Energetická náročnost rodinných domů vytápěných elektrickými sálavými panely – 1. část
Měřená spotřeba energie na vytápění
Ilustrační obrázek – stropní sálavý panel (Zdroj: Ecora)
První část článku popisuje reálné průběhy vytápění a spotřeby elektřiny sálavými panely dvou rodinných domů s odlišným přístupem k jejich užívání. V druhé části budou domy porovnány z pohledu parametrů svého vnitřního prostředí ve vazbě na měřenou spotřebu energie a jejich energetické náročnosti.
1 Úvod
Článek se věnuje vyhodnocení provozu rodinných domů s elektrickým sálavým vytápěním řešeným stropními sálavými panely. Vyhodnocení provozu je provedeno z měřených hodnot z reálného provozu rodinných domů ve dvou rovinách – spotřebované energii na vytápění v první části článku a kvalitě vnitřního prostředí ve druhé části v navazujícím článku, kde bude také naměřená spotřeba energie na vytápění porovnána s vypočtenou hodnotou z průkazu energetické náročnosti budovy podle vyhlášky č. 264/2020 Sb.
Ilustrační obrázek – Schéma funkce stropních sálavých panelů (Zdroj: Ecora)
2 Měřené rodinné domy
Měřeny a hodnoceny byly dva odlišné rodinné domy. První z rodinných domů je typická novostavba bungalovu rodinného domu, druhým měřeným objektem je řadový rodinný dům z 80. let po modernizaci obálky z dotačního titulu Zelené úsporám. Oba měřené objekty mají vytápění zajištěno pomocí stropních elektrických sálavých panelů společnosti Sakutus CZ a.s. Níže v tabulce jsou uvedeny charakteristiky objektu společně s hlavními vypočtenými hodnotami z PENB podle vyhlášky č. 264/2020 Sb.
| Objekt | RD Babice | RD Doksy |
  |  | |
| Typ budovy | Novostavba – bungalov (Babice u Prahy) | Řadovka z 80. let po zateplení a výměně oken (Doksy u Máchova jezera) |
| Větrání | „přirozeně“ – okny | „přirozeně“ – okny |
| Celková energeticky vztažná plocha [m2] | 161,6 | 169,3 |
| Uem [W/m2.K] | 0,30 | 0,30 |
| A/V [m2/m3] | 0,97 | 0,52 |
| Ochlazovaná plocha obálky budovy [m2] | 490,1 | 265,5 |
| Vnější objem budovy [m3] | 506,5 | 508,0 |
| Výpočtová tepelná ztráta budovy pro −13 °C [kW] | 5,9 | 4,9 |
| Celková dodaná energie [kWh/m2.rok] | 107 | 80 |
| Celková neobnovitelná primární energie [kWh/m2.rok] | 278 | 208 |
| Měrná potřeba tepla na vytápění [kWh/m2.rok] | 81 | 56 |
| Celková spotřeba energie na vytápění [MWh/rok] | 13,73 | 10,0 |
| Hlavní kl. třída pro neobnovitelnou primární energii | G | F |
3 Měření a sběr dat
Měření v objektech probíhalo v období ledna 2021 až května 2021. Přičemž toto období bylo poznamenáno obdobím lockdownu, kdy obyvatelé rodinných domů byli převážně stále uvnitř svých domů. Z měřených dat tak není znatelný rozdíl mezi víkendovými a pracovními dny. Měření probíhalo ve dvou rovinách. Bylo měřeno vnitřní prostředí pomocí senzorů UCEEB IAQ, které byly umístěny v každé obytné místnosti. Monitorovanými parametry byly teploty vnitřního vzduchu, relativní vlhkosti vzduchu, koncentrace organických látek (VOC) a koncentrace CO2. Měření spotřebované energie bylo prováděno dálkovým sběrem dat z elektroměrového rozvaděče pro jednotlivé okruhy elektrického vytápění pomocí bezdrátových měřicích modulů Schneider PowerTag umístěných v rozvaděči na každém okruhu pro vytápění. Měřen byl aktuální příkon a spotřeba elektrické energie. Data byla zaznamenávána v časovém kroku jedné minuty a jejich odečet byl prováděn pomocí dálkového sběru prostřednictvím Wi-Fi, resp. GSM modulu v externím zařízení na které byly napojeny také IAQ senzory.
4 Spotřeba energie na vytápění
V objektech byly měřeny všechny elektrické okruhy vytápění. V RD Babice měla každá místnost vlastní okru, v RD Doksy byly sdruženy zpravidla dvě místnosti do jednoho el. okruhu. Bylo provedeno detailní vyhodnocení průběhu spotřeb energie, níže je zpracovaný stručné shrnutí.
4.1 Spotřeba elektřiny na vytápění rodinného domu v Babicích
Na základě podrobného měření spotřeb energií bylo možné provést analýzu naměřených dat. Na data je možné pohlížet z hlediska spotřebovaných absolutních hodnot, která pro objekt RD Babice činila 3378 kWh elektřiny na vytápění, v měrných jednotkách 26,1 kWh/m2 za měřené období únor až květen.
| únor | březen | duben | květen | celkem | |
|---|---|---|---|---|---|
| Průměrná venkovní teplota [°C] | 0,82 | 4,21 | 7,10 | 12,06 | |
| Průměrná venkovní teplota pracovní dny [°C] | 1,24 | 4,66 | 7,00 | – | |
| Průměrná venkovní teplota víkendové dny [°C] | −0,04 | 2,93 | 7,39 | – | |
| Celková spotřeba budovy na vytápění [kWh] | 974 | 1086 | 852 | 465 | 3378 |
| Měrná spotřeba budovy na vytápění [kWh/m2] | 7,54 | 8,40 | 6,59 | 3,60 | 26,13 |
| Průměrná spotřeba na vytápění za pracovní den [kWh/m2/den] | 0,26 | 0,30 | 0,25 | 0,11 | |
| Průměrná spotřeba na vytápění za víkendový den [kWh/m2/den] | 0,29 | 0,19 | 0,15 | 0,12 | |
| Průměrná spotřeba na vytápění za den [kWh/m2/den] | 0,269 | 0,271 | 0,220 | 0,116 |
Obr. 1 RD Babice – podíl měřených okruhů na celkové spotřebě energie na vytápění
Z koláčového grafu absolutních hodnot spotřeby energie můžeme vidět, že největší spotřebu má dětský pokoj. Vztáhneme-li ovšem data k m2 vytápěné plochy a stanovíme si např. časový úsek 24 hodin jako vztažný časový úsek, zjistíme, že dětský pokoj se nijak výrazně neliší oproti ostatním obytným místnostem. Naopak jak můžeme zde vidět, nejvyšší zastoupení ve spotřebě mají koupelny, které ovšem v souhrnném grafu se jevily s nejmenším podílem na spotřebě.
Obr. 2 RD Babice – porovnání měřených okruhů
Díky podrobnému měření dat v krátkém časovém intervalu bylo možné jít dále do podrobnosti měřených spotřeb a sestavit tak profily jednotlivých příkonů pro každou místnost a jejich časového podílu. Z uvedeného je patrné, že:
- Z 2880 hodin byla otopná soustava v provozu 1631 hodin, tzn. cca 56 % času. Je třeba poznamenat, že cca 5–10 % času jde na vrub výpadku dat z měření.
- Z pohledu minutového kroku záznamu měření je největší četnost v menších minutových příkonech tzn. prakticky každou hodinu v rámci dne se příkon > 0 W až 200 W podílí na spotřebě elektřiny v podílu cca 30 %, výkonová rozmezí 200–400 W; 400–600 W; 600–800 W; 800–1000 W; 1000–1200 W se každé výkonové rozmezí podílí přibližně 10–15 %.
- Maximální špičky příkonu nad 1200 W a více představuje pouze elektrický příkon, který se odehrává v cca 10 % času.
Obr. 3 RD Babice – časový podíl výše minutového elektrického příkonu
Pro objekt byl sestaven kumulativní profil spotřeby elektřiny na vytápění pro každou hodinu. Z uvedeného grafu je patrné, že v rámci budovy není omezován příkon elektřiny v podobě změny žádané teploty (tzn. přerušované vytápění, teplotní útlum). Budova je vytápěna prakticky nepřerušeně a otopný systém je spínán pouze na základě žádané vnitřní teploty vzduchu. Obecně lze konstatovat, že úhrnná hodinová spotřeba je ve výši cca 100–140 kWh za únor až květen. Budova má prakticky konstantní odběr elektřiny na vytápění během dne. Spotřeba reaguje minimálně na tepelné zisky od slunce, případně vnitřní tepelné zisky.
Obr. 4 RD Babice – profil spotřeby energie v jednotlivých hodinách
Podrobné měření spotřeb s výše uvedenými profily jsou ukázkovým příkladem pro možnost návrhu a optimalizace např. fotovoltaického systému ve spolupráci s elektrickým vytápěním. Správným návrhem je možné tak dosáhnout ideálního řešení s ohledem na investiční a provozní náklady.
4.2 Spotřeba elektřiny na vytápění rodinného domu v Doksech
Stejným způsobem jako pro objekt RD Babice byla analyzována spotřeba objektu RD Doksy. Z hlediska agregované položky za měřené období činila spotřeba elektřiny na vytápění 2390 kWh, v měrných jednotkách 19,9 kWh/m2/(únor až květen).
| únor | březen | duben | květen | celkem | |
|---|---|---|---|---|---|
| Průměrná venkovní teplota [°C] | 0,20 | 1,20 | 7,60 | 11,50 | |
| Celková spotřeba budovy na vytápění [kWh] | 729 | 779 | 566 | 316 | 2390 |
| Měrná spotřeba budovy na vytápění [kWh/m2] | 6,1 | 6,5 | 4,7 | 2,6 | 19,9 |
| Průměrná spotřeba na vytápění za pracovní den [kWh/m2/den] | 0,225 | 0,213 | 0,159 | 0,078 | |
| Průměrná spotřeba na vytápění za víkendový den [kWh/m2/den] | 0,199 | 0,198 | 0,152 | 0,100 | |
| Průměrná spotřeba na vytápění za den [kWh/m2/den] | 0,218 | 0,209 | 0,157 | 0,085 |
Největší podíl na celkové spotřebě má obývací pokoj s chodbou v přízemí. Naopak velký pokoj s ložnicí mají nízký podíl, byť plochou se jedná o velký vytápěný prostor. Je třeba uvést, že tzv. velký pokoj není v současné době využívaný.
Obr. 5 RD Doksy – podíl měřených okruhů na celkové spotřebě energie na vytápění
Z přehledu je patrná výhoda elektrického sálavého otopného systému, kdy každá místnost má vlastní regulátor s nastaveným časovým programem. Jak bude patrné z hodnocení vnitřního prostředí, tak objekt není vytápěn na konstantní teplotu a současně není také žádaná teplota nastavena po celou dobu. Z těchto důvodů mají jednotlivé místnosti (okruhy s více místnostmi) různou měrnou denní spotřebu energie.
- Okruh 1 (kuchyně, chodba patro) – tepelnou ztrátu pokrývá pouze menší tepelný výkon, chodba v patře je uvnitř dispozice a je obklopena vytápěnými prostory.
- Okruh 2 (ložnice, velký pokoj) – ložnice má nastavený noční útlum, velký pokoj není v současnosti využívaný a nastavená žádaná teplota je nízká, nebo je vytápění vypnuto.
- Okruh 3 (obývací pokoj, chodba v přízemí) – hlavní prostor vytápěný hlavním topným výkonem. Je přímo propojen s kuchyní a podílí se tak nepřímo na vytápění kuchyně.
- Okruh 4 (koupelna a malý pokoj) – malý pokoj (dětský pokoj) je vytápěný na žádanou teplotu a podle koncentrací CO2 je větraný minimálně.
Obr. 6 RD Doksy – porovnání měřených okruhů
Další podstatnou informací o chování objektu je počet hodin provozu systému vytápění a současně informace o četnosti minutového příkonu otopné soustavy. Z naměřených 2880 hodin byly přímotopné panely v provozu 1735 hodin, tzn. cca 60 % času. Z pohledu úhrnů spotřeby energie v minutovém kroku je patrný časový rozvrh nastavený pro jednotlivé okruhy. Kde v nočních hodinách je minutový příkon pro budovu jako celek rozdělen prakticky do dvou příkonových rozmezí > 0 až 200 W (50–40 %) a 1000–1200 W (40–55 %). Od šesté hodiny ranní nabíhají minutové příkony v rozmezí 200–400 W (cca 30–40 % doby) a 400–600 W (cca 10 %). Špičkové příkony 1200–1400 W se odehrávají pouze po 5–10 % doby v rámci 7.–17. hodiny během dne.
Obr. 7 RD Doksy – časový podíl výše minutového elektrického příkonu
Z časového profilu je ve srovnání s RD Babice naopak patrný vliv nastavení různých časových rozvrhů pro jednotlivé místnosti a celkově tak hodinové rozložení úhrnu spotřeby energie během dne. Z uvedeného grafu je patrný ranní náběh otopného systému 7. hodinu, kdy mezi 7.–10. hodinou je dosaženo maximálního úhrnu spotřeby energie za sledované období (každou hodinu je dosahována spotřeba cca 150 kWh/měřené období). Po dosažení žádané teploty pak spotřeba energie klesá vzhledem k venkovním podmínkám a od nočních hodin následuje útlum.
Obr. 8 RD Doksy – kumulativní profil spotřeby energie v jednotlivých hodinách
Časový profil je pak patrný ve výstupech pro jednotlivé místnosti. Na níže uvedených grafech jsou patrné profily spotřeby pro jednotlivé měřené okruhy. Okruh 1 a okruh 2 má od večerních hodin do 7. hodiny ranní nastavený útlum, následně potom zvýšená spotřeba energie reaguje na dosažení žádané teploty.
5 Závěr
Provedené měření a hodnocení spotřeby energie a vnitřního prostředí ukazuje provoz dvou různých typů rodinných domů v odlišných podmínkách. Vzhledem k tomu, že měření bylo prováděno v období únor–květen 2021, tzn. částečně ovlivněno pandemickým lockdownem, byl poměrně jasně daný provoz objektů i přítomnost osob. Lze tedy paradoxně konstatovat, že naměřená data jsou referenčními a zohledňují kontinuální provoz rodinného domu.
Tato první část článku přiblížila reálné chování dvou rodinných domů s odlišným přístupem k užívání. Navazující druhá část článku bude řešit porovnání těchto objektů ve smyslu hodnocení parametrů vnitřního prostředí ve vazbě na měřenou spotřebu energie a také hodnocení energetické náročnosti budovy.
Tento článek představuje výstupy zpracované v rámci programu OP PIK, CZ.01.1.02/0.0/0.0/20_358/0023367 - Analýza spotřeby elektrické energie na vytápění rodinných domů v různých klimatických podmínkách.
6 Literatura
- Zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů.
- Vyhláška č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov.
- ČSN 73 0331-1 – Energetická náročnost budov – Typické hodnoty pro výpočet – Obecná část a data pro měsíční krok.
- Urban, M., Kabele, K. Národní kalkulační nástroj NKN (počítačová aplikace). Ver. 4.1 Praha, 2019. Výpočetní nástroj pro stanovení energetické náročnosti budov, 37 MB.
- Kabele, K.; Veverková, Z.; Urban, M. Metodika hodnocení kvality vnitřního prostředí v budovách s téměř nulovou spotřebou energie. [Certified Methodology] 2019.
The first part of the article describes the real course of heating and electricity consumption by radiant panels of two family houses with different approaches to their use. In the second part, the houses will be compared in terms of the parameters of their indoor environment in relation to the measured energy consumption and their energy intensity.