateľné rozmedzia operatívnej teploty po zhodnotení predpokladov týkajúcich sa environmentálnych podmienok s odhadnutím dvoch subjektívnych faktorov, a to tepelný odpor oblečenia a metabolická aktivita.

Adaptívny model tepelnej pohody

Hodnotenie tepelnej pohody v budovách podľa adaptívneho modelu vychádza z predpokladu, že prijateľné teplotné rozmedzie v interiéri závisí od vonkajších klimatických podmienok. Adaptívny model, ktorý je použiteľný len v prirodzene vetraných priestoroch, predpokladá, že ľudia sa rýchlejšie adaptujú v priestore s vyššou vnútornou teplotou v teplejších klimatických oblastiach, pokiaľ majú voľný prístup k otváraniu okien a možnosť osôb prispôsobovať svoj odev. Základom pre hodnotenie podľa STN EN 16798-1 je, že ľudia sú ochotní akceptovať vyššie teploty v teplých vonkajších podmienkach za predpokladu, že majú možnosť prijať opatrenia v reakcii na tepelné prostredie. Návrhové hodnoty sú uvedené na obr. č. 1 a sú použiteľné len v priestoroch s prevažne sedavou aktivitou a nízkou metabolickou aktivitou.

Obr. 1 Návrhové hodnoty operatívnej teploty pre adaptívny model [4]

3. Vplyv vnútornej teploty na potrebu tepla na vykurovanie

Hlavným cieľom pri návrhu a prevádzke budov je zabezpečiť komfortné a zdravé vnútorné prostredie. Zároveň je ekonomickým cieľom dosiahnuť optimálnu spotrebu energie. Na Slovensku sa už niekoľko desaťročí robia opatrenia na zníženie spotreby energie. Významný vplyv na optimalizáciu potreby tepla má vnútorná teplota, súčasne musíme dbať na to, aby znižovanie spotreby energie nešlo na úkor tepelnej pohody.

Aký výrazný vplyv má vnútorná teplota môže byť znázornené na príklade bytového domu v pôvodnom stave a v stave po obnove, kedy boli zateplené stavebné konštrukcie a vymenené okná. Hodnoty súčiniteľa prechodu tepla U [W/(m².K)] pre pôvodný stav BD a pre nový stav po obnove BD sú uvedené v Tab. 4.

Potreba tepla pre pôvodný aj nový stav je znázornená na obr. 2 a 3. Na grafoch vidieť, že pri pôvodnom stave BD zvýšenie teploty o 5 °C spôsobí nárast potreby tepla o 48 %, zatiaľ čo pri obnovenom BD je percentuálny nárast potreby tepla vyšší, a to o 66 %. Avšak pokiaľ potrebu tepla porovnáme v absolútnych číslach, nárast potreby tepla s vnútornou teplotou je nižší pre dobre izolovaný BD než pre zle izolovaný BD.

Obr. 2 Potreba tepla v závislosti od teploty pre pôvodný stav BD

Obr. 3 Potreba tepla v závislosti od teploty pre nový stav BD

4. Stanovenie tepelnej pohody pomocou PMV-PPD modelu

Pre hodnotenie tepelného stavu prostredia je dôležitá nie len teplota, ale aj ďalšie parametre. Tie sa rozdeľujú na objektívne parametre vnútorného prostredia, ako teplota vzduchu, stredná radiačná teplota, vlhkosť vzduchu, rýchlosť prúdenia vzduchu, a subjektívne parametre, a to hodnota metabolickej aktivity a tepelný odpor oblečenia. PMV a PPD hodnotu je možné stanoviť subjektívnym hodnotením skupiny osôb v danom priestore a následným výpočtom uvedeným v norme STN EN ISO 7730, alebo jednou z možností je aj výpočet z rovníc pomocou počítačového programu.

V tabuľke 5 a 6 sú vypočítané hodnoty PMV a PPD pre odporúčaný rozsah optimálnej teploty v zimnom období pre obytné priestory. V tabuľke 5 je uvažovaná aktivita 0,9 met, ktorá zodpovedá odpočinku, v kombinácií s tepelným odporom 0,9 clo, čo reprezentuje typický domáci odev v zime. V tabuľke 6 je kombinácia vyššej metabolickej aktivity 1,2 met a vyšší tepelný odpor oblečenia 1,19 clo. Z výpočtov je zrejmé, že v zimnom období pri nízkom metabolickom výdaji a tiež ľahšom odeve je komfortná teplota vyššia (24–25 °C), čo tiež vplýva na zvýšenie spotreby energie. Ak by sa ale metabolická aktivita zvýšila aj s tepelným odporom oblečenia, komfortná teplota pre užívateľov by sa znížila. Pri pohľade na obr. 2 a 3 možno konštatovať, že zvýšenie teploty len o 1 °C má výrazný vplyv na potrebu tepla na vykurovanie, čo sa prejaví na spotrebe tepla v bytoch.

5. Záver

V závere je dôležité zdôrazniť, že šetrenie energie by nemalo ísť na úkor kvality tepelnej pohody. Z uvedeného príkladu vyplýva, že teplota má veľmi významný vplyv na spotrebu energie. Pri zvýšení vnútornej teploty o 1 °C v bytových priestoroch stúpne potreba tepla na vykurovanie o 9,5 % v pôvodnom stave budovy a o 13 % v novom stave. V absolútnych číslach je vplyv teploty výraznejší v starších než v nových dobre izolovaných budovách.

Poďakovanie

Táto práca bola podporovaná Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantov VEGA 1/0303/21 a 1/0304/21.
Táto práca bola podporovaná Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu KEGA 005STU-4/2021.
Tento článok vznikol s podporou programu Erasmus+ Európskej únie v rámci projektu Hi-Smart č. 2019-1-HU01-KA203-060975. Podpora Európskej komisie pri príprave tohto článku nepredstavuje schválenie jeho obsahu, ktorý odráža iba názory autora. Európska komisia nemôže byť zodpovedná za žiadne použitie informácií, ktoré sú v ňom obsiahnuté.

Literatúra

1. Fanger. P.O. (1970) Thermal Comfort. Copenhagen. Danish Technical Press.
2. STN EN ISO 7730:2006 Ergonómia tepelného prostredia. Analytické určovanie a interpretácia tepelnej pohody pomocou výpočtu ukazovateľov PMV a PPD a kritérií miestnej tepelnej pohody (ISO 7730:2005).
3. Vyhláška MZ SR č. 99/2016 Z. z. o podrobnostiach o ochrane zdravia pred záťažou teplom a chladom pri práci (úplné znenie).
4. Vyhláška MZ SR č. 259/2008 Z. z. o podrobnostiach o požiadavkách na vnútorné prostredie budov a o minimálnych požiadavkách na byty nižšieho štandardu a na ubytovacie zariadenia (úplné znenie).
5. STN EN 16798-1:2019 Energetická hospodárnosť budov. Vetranie budov. Časť 1: Vstupné údaje o vnútornom prostredí budov na navrhovanie a hodnotenie energetickej hospodárnosti budov – kvalita vzduchu, tepelný stav prostredia, osvetlenie a akustika. Modul M1-6.
6. Akú vnútornú teplotu treba zabezpečiť pri energetickom manažmente budov? Slovenská společnost pro techniku prostředí, Energetický manažment 2021.