Optimální volba zdroje pro nízkoenergetické domy
Autor se zabývá různými přístupy k vytápění a přípravě teplé vody u nízkoenergetických domů. Dává jak obecná doporučení, tak ukazuje konkrétní řešení s příslušnými energetickými ukazateli.
Současné stavební konstrukce umožňují stavět domy s velmi malou tepelnou ztrátou prostupem. U takto koncipovaných domů je nutno přemýšlet o aspektech a souvislostech, jako třeba:
- řízené větrání a rekuperace tepla
- médium, kterým budeme vytápět: elektřina, voda, vzduch
- zdroj tepla (přímé elektrické vytápění, elektrokotel, tepelné čerpadlo, plyn, biomasa, solár)
- termický solární systém
- hydraulické poměry v otopné soustavě
- tepelné zisky a případné chlazení
- příprava teplé vody
- návazně možnosti regulace
Zejména důležité je uvažovat o souvislostech mezi součástmi TZB a možnostech jejich spolupráce. Izolované řešení profesí vede nejčastěji k investičním vícenákladům a paradoxně někdy i ke snížení komfortu bydlení.
A. Řízené větrání a rekuperace tepla
Zejména domy nízkoenergetické nebo obecně domy s malou tepelnou ztrátou, a tím více domy pasivní, by se bez řízeného větrání a rekuperace tepla neměly vůbec stavět, protože potřeba tepla pro výměnu vzduchu může být i více než 50% roční bilance. Větrání okny tedy záměr bydlet v domě s nízkou spotřebou energie degraduje.
Souvislosti:
- Pro tepelné ztráty do cca 3 kW je vhodné začít úvahou o teplovzdušném vytápění, protože množství vzduchu pro přenos tepla je relativně malé a převládá funkce větrací. Tzn. subjektivně neovlivňuje teplovzdušné vytápění v tomto případě komfort bydlení, jako by tomu bylo u velkého pohybu vzduchu.
- Nevýhodou je však zdroj tepla, kterým bude nejčastěji elektřina, ostatní zdroje – např. plynový kotel – jsou pro takto malé odběry nevhodné.
- Rekuperační výměníky odtávají s vypnutým ventilátorem přiváděného vzduchu, což způsobuje jednak podtlak v domě, jednak nasávání „surového“ venkovního vzduchu netěsnostmi v obálce domu. Řešením je pomocí předehřevu udržovat nasávaný vzduch v kladných teplotách, aby výměníky nenamrzaly.
B. Médium, kterým budeme vytápět: elektřina, voda, vzduch
Zde je nutno uvažovat především ekonomicky, tj. co by která varianta stála investičně a jaké úspory může přinést.
- Elektřina je logicky nejdražším médiem. Přitom je nutno vidět poměr paušálu a provozních nákladů. Pro ztráty do cca 6 kW je tvoří paušál více než 50 % ročních nákladů na vytápění a TV – to v případě, že použijeme přímotopné vytápění. Bonusem je současná tarifní politika, kdy levnou elektřinu po většinu dne dostane i domácnost.
Máme zde však možnost volby, jak teplo do domu přenést:
- elektrické topné kabely nebo rohože
- přímotopné konvektory nebo akumulační kamna
- teplovodní vytápění elektrokotlem.
- Voda vyžaduje otopnou soustavu. Tepelnou ztrátu 3 kW pokryjeme např. 75 m2 podlahového topení. Otázkou, kterou si musíme zodpovědět, je rozdělení domu na zóny podle oslunění a zisků, případně doplnění nízkoteplotních radiátorů.
- Výhodným se zde ukazuje teplovzdušné vytápění s rekuperací, neboť současně řeší i výměnu vzduchu. Samozřejmě tomu musí svědčit i dispozice domu.
Souvislosti:
- U vytápění vodou a vzduchem je nutno uvážit vztah mezi středním odběrem, tj. tepelnou ztrátou, minimálním výkonem zdroje a jeho technicko-provozními požadavky.
- Ve spolupráci s architektem je nutno probrat zisky osluněním v dotčených částech domu a přizpůsobit otopnou soustavu z hlediska její regulovatelnosti
C. Zdroj tepla
V úvahu musíme brát systémově-technické vlastnosti zdroje.
- Přímotopné konvektory jsou jednoznačně nejlevnější řešení, pro ztrátu domu 3 kW a 5 místností pořídíme otopnou soustavu i se zásobníkovým ohřívačem vody, tedy boilerem, lze uvažovat o základní pořizovací ceně kolem 30 000 Kč vč. DPH – ovšem bez kvalitní regulace. Specifickým problémem přímotopných konvektorů je tzv. přepalování vzduchu. Topná tělesa v těchto konvektorech pracují v některých případech režimu červeného žáru a vzduch se na nich částečně rozkládá a dochází i k přepalování prachu. Jednoznačně se jedná o řešení nejméně komfortní a nejméně perspektivní. Samozřejmě, při použití kvalitní zónové regulace bude tepelný komfort lepší. Cena se však zhruba ztrojnásobí a problém s přepalováním vzduchu zůstane.
- Elektrokotel bývá rovněž poměrně levný, nicméně nebývá k dispozici v tak malém výkonu, tzn. využíváme ho jenom zčásti a regulační stupně při použití dnes obvyklých topných těles jsou násobně výkonnější, než je výpočtová (neřkuli aktuální) tepelná ztráta.
- Tepelné čerpadlo přinese významnou úsporu v provozních nákladech a i zde úsporu pro domácnost. Podmínkou je však použití akumulačního zásobníku – viz E. hydraulické poměry v otopné soustavě.
- Plynový kotel je u této kategorie domů problematický z několika důvodů:
- je nutná přípojka plynu
- minimální výkon i kvalitního regulovaného kotle je vyšší než tepelná ztráta, tzn. kotel nereguluje, ale taktuje. Jeho provozní účinnost se snižuje, zejména proto, že se podstatnou část provozní doby nalézá ve stavu startu a ne v ustáleném provozním stavu. Použití akumulačního zásobníku, které je z hydraulického hlediska řešením, je pak nevítané z mnoha důvodů (např. neobvyklost, pořizovací náklady, nárok na místo, složitější soustava, základní regulace kotle takové schéma neumí apod.).
- Podobně kotel na biomasu je pro tyto tepelné ztráty a obvyklou velikost domu nepřiměřeně velký a složitý z hlediska instalace.
- Solární systém, kombinovaný s elektrickým dotopem a vhodným ventilačním systémem, vychází jako optimální zdroj. Soustava však musí být „chytře“ vymyšlena, aby poměr cena/výkon byl co nejlepší – viz D.
D. Termický solární systém
Specifickým zdrojem bude solární systém. Lze uvažovat i o kombinaci tepelných kolektorů s fotovoltaikou.
Z hlediska bilance může 5 m2 kolektorů pokrýt při ztrátě 3 kW nejméně 25 % roční bilance. Druhý zdroj znovu vede k úvaze podle C.
E. Hydraulické poměry v otopné soustavě
| plocha [m2] | roční měrná spotřeba [kWh/m2/rok] | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 15 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 100,0 | 0,7 | 0,9 | 1,4 | 1,9 | 2,3 | 2,8 |
| 120,0 | 0,8 | 1,1 | 1,7 | 2,2 | 2,8 | 3,3 |
| 140,0 | 1,0 | 1,3 | 2,0 | 2,6 | 3,3 | 3,9 |
| 160,0 | 1,1 | 1,5 | 2,2 | 3,0 | 3,7 | 4,5 |
| 180,0 | 1,3 | 1,7 | 2,5 | 3,3 | 4,2 | 5,0 |
| plocha [m2] | roční měrná spotřeba [kWh/m2/rok] | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 15 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 100,0 | 0,4 | 0,5 | 0,8 | 1,0 | 1,3 | 1,6 |
| 120,0 | 0,5 | 0,6 | 0,9 | 1,3 | 1,6 | 1,9 |
| 140,0 | 0,5 | 0,7 | 1,1 | 1,5 | 1,8 | 2,2 |
| 160,0 | 0,6 | 0,8 | 1,3 | 1,7 | 2,1 | 2,5 |
| 180,0 | 0,7 | 0,9 | 1,4 | 1,9 | 2,3 | 2,8 |
| plocha [m2] | roční měrná spotřeba [kWh/m2/rok] | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 15 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 100 | 103,3 | 137,8 | 206,6 | 275,5 | 344,4 | 413,3 |
| 120 | 124,0 | 165,3 | 248,0 | 330,6 | 413,3 | 495,9 |
| 140 | 144,6 | 192,9 | 289,3 | 385,7 | 482,2 | 578,6 |
| 160 | 165,3 | 220,4 | 330,6 | 440,8 | 551,0 | 661,2 |
| 180 | 186,0 | 248,0 | 372,0 | 495,9 | 619,9 | 743,9 |
Teplovodní otopné soustavy v domech s malou tepelnou ztrátou mají jedno specifikum – malý průtok. Např. dům o tepelné ztrátě 3 kW při výpočtové teplotě −12 °C má při +2 °C ztrátu 1,7 kW. Průtok otopnou soustavou pak bude 300–400 l/hodinu, ale i méně. A to je výrazně méně než technologické minimum prakticky jakéhokoli tepelného zdroje. Řešením je akumulační zásobník. Pro zdroje s tepelným čerpadlem je prakticky nutností, jak z hlediska zlepšení topného faktoru, tak zejména zvýšení životnosti kompresoru omezením počtu startů.
U plynového kotle výrazně zlepší jeho provozní účinnost, neboť omezí počet startů a umožní delší dobu provozu v ustáleném stavu.
Stavy v soustavě ukazují tabulky 1–3:
Souvislosti:
- Vhodným doplňkem je solární zařízení, protože v přechodném období může i topit, a přitom jeho výkon (např. uvážíme-li 1 kolektor o ploše 2,4 m2) je v tomto období srovnatelný s tepelnou ztrátou.
- Navíc je jeho součástí zásobník, ať už na TV nebo i topnou vodu, a tím se současně řeší i provoz hlavního zdroje. Jednoduché schéma s akumulací do TV a odběrem tepla do topení z velkoplošného trubkového výměníku může vypadat jako na obr. 1.
Přitom využíváme elektrickou topnou patronu v horní části zásobníku, která kryje potřebu TV i topení.
Důležité jsou samozřejmě směšovací ventily jak na topení, tak na výstupu TV, protože solární kolektory jsou zdroj neřízený a může docházet k přehřátí vody v zásobníku.
Samozřejmě lze použít i „klasické“ schéma se dvěma akumulátory (obr. 2) nebo využít akumulátor pro plynový kondenzační kotel (obr. 3) .
Obr. 1 Jednoduché schéma s akumulací do TV a odběrem tepla do topení z velkoplošného trubkového výměníku
Obr. 2 „Klasické“ schéma se dvěma akumulátory
Obr. 3 Akumulátor pro plynový kondenzační kotel
V každém případě je o zdroji a hydraulice nutné přemýšlet již ve fázi pohovorů s architektem o koncepci domu. Výsledky úvah ovlivňují požadavky na dispozici domu (umístění a velikost technické místnosti), ale především komfort bydlení a provozní náklady na něj.
F. Tepelné zisky a případné chlazení
Poněkud paradoxně vystupuje otázka chlazení u domů s malou spotřebou energie do popředí, především v závislosti na míře prosklení osluněných částí domu. Navíc nastává pro otopnou soustavu v přechodném období jistý rozpor zda „se starat“ o chladnější nebo teplejší část domu. Obvyklým způsobem je tedy řešit dům zónově. V úvahu je ale třeba vzít i to, že nejčastěji se jedná o stavby s nízkým nebo optimalizovaným rozpočtem (montované domy) a tedy s vybavením co nejjednodušším.
Předpokládejme, že tepelný zisk domu nebude větší, než tepelná ztráta, potřebujeme pro dům zajistit cca 2,5 kW chladu. Můžeme použít obvyklé klimatizační jednotky, ale dům by měl být energeticky úsporný.
Jako optimální se tedy jeví využití zemního chladu z vrtu nebo plošného kolektoru.
2,5 kW chladu nám zajistí cca 55–65 m zemního vrtu. Použití plošného kolektoru pro chlazení je poněkud rozporuplné, neboť v době největší potřeby chladu se kolektor prohřívá i slunečním teplem – regeneruje se – a jako zdroj chladu přestává fungovat.
Chlad můžeme do domu dopravit teplovodní otopnou soustavou nebo vzduchem.
Souvislosti:
- Systém vzduch – vzduch je jeví na první pohled nejjednodušší, ale příprava teplé vody pak probíhá separátně, podlahy nelze temperovat a i vytápění je teplovzdušné a je nutno nezapomenout na vytápění při teplotách pod −15 °C, kde už reverzní klimatizace obvykle nefungují. Řešení je tedy zejména z hlediska komfortu a provozních nákladů nutno s budoucím uživatelem poctivě probrat.
Přitom i z výše uvedených důvodů není kombinace s plynovým kotlem rozumná. - Použijeme-li systém s tepelným čerpadlem vzduch – voda s reverzní funkcí a ventilační jednotkou, můžeme dům vybavit teplovodní otopnou soustavou. V létě pak můžeme tuto soustavu použít částečně k chlazení a zbytek chladu dopravit ventilací. I zde však chlad vyrábíme aktivně, prací kompresoru.
- Použijeme-li jako základ zdroje tepelné čerpadlo systému země – voda, máme k dispozici chlad z vrtů, tzn. můžeme chladit pasivně, bez práce kompresoru.
Navíc u tohoto systému dochází přes vrty k částečnému přenosu energie z chlazení do teplé vody - U chlazeného domu je použití soláru sporné, výhodnější je investovat do systému země – voda.
G. Příprava teplé vody
Potřeba teplé vody je na stavebních a tepelně technických vlastnostech domu nezávislá. Je tedy třeba brát v úvahu především možnosti a vlastnosti tepelného zdroje pro vytápění.
Souvislosti:
- Má-li být dům vytápěn pouze elektřinou, měl by mít i solární kolektory o ploše cca 5 m2 a zásobník TV fungující jako zdroj tepla pro vytápění.
- Má-li být vybaven tepelným čerpadlem, potom musí tepelné čerpadlo připravovat i TV.
- Má-li být chlazen, potom je nejvhodnější tepelné čerpadlo země – voda, kdy z vrtů odebíráme chlad do domu, tzn. dodáváme do nich teplo z domu a současně z nich odebíráme teplo pro TV.
H. Návazně možnosti regulace
Měření a regulace v běžných rodinných domech bývá často na okraji zájmu a také rozpočtu. Obvykle se počítá s tím, že zdroj tepla (kotel, tepelné čerpadlo) nějaký regulátor má a potřebné akční členy (oběhová čerpadla, regulační armatury se servopohony, nutnou kabeláž atd.) „nějak“ dodá nejčastěji instalatér, nejlépe bez projektu (mohl by stát peníze) podle svých zkušeností. Funkčnost otopných soustav dopadá podle toho a procento nespokojených uživatelů pravděpodobně meziročně neklesá. U domů s malou spotřebou energie se tyto problémy vyhrocují, protože se navíc dostáváme v řadě případů pod technologické minimum výkonu zdroje tepla.
Jednoznačný recept neexistuje, správné je výchozí posouzení zisků osluněných místností a následný odhad chování obytných prostor na severní straně.
Souvislosti:
- V každém případě je dobrý akumulační zásobník, který umožní alespoň záchovný průtok a proběh kotle nebo tepelného čerpadla a hydraulické oddělení topných okruhů, které budou mít malý průtok – zejména v přechodném období.
- Regulační armatury na topných okruzích je možno použít, jen pokud je v soustavě akumulační zásobník, jinak musí být plnoprůtočné a respektovat potřeby zdroje (což obvykle není možné, takže jsme zpět u akumulačního zásobníku).
- Důležité je posoudit zónování domu, protože osluněná strana může způsobit vypnutí otopné soustavy, zatímco severní místnosti mohou být nepříjemně chladné. Pak i u takto malé tepelné ztráty musíme rozdělit okruhy podle zón.
- V každém případě by se na dodávce měl podílet odborník v MaR a jednotlivé profese je nutno na bázi jeho projektu koordinovat.
Ekonomické porovnání
Závěr
Přes svoji malou tepelnou ztrátu přestavují nízkoenergetické domy z topenářského hlediska svébytnou a komplexní problematiku, kterou je vhodno dále rozvíjet. Výrobci tepelných čerpadel a plynových kotlů se budou muset zabývat vývojem vhodných malých zdrojů a jejich příslušenství, které by na těchto domech pracovaly v optimálních provozních podmínkách.
Dodavatelé musí již dnes zakázky připravovat s vědomím všech souvislostí, aby jejich realizace byla bezproblémová a uživatel byl jak s komfortem bydlení, tak s náklady na něj spokojen.
V Praze 10. 4. 2011
The Autor employs himself in different accesses concerning the heating and the WSW preparation for low energy houses. He provides both general recommendations and shows specific solutions with relevant energy indicators.