Vliv nočního útlumu vytápění na roční potřebu tepla v bytovém domě

Resumé

Článek pojednává o možných energetických úsporách potřeby tepla pro vytápění vlivem nočního útlumu, v typizovaném bytovém domě postaveném cihelnou technologií. Je zkoumáno několik možných variant útlumu, jak z časového hlediska, tak z hlediska hlídání vnitřní teploty vzduchu. Energetické bilance jsou počítány v simulačním prostředí BSim a to ještě ve dvou variantách, pro nezateplený, původní dům, a pro celkově zateplený. V závěru jsou shrnuty výsledky jednotlivých variant a také doporučení pro provoz otopné soustavě v tomto typu budov.

Úvod

Útlum ve vytápění se zavádí z ekonomických, energetických, ale i zdravotních důvodů. U bytových objektů se většinou jedná o noční 8hodinový útlum od 22:00 do 6:00 hodin, nebo navíc denní v době odchodu uživatelů do zaměstnání, případně víkendový útlum vytápění při odjezdu uživatelů na víkend. V nebytových prostorech to může být nejen noční útlum, ale i útlum vytápění ve dnech pracovního volna. V případě vytápění elektřinou dochází během dne zpravidla k více vynuceným krátkodobým (max. 1 hodina) útumům v dobách blokování odběru elektřiny pro vytápění podle podmínek zvolené oběrové sazby od dodavatele a některé z těchto útlumů mohou být provázány i s útlumem žádaným, nočním apod. Zdravotní přínos útlumu vytápění v bytových domech spočívá ve zdravějším a kvalitnějším spánku, který se dostavuje při nižších teplotách v místnosti. Nevýhodou útlumu vytápění mohou být hlukové projevy při nabíhání otopné soustavy a nutnost navýšení výkonu zdroje tepla vlivem zátopového tepelného výkonu, který podle normy ČSN EN 12831 zavádí korekční součinitel f_RH [W/m²]. Ten zvyšuje návrhový tepelný výkon Φ_HL,i [W] pro vytápěný prostor. Cílem příspěvku je posoudit vliv útlumu vytápění v konkrétním bytovém domě na snížení spotřeby tepla na vytápění, dále jeho vliv na snížení teploty v místnostech v době útlumu a také posoudit vliv na potřebu zátopového výkonu a délku otopného období, a to pro budovu ve stávajícím stavu a budovu zateplenou přibližně na úroveň nízkoenergetického standardu. K dosažení těchto cílů byla použita teoretická metoda časově neustálené počítačové simulace v softwaru BSim 2000.

Řešený případ

Na vybraném objektu v Brně byly simulovány teoretické úspory tepla. Jedná se o čtyřpodlažní zděný bytový dům s typovým označením T12/51 z první poloviny padesátých let s třemi sekcemi viz obr. 1. Hlavní vstupy do objektu jsou v úrovni mezipodesty domovního schodiště mezi podzemním a nadzemním podlažím. Ve všech nadzemních podlažích jsou vždy dva byty v jednom patře. Celkem je zde 24 stejných bytů. V každém z nich je kuchyně, ložnice, jeden pokoj a koupelna s WC. Užitná plocha jednoho bytu je cca 50 m². Celková užitná plocha domu je cca 1 200 m². V podzemním podlaží je průchozí chodba, ve které se nacházejí sklepní boxy pro jednotlivé byty společně s prostory pro domovní vybavení. Na obr. 1 jsou zobrazeny výkresy jedné sekce bytového domu stejné konstrukční varianty jako domu řešeného, avšak menšího o jedno nadzemní podlaží s byty.

Objekt je konstrukčně řešen jako podélný dvoutakt, který je založen na železobetonových základových pasech. Nosné konstrukce jsou podélné obvodové, střední a příčné ztužující stěny. Obvodové zdivo je z plných pálených cihel tloušťky 45 cm. Nosnou konstrukci stropu nad podlažím tvoří železobetonová monolitická deska tloušťky 35 cm. Strop nad čtvrtým nadzemním podlažím je dřevěný trámový se záklopem a podbitím. Střecha je šikmá s dřevěným krovem a keramickou krytinou. Vzhled objektu je patrný na obr. 2. Tato budova je podrobněji popsána v [1].

Software BSim

Software BSim 2000 je založen na časově neustáleném řešení tepelných toků metodou kontrolních objemů s předpokládaným lineárním teplotním profilem mezi sousedními objemy. Z hlediska časového jsou v každém časovém okamžiku počítány teploty pro jednotlivé teplotní zóny a diskretizované vrstvy stavebních konstrukcí implicitní numerickou metodou. Sdílení tepla stěnami je při výpočtu uvažováno jako 1D. Prostorová diskretizace byla provedena pro všechny stěny vrstvy stěn automaticky s maximálním krokem 5 cm. Volby nevětšího časového kroku Δt_max vychází z upraveného Fourierova kritéria a udává je rovnice (1).

kde je

Δx

vzdálenost mezi středy sousedních kontrolních objemů [m]

ρ

objemová hmotnost materiálu [kg.m⁻³]

λ

tepelná vodivost materiálu [W.K.m⁻¹]

c_p

měrná tepelná kapacita materiálu [J.kg⁻¹.K⁻¹].

Pro úspěšné numerické řešení softwarem BSim tak bylo nutné vhodný časový krok výpočtu na základě tohoto kritéria vytipovat. Obecným cílem je nalezení takového časového kroku výpočtu, který zajistí konvergenci ve všech výpočtových časech v průběhu celého roku. Protože největší vzdálenosti mezi středy sousedících kontrolních objemů nejsou na počátku výpočtu známy, musely být odhadnuty. Zkusmo, jeho opakovanou volbou, byl nalezen a následně pro potřebné simulace použit časový krok výpočtu definovaný jako 1/256 hodiny, co že je přibližně 14 s. V kontrolních uzlech ve středech místnosti se vyčísluje celková tepelná bilance všech uvažovaných tepelných toků. Jsou jimi tepelné toky ze vzduchu, oken, stěn, otopných ploch, osob, vnitřních zisků a části sluneční radiace.

V kontrolním uzlu místnosti je počítána teplota, která reprezentuje prostorově průměrnou teplotu vzduchu v místnosti. Přerozdělení solární radiace na jednotlivé povrchy nastavuje uživatel. Uživatel stejně tak nastavuje, jaká část tepelného výkonu pro danou místnost je přenesena z otopné plochy konvekcí a radiací. V daném případě byl zvolen poměr 70 % konvekcí a 30 % radiací, což odpovídá přibližně deskovému otopnému tělesu. Ze známých povrchových teplot, teploty vzduchu a předpokladu rychlosti proudění se pak dopočítává operativní teplota pro každou místnost. Obdobným způsobem BSim počítá také bilanci vlhkosti. Software BSim 2000 ve výpočtu neuvažuje s dlouhovlnnou radiací uvnitř místností, ani vně. Není tedy například uvažováno sálání proti noční obloze a tepelný tok radiací je zahrnut pouze v součiniteli přestupu tepla ne venkovních površích stavebních konstrukcí. Blíže viz [2].

Popis výpočetního modelu

V programu BSim 2000 byl vytvořen energetický model vybraného bytového domu, ve kterém byly sledovány dvě vytápěné zóny, viz obr. 4. První zónou je zóna bytová, která je vytápěna na operativní teplotu 20 až 22 °C s minimální regulovanou teplotou při útlumu vytápění 18 °C. Druhou vytápěnou zónou je schodišťový prostor vytápěný na operativní teplotu 16 až 20 °C. Infiltrace ve vytápěných zónách je uvažována jako konstantní v čase a je do výpočtu zahrnuta číslem výměny n = 0,50 h⁻¹. Pro pokrytí tepelných ztrát a zajištění celkového zátopového výkonu byl ručním výpočtem podle [6] stanoven a do softwaru BSim dosazen maximální topný výkon zdroje tepla, viz tab. 2. Výpočet návrhového tepelného výkonu vycházel z teplot definovaných v tab. 1.

Půda a sklepní prostor nejsou vytápěny. Teplota v těchto prostorách je tak automaticky dopočítávána na základě tepelných toků sdílených s okolím. Geometrický model objektu v programu BSim 2000 je na obr. 3. Lokalizace budovy byla provedena zadáním souřadnic severní šířky a východní délky a úhlem vystihující orientaci geometrického modelu ke světovým stranám.

Na tomto modelu bytového domu byl v programu BSim 2000 variantně simulován vliv doby nočního útlumu vytápění na roční potřebu tepla pro vytápění, a to pro stávající a zateplenou budovu. Tepelně-technické parametry pro původní stav vycházely ve své podstatě z literatury [1] ze specifikace původního stavu a pro zateplený stav z téže literatury z varianty s nejlepším navrhovaným zateplením – varianty III. Stávající tepelně-technický stav budovy je dále označováno jako „původní“ a zlepšený tepelně-technický stav budovy je dále označováno jako „zateplený“. Použité součinitele přestupu tepla na vnitřní i vnější straně každé konstrukce jsou softwarem automaticky dopočítávány podle aktuálních vnitřních a vnějších klimatických podmínek, čímž se hodnoty součinitelů prostupu tepla v čase mírně mění.

Přehled vybraných tepelně-technických parametrů nejdůležitějších stavebních konstrukcí je uveden v tab. 3. Tyto součinitele prostupu tepla jsou uváděny se standardními součiniteli přestupu tepla dle ČSN 730540.

Pro simulaci byla použita reálná hodinová klimatická data z meteorologické stanice Brno Tuřany za rok 2005. Tato klimatická data byla upravena a dopočtena tak aby obsahovala všechny veličiny v příslušných formátech, jak to vyžaduje software BSim. Vstupními klimatickými daty do softwaru pak byly tlak atmosférického vzduchu, teplota vzduchu, teplota mokrého teploměru, relativní vlhkost vzduchu, měrná entalpie vzduchu, intenzita přímé sluneční radiace ve směru paprsků, difúzní sluneční radiace, rychlost a směr proudění větru. Dále byly použity modely podrobného užívání s vnitřními zisky dle [5]. V každé bytové jednotce 2 + 1 o ploše cca 50 m² žijí průměrně 2 osoby. Tyto osoby jsou ve výpočtu zahrnuty jako vnitřní zdroje tepla o hodnotě 70 W na osobu. Vliv tepelné produkce osob závisí na relativní obsazenosti budovy v čase uvedené na obr. 5. V každé bytové jednotce byl uvažován tepelný zisk svítidel o hodnotě 9,4 W/m² relativně rozložený v čase dle obr. 6. Tepelný zisk z domácích elektrických spotřebičů pak byl uvažován hodnotou 3 W/m². Působení tohoto tepelného zisku v čase vyobrazuje obr. 7. Bližší informace k těmto modelům užívání jsou uvedeny v [4] a [5].

Útlum vytápění byl simulován dvojího druhu.

Nejprve jako „totální“ (ve zkratce označován „T“) spočívající v úplném vypnutí zdroje tepla po celou nastavenou dobu. Tento typ útlumu může nastat v případě, že je objekt napojen například na systém centrálního zásobováním teplem s přerušovanou dodávkou tepla, nebo má elektrické vytápění využívající výhradně tarif s nízkou sazbou elektrické energie bez její řízené akumulace.

Druhý typ útlumu takzvaný „regulovaný“ (ve zkratce označován „R“) je takový, při kterém je po dobu útlumu udržována zdrojem tepla minimální požadovaná teplota v bytech, v daném případě 18 °C.

Pro obě varianty tepelně-technického stavu budovy bylo provedeno 11 simulací pro shodná klimatická data a „profily užívání“. Útlum vytápění byl posuzován v těchto variantách:

• 0 h
• 6 h   T, R
• 8 h   T, R
• 10 h   T, R
• 12 h   T, R
• 14 h   T, R

Čas útlumu vytápění je specifikován v tab. 4.

Výsledky a diskuse

Energetický význam útlumu vytápění

Níže jsou v tab. 5 (původní stav) a 6 (zatepelný stav) uvedeny podrobné průběhy spotřeb tepelné energie v jednotlivých měsících posuzovaného roku 2005. Úspory tepelné energie při útlumu vytápění byly dosaženy primárně snížením tepelné ztráty prostupem a sekundárně snížením tepelné ztráty větráním, jak je vidět v tab. 5 a 6, které informují o ročních spotřebách a produkcích tepelné energie v objektu pro nejtypičtější dobu útlumu vytápění 6 hodin a použitý regulovaný útlum.

Vliv na délku otopného období

Zateplení objektu pak má vliv na zkrácení otopného období a tím pádem i na teplotu venkovního vzduchu, při které vytápění začne, respektive skončí. Díky provedeným simulacím tak bylo možné otopné období definovat logičtěji a přesněji, než jak jej definuje vyhláška č. 152/2001 Sb. která jej definuje jen na základě teploty venkovního vzduchu.

Primárním kritériem pro zapnutí zdroje tepla v simulaci je pokles operativní teploty v nejchladnější obývané místnosti objektu pod smluvené minimum, v daném případě 20 °C v době bez útlumu a 18 °C v době útlumu vytápění. Simulace totiž podrobně zohledňují solární a vnitřní zisky, které mohou nástup otopného období oddálit.

Začátek otopného období jsme tedy definovali dnem v otopném období, kdy bylo vytápění spuštěno a po kterém následovaly další dny, ve kterých bylo nutné vytápění alespoň na část dne aktivovat.

Analogicky byl definován i konec otopného období.

V případě původního stavu a pro jakoukoliv dobu regulovaného útlumu vytápění vychází otopné období od 16. 9. do 27. 5., tedy celkem 253 dnů. V případě zatepleného stavu budovy trvalo otopné období od 7. 11. do 24. 3., tedy celkem 137 dnů, což znamená výrazné zkrácení otopného období o 116 dní, na téměř jen jednu polovinu.

Pro srovnání norma [6] udává pro klimatické místo Brno a průměrnou denní venkovní teplotu Θ_np,e = 15 °C, která je o něco vyšší, než průměrná denní teplota v době počátku a konce otopného období, a celkem 263 dnů otopného období. Ze srovnání plyne, že délka otopného období v původním stavu budovy stanovená simulací je o deset dní kratší než délka otopného období dle normy. Příčiny lze hledat především v použití klimatických dat pro konkrétní rok 2005, ale také v podrobném uvažování tepelných zisků v simulaci.

Zcela nesrovnatelná je však situace s definicí začátku a konce otopného období v zatepleném stavu budovy. V tomto případě je totiž průměrná teplota venkovního vzduchu ve dni začátku topného období stanoveného simulacemi −1 °C. Přičemž tomuto dni předchází dny o průměrné teplotě 2,48 °C a 1,1 °C. Konec otopného období je pak ve dni s průměrnou teplotou venkovního vzduchu 13,1 °C, kterému předchází dny s teplotou 11,5 °C a 7,1 °C.

Vliv útlumu vytápění na interní mikroklima

Na obr. 10 a 11 jsou zobrazeny průběhy vybraných teplot (červená křivka) a topných výkonů (zelená křivka) pro variantu s 6h útlumem vytápění. Jedná se o nejchladnější dny a současně dny s nejvyšší potřebou tepelného výkonu pro vytápění z celé otopné sezóny. Z těchto grafů je patrné, že při zcela vypnutém zdroji tepla došlo v bytech v době útlumu vytápění k poklesu operativní teploty o cca 4 K pod požadovanou úroveň 20 °C, čímž je významně narušena tepelná pohoda. Úplným extrémem je pak situace zobrazená na obr. 12, která odpovídá 14h totálnímu útlumu vytápění. Zde vnitřní operativní teplota klesá až k 7 °C. Srovnání všech dob totálního útlumu je pak uveden na obr. 19.

V dalších simulacích pak byl zdroj tepla regulován tak, aby zajistil dosažení minimální požadované teploty v bytech, v daném případě 18 °C. Průběh příslušných teplot a tepelných výkonů je pro tento případ zobrazen na obr. 11, 13, 15, 17. Při regulovaném útlumu je vnitřní operativní teplota udržována ve stále ještě přijatelných mezích a stále se s narůstající dobou útlumu dostavuje efekt snížení potřeby tepla na vytápění. Varianta s regulovaným útlumem se tedy jeví pro původní stav objektu jako jediná vhodná.

Po zateplení objektu na úroveň odpovídající přibližně nízkoenergetickému stavu, tedy takové, jaká byla zvolena v případě zatepleného stavu budovy, je teoreticky možné použít i totální útlum vytápění, protože objekt nestačí ani při 14h útlumu vychladnout na hygienicky nepřípustnou teplotu. Tato skutečnost je doložena na obr. 20, kde je zobrazen průběh vnitřní a vnější teploty pro nejchladnější den v roce 8. 1.
Na základě dosažených výsledků lze také konstatovat, že průběhy vnitřních teplot při totálním útlumu jsou jen velmi málo odlišné od těch dosažených při regulovaném útlumu. Průběh teplot na obr. 20 není příliš plynulý. Příčinu lze hledat v simulované ekvitermní regulaci zdroje tepla. Ta při takto nízkých venkovních teplotách a potřebě topit spíná vysokým výkonem a pak stejně náhle výkon snižuje, jak lze blíže vidět např. na obr. 16. Objekt v zatepleném stavu, tedy s nízkými tepelnými ztrátami, totiž reaguje rychlým zvýšením vnitřní teploty, a tím se regulace stává nestabilní. Lze tedy konstatovat, že zvolený způsob regulace není pro takový objekt vhodný.

Úspory a mikroklima – původní versus zateplený stav

Srovnáním útlumu vytápění na objektu v původním a zatepleném stavu zjišťujme, že samotným zateplením objektu došlo, bez uvažování vlivu útlumu vytápění, ke snížení spotřeby tepelné energie o 14,6 % původní hodnoty. Tato úspora se navyšuje s narůstající dobou útlumu vytápění od 0 hodin do 14 hodin. Jak rychle narůstá, lze posoudit z obr. 21, který znázorňuje, kolik se relativně uspoří v zatepleném stavu při různých dobách útlumu ve srovnání se stavem původním a stejnými dobami útlumu. Z tohoto grafu plyne, že regulovaný útlum vytápění je v zatepleném stavu s narůstající dobou útlumu relativně stále méně výhodný (i když jen nepatrně), zatímco útlum totální je s narůstající dobou útlumu výhodnější. Pokud tedy dáme dohromady toto zjištění s výše uvedeným zjištěním, že teploty v zatepleném stavu při totálním útlumu neklesají pod smluvenou, hygienicky přípustnou mez, lze z toho vyvodit, že pro zateplený stav je výhodnější zavedení totálního útlumu.

Vliv na zátopový výkon

Z dosažených výsledků vyplývá, že nastavený výkon zdroje tepla 150,1 kW, který byl vypočten dle [6], plně dostačuje pro pokrytí tepelných ztrát objektu i potřebného výkonu zátopového specifikovaného výše, a to pro všechny typy a doby útlumu.

Zátopový výkon se s narůstající dobou útlumu zásadně nenavyšuje a hodnota zátopového výkonu daná normou [6] se v daném případě ukázala být dostatečná i pro delší doby útlumu a původní stav objektu. Hodnota zátopového výkonu se pro různé doby a typy útlumu mění. V provedených simulací nebyl potvrzen jeho průběžný nárůst se zvětšující se dobou útlumu, jak lze logicky předpokládat.

O maximálním aktuálně potřebném výkonu zdroje tepla totiž rozhoduje jednak typ a kvalita regulace, a to na všech stupních systému, a pak také jistá náhodnost v souběhu tepelných zisků a ztrát. Porovnání průběhů tepelných výkonů pro den 8. 1., tedy den s nejvyšší potřebou topného výkonu v roce při totálním útlumu a původním stavu budovy, je uvedeno na obr. 18.

Závěr

V programu BSim 2000 byly simulace spočteny na základě skutečných a velmi podrobných vstupních dat, avšak jen v jedné variantě „uživatelského profilu“ přítomnosti osob a dalších vnitřních zisků a také pouze pro jedna klimatická data. Pro potřeby ještě většího zevšeobecnění dosažených výsledků by bylo vhodné provést obdobné výpočty i pro jiné budovy, jiné „profily užívání“ a širší spektrum klimatických dat.

Z důvodu předpokladu využití centrální regulace výkonu zdroje tepla pro celý objekt byl objekt rozdělen a simulován pouze jako dvojzónový, tedy zónu bytů a zónu schodiště. Tímto nebyl plně postihnut možný individuální provozní režim jednotlivých místností, který může být rozdílný vlivem individuální regulace výkonu každého otopného tělesa jeho škrticím ventilem a vlivem zásahů uživatelů bytů. Vliv rozdílného provozování se může malou měrou projevit ve změně celkové ušetřené tepelné energie při útlumu vytápění. Projevit více by se zde mohla tepelně-akumulační schopnost vnitřních konstrukcí budovy. Tyto skutečnosti budou náplní dalších kroků při zdokonalování energetického modelu budovy.

Dosažené výsledky nasvědčují, že zavedení útlumu ve vytápění v daném bytovém domě má svůj energetický i ekonomický význam. Při původním stavu objektu a totálním útlumu vytápění, kdy je po dobu útlumu zdroj tepla zcela vypnut, dochází k nadměrnému poklesu operativní teploty v bytech. Proto lze v tomto případě doporučit regulovaný útlum vytápění s dodržením minimálně požadované operativní teploty, například 18 °C, čímž nebude uživatelský komfort narušen. Zavedením například 8h regulovaného útlumu lze pak v původním stavu objektu dosáhnout roční úspory cca 8 %.

Po zateplení objektu, tak aby přibližně odpovídal nízkoenergetickému standardu, se na základě simulací jeví výhodnější a možné použít totální útlum vytápění.

Poděkování

Tento článek vznikl s podporou specifického výzkumu Vysokého učení technického v Brně č. FAST-S-23-8176.

Použité zdroje

1. STÚ-E, a.s., Opravy a energetická certifikace bytových budov postavených v období 1945 až 1955. www.CEA.cz
2. Kim B. Wittchen, Kjeld Johnsen, Karl Grau: BSim 2000 – User`s Guide, November 2000
3. Valenta, V. a kol.: Topenářská příručka 3, ISBN 978-80-86028-13-2, Praha 2007
4. Šikula, O.; Plášek, J. Simulation of energy demands for the internal microclimate formation in BSimsoftware and its verification. In Simulace budov a techniky prostředí Sborník 5. konference IBPSA-CZ. Brno, IBPSA-CZ. 2008. p. 85–90. ISBN 978-80-254-3373-7.
5. Zweifel G.: Case study building “Elfenau”, Lucerne – Specification, IEA ECBCS Annex 50
6. ČSN EN 12831 – Tepelné soustavy v budovách – výpočet tepelného výkonu.