Analýza potřeby pomocné elektrické energie v pasivním domě
U pasivních domů se výrazně snižuje potřeba tepla na vytápění na krytí tepelných ztrát prostupem obálkou budovy a větráním. Současně tím ale roste podíl spotřeby pomocné, výhradně elektrické energie na pohon oběhových čerpadel a ventilátorů. Výsledek analýzy může být pro mnohé čtenáře docela překvapující.
Úvod
Snižování energetické náročnosti budov na úroveň energeticky pasivních a téměř nulových domů spolu s využitím obnovitelných zdrojů energie vede k velmi nízkým potřebám primární energie na přípravu teplé vody a vytápění. O to více pak celkovou bilanci takového domu ovlivňuje potřeba pomocné elektrické energie na provoz technických soustav nebo osvětlení a spotřebičů. V souladu s TNI 73 0329 [1] se při klasifikaci pasivních domů potřeba pomocné elektrické energie technických soustav zahrnuje do hodnocení celkové bilance primární energie domu. Potřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů na vytápění, přípravu teplé vody a technické soustavy budovy je jedním z posuzovaných kritérií a má být ≤ 60 kWh/(m2.rok). Vzhledem k vysokému konverznímu faktoru elektrické energie na primární energii může příliš vysoká potřeba pomocné elektrické energie negativně ovlivnit celkové hodnocení pasivního domu. Návrhu technických soustav v pasivních domech by proto měla být věnována adekvátní pozornost a přednostně využívat zařízení s elektricky úspornými pohony.
Následující analýza [2] se pokouší o naznačení mezí, kde se potřeba pomocné elektrické energie pro vytápění a větrání může pohybovat v konkrétním pasivním domě, avšak při různých návrhových podmínkách v závislosti na volbě typu otopné a větrací soustavy, jejich návrhových parametrech (teplotní spád, průtok teplonosné látky, průtok větracího vzduchu) či volbě oběhových čerpadel. Celkem je porovnáno 16 různých variant návrhu pro jeden konkrétní pasivní dům.
Pasivní dům
Uvažovaný pasivní dům, pro který byla provedena srovnávací analýza technických soustav, má objem 460 m3 a vytápěnou podlahovou plochu 176 m2. Skladby konstrukcí obálky domu odpovídají běžnému standardu v oblasti pasivních domů. Výpočtová tepelná ztráta domu je 2,8 kW (pro venkovní teplotu −12 °C). Celková potřeba tepla na vytápění je 3410 kWh/rok (19,4 kWh/m2.rok), potřeba tepla na přípravu teplé vody pro 4 osoby je uvažována 2200 kWh/rok.
Předpokládá se využití nuceného větrání se zpětným získáváním tepla (ZZT), solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění a spalovacího kotle na pelety. Zdroje tepla jsou zapojeny do centrálního zásobníku tepla odkud je napájena otopná soustava a přes teplosměnnou plochu připravována teplá voda. Cirkulace teplé vody není uvažována. Ve výpočtu a porovnání nebyla uvažována pomocná energie na provoz zdrojů tepla.
Varianty
Pro zajištění vnitřního prostředí v uvažovaném pasivním domě byly srovnávány dva základní druhy technického řešení: 1) teplovodní vytápění se samostatným větracím systém se ZZT a 2) teplovzdušné vytápění a větrání se ZZT. Další podřazené varianty se pro každé technické řešení lišily návrhovým teplotním spádem otopné soustavy a z něj vyplývajícím průtokem teplonosné látky (otopná voda, otopný vzduch), návrhovým větracím průtokem (nízké / vysoké množství přiváděného vzduchu), energetickou náročností použitých oběhových čerpadel (běžná, energeticky úsporná). Celkem bylo porovnáno celkem 16 variant pro určení rozptylu potřeby pomocné energie pro daný druh technické soustavy. Přehled variant s návrhovými podmínkami nastavenými pro více úsporné (A) a méně úsporné (B) řešení je uveden v tab. 1.
| druh soustavy | teplovodní vytápění a samostatné větrání | teplovzdušné vytápění a větrání | ||||||||||||||
| průtok vytápění | A | B | A | B | ||||||||||||
| průtok větrání | A | B | A | B | A | B | A | B | ||||||||
| druh čerpadla | A | B | A | B | A | B | A | B | A | B | A | B | A | B | A | B |
Uvažované návrhové podmínky jsou uvedeny v tab. 2 (teplovodní vytápění / větrací systém) a tab. 3 (teplovzdušné vytápění a větrání). Podmínky mají respektovat meze, v nichž se projektant zhruba může pohybovat a přitom splnit požadavky na funkčnost soustavy. Vliv řešení technické soustavy na účinnost zdrojů tepla nebyl předmětem analýzy (např. zvýšení teplotního spádu a pokles teploty vratné vody na účinnost solární soustavy).
Teplotní spád u teplovodní otopné soustavy (dvoutrubková s otopnými tělesy) je dán návrhovou teplotou přiváděné a odváděné otopné vody. Pro návrhový průtok vyplývající z návrhového tepelného výkonu pro vytápění (2,8 kW) byly stanoveny světlosti potrubí metodou optimálních rychlostí, určeny tlakové ztráty soustavy, včetně hydraulického vyvážení na šroubení otopných těles a pro pracovní bod navrženo oběhové čerpadlo (příkon) ve dvou úrovních energetické náročnosti.
U větrací soustavy byly pro oba návrhové průtoky větracího vzduchu použity stejné rozvody, avšak byly určeny odpovídající příkony ventilátorů na základě výpočtu tlakových ztrát VZT rozvodů.
| varianta | teplotní spád vytápění [°C] | průtok vytápění [l/h] | příkon čerpadel [W] | průtok větrání [m3/h] | příkon VZT [W] |
|---|---|---|---|---|---|
| AAA | 45 / 30 | 160 | 4 | 100 | 25 |
| AAB | 45 / 30 | 160 | 26 | 100 | 25 |
| ABA | 45 / 30 | 160 | 4 | 180 | 63 |
| ABB | 45 / 30 | 160 | 26 | 180 | 63 |
| BAA | 45 / 40 | 480 | 7 | 100 | 25 |
| BAB | 45 / 40 | 480 | 34 | 100 | 25 |
| BBA | 45 / 40 | 480 | 7 | 180 | 63 |
| BBB | 45 / 40 | 480 | 34 | 180 | 63 |
Teplotní spád u teplovzdušné otopné soustavy je dán návrhovou teplotou přiváděného vzduchu a teplotou ve vytápěných místnostech (20 °C). Pro návrhový průtok oběhového vzduchu vyplývající z návrhového tepelného výkonu pro vytápění (2,8 kW) byly stanoveny světlosti VZT potrubí, tlakové ztráty a navržen pracovní bod ventilátoru (příkon ventilátoru jednotky). Vzduch je v teplovzdušné VZT jednotce ohříván výměníkem napojeným na teplovodní okruh. Vytápění koupelen je zajištěno otopnými tělesy. Pro odpovídající teplotní spád, průtok a tlakovou ztrátu na teplovodním okruhu bylo navrženo oběhové čerpadlo (příkon) ve dvou úrovních energetické náročnosti.
Pro varianty větrání byly pro oba návrhové průtoky větracího vzduchu použity stejné rozvody (rozvody přiváděného vzduchu jsou společné s okruhem vytápění), avšak byly určeny odpovídající příkony ventilátorů na základě výpočtu tlakových ztrát VZT rozvodů.
| varianta | teplotní spád VZT [°C] | průtok vzduch vytápění [m3/h] | průtok větrání [m3/h] | příkon VZT vytápění/větrání [W] | příkon VZT větrání [W] | teplotní spád OV [°C] | příkon čerpadel [W] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AAA | 43 / 20 | 315 | 100 | 90 | 43 | 48 / 44 | 7 |
| AAB | 43 / 20 | 315 | 100 | 90 | 43 | 48 / 44 | 35 |
| ABA | 43 / 20 | 315 | 180 | 90 | 65 | 48 / 44 | 7 |
| ABB | 43 / 20 | 315 | 180 | 90 | 65 | 48 / 44 | 35 |
| BAA | 33 / 20 | 540 | 100 | 221 | 43 | 48 / 36 | 4 |
| BAB | 33 / 20 | 540 | 100 | 221 | 43 | 48 / 36 | 27 |
| BBA | 33 / 20 | 540 | 180 | 221 | 65 | 48 / 36 | 4 |
| BBB | 33 / 20 | 540 | 180 | 221 | 65 | 48 / 36 | 27 |
Určení doby provozu technických soustav
Nejproblematičtější a zároveň klíčovou částí analýzy je stanovení provozní doby chodu zařízení technické soustavy. V reálné praxi je provozní doba zařízení silně ovlivněna uživatelem, nastavením regulace, návrhovými parametry zařízení, klimatickými podmínkami, apod. Pro účely analýzy a porovnání byly proto zvoleny zjednodušené metody stanovení doby provozu.
Doba provozu otopných soustav (příslušných čerpadel a ventilátoru) je stanovena z poměru potřeby tepla na vytápění v uvažovaném období (výpočet po měsících) a výkonem zdroje tepla (otopné soustavy). Výkon zdroje tepla byl uvažován rovný návrhovému výkonu pro vytápění 2,8 kW. Návrhovým výkonem je dán průtok teplonosné látky, tlaková ztráta a tedy příkon zařízení. Průtok teplonosné látky i příkon zařízení byl uvažován konstantní.
Doba provozu větrání byla stanovena ze zjednodušené podmínky zajištění provozního větrání v době přítomnosti osob (70 %) uvažovanou úrovní větrání 25 m3/(h.os), tzn. přívod 70 m3 čerstvého vzduchu každou hodinu. V případě návrhového průtoku zařízení 100 m3/h jde o dobu provozu (70/100) × 24 = 16.8 hodin denně. U varianty s vyšším návrhovým průtokem 180 m3/h je doba provozu (70/180) × 24 = 9.3 hodiny denně. Obě varianty zajistí stejné množství větracího vzduchu dodané během každé hodiny. V letních měsících (červen–srpen) se uvažuje pouze větrání okny bez použití mechanického větrání. V případě kombinovaného teplovzdušného vytápění a větrání (společný ventilátor vytápění / přívodu čerstvého vzduchu) byla uvažována, pokud bylo nutné, současnost vytápění a větrání.
Výsledky
Vypočtené potřeby pomocné elektrické energie jsou pro jednotlivé varianty 1–16 zobrazeny v grafu na Obr. 1 a Obr. 2. Jde sice o statisticky bezvýznamný vzorek (jeden dům, jedna konfigurace soustav, konkrétní typ VZT jednotky, konkrétní typy oběhových čerpadel), nicméně naznačuje relativně jasně odlišnou úroveň potřeby pomocné energie pro dvě základní řešení technické soustavy. Z porovnání extrémů i průměrných hodnot zřetelně vyplývá více než dvojnásobná provozní náročnost kombinovaného teplovzdušného vytápění (v průměru 340 kWh/rok) oproti teplovodní soustavě se samostatným větracím systémem (v průměru 160 kWh/rok).
Obr. 1 – Pomocná energie pro teplovodní vytápění se samostatným větracím systémem
Obr. 2 – Pomocná energie pro teplovzdušné vytápění a větrání
Závěr
V tab. 4 jsou výsledky porovnány s údaji uvedenými v TNI 73 0329. Je patrné, že výsledky pro analyzovaný dům se pohybují vždy níže než paušální hodnoty, i v extrémech jsou zhruba poloviční. Důvody jsou dva:
- paušální hodnoty byly stanoveny na základě údajů o naměřených spotřebách starších a energeticky náročnějších VZT jednotek a oběhových čerpadel;
- paušální hodnoty mají sloužit jako tzv. "penalty values", tj. pokutové hodnoty, záměrně nadsazené výše; přesnější výpočet může významně snížit deklarovanou energetickou náročnost pro klasifikaci.
| TNI 73 0329 [kWh/rok] | Vypočtené hodnoty [kWh/rok] | |
|---|---|---|
| Teplovodní vytápění, přirozené větrání | 100 | 5–43 |
| Teplovodní vytápění, nucené větrání s rekuperací | 400 | 120–200 |
| Teplovzdušné vytápění s rekuperací tepla | 800 | 240–450 |
Odkazy
- [1] TNI 73 0329 – Zjednodušené výpočtové hodnocení a klasifikace obytných budov s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění – Rodinné domy. ČNI 2010.
- [2] Zajíc, M.: Energetická náročnost provozu technických soustav. Diplomová práce, 2011. Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze.
Se zvyšující se kvalitou tepelnětechnických parametrů obvodových konstrukcí se na celkové energetické bilanci objektu podílí tzv. pomocná energie stále výraznější měrou. Článek se zabývá analýzou roční potřeby pomocné energie pro pohon čerpadel a ventilátorů soustav pro vytápění a větrání.
Analýza je provedena pro pasivní dům s teplovodním vytápěním a řízeným větráním s rekuperací tepla (varianta 1) a se systémem teplovzdušného vytápění a větrání s rekuperací tepla (varianta 2). Obě dvě varianty jsou navíc rozděleny dle různých parametrů zařízení na další podvarianty. Celkový počet podvariant je celkem 16, což může být náročnější pro přehlednost, avšak vzhledem k přehledným tabulkám se lze v jednotlivých podvariantách orientovat. Závěrem článku jsou vypočtené roční potřeby pomocné energie pro jednotlivé případy porovnány s hodnotami uvedenými v TNI 73 0329. Z porovnání jsou patrné vyšší hodnoty uvedené v normě. Je třeba zdůraznit, že článek se zabývá potřebou pomocné energie pouze samotných soustav (viz jednotlivé varianty). V případě započtení potřeby pomocné energie zdrojů tepelné energie (čerpadlo kotlového okruhu, pohon dopravníku pelet či čerpadlo solární soustavy), bude konečná potřeba vyšší a bude spíše odrážet skutečný stav v trvale obývaném objektu.
Ing. Jan Schwarzer, Ph.D., ČVUT v Praze
Passive houses reduce the need for heating to compensate the heat loss through the building facade and ventilation. But at the same time it increases consumption of the auxiliary energy for circulation pumps and fans. The analytical result can be for many readers quite surprising.