Nesouběžné vytápění v hromadné bytové výstavbě – výstupy studie 2013

K vypracování studie podle podkladů ČVUT pro konkrétní objekt byl použit vyspělý SW, který poprvé umožňuje modelování teplotních stavů místností, při reálném tepelném působení vlastní otopné soustavy a jejího regulačního rozsahu. Cílem studie bylo navíc ukázat, zda termostaticky nebo elektronicky řízenými regulačními prvky lze při běžné otopné ploše kompenzovat tepelný a teplotní deficit vyvolaný nesouběžným vytápěním, což je důležitý poznatek i pro systémy IRC, pro jejich funkci a reálnou ekonomickou návratnost.

Aby výsledky studie maximálně umožnily posoudit názory propagátorů nesouběžného vytápění z řad prodejců regulační techniky a firem řešících zateplování budov, byl pro výpočty zvolen stavební objekt, který je pro nesouběžné vytápění nejpříznivější. Proto byl zvolen objekt s tepelně izolačními vlastnostmi vnitřních stěn a příček, které jsou až pětkrát výhodnější, než v běžných panelových domech, kterých je drtivá většina a kde se negace nesouběžného vytápění projeví výrazněji než v modelovém objektu. Záměrně byl také zvolen objekt malý, který spotřebou tepla leží mezi většími rodinnými a menšími panelovými domy. Včleněná otopná soustava pracuje s teplotním spádem 70/55/−12/20 °C, který odpovídá průměrným parametrům topné vody na straně dodavatele tepla a přibližně i provozu kondenzačních kotlů. Pro článek byly vybrány zajímavější části studie z pohledu pro čtenáře.

Charakteristika objektu

Třípodlažní objekt s garážovým stáním v 1. PP, s půdním prostorem pod sedlovou střechou (vypočtená teplota −9,99 °C) a s nevytápěnými místnostmi, soustředěnými podél schodiště ve středním traktu.

Tepelně technické vlastnosti stavebních konstrukcí objektu

Tepelné ztráty místností a okrajové podmínky výpočtů

Výpočet tepelných ztrát byl proveden pro oblast s vnější výpočtovou teplotou −12 °C, s určením vnitřních teplot vzduchu pro nastavení teplotních čidel kvantitativní regulace a s intenzitou větrání vytápěných místností i = 0,5.h⁻¹. Teploty v nevytápěných místnostech a prostorech byly určeny výpočtem (byla vyloučena volená vstupní data a výpočty jsou přesné). V průběhu výpočtů byly kontrolovány vnitřní povrchové teploty všech stavebních konstrukcí s ohledem na možnost kondenzace vlhkosti a rizika vzniku plísní.

Výstupní data výpočtů tepelných ztrát

Nesouběžný stav vytápění je zde charakterizován vypnutím otopných těles v sedmi místnostech 1.NP, z celkového počtu 42 vytápěných místností v objektu, tj. podílem 16,7 %. Tepelné ztráty místností 101–107 při souběžném vytápění činí 4342,53 W a při vypnutí otopných těles v těchto místnostech se uživatel objektu domnívá, že se tepelné ztráty celého objektu o tuto hodnotu sníží a tím vznikne kýžená úspora. V okolí místností 101 až 107 v 1.NP se však tepelné ztráty zvýší o 189,26 W, takže relativní úspora vypnutím těles činí v 1.NP 4153,27 W.

Relativní úsporou výkonu je hodnota 4153,27 W označena proto, že tepelné ztráty místností 201 až 207 ve 2.NP se dále zvýší o 1318,56 W a vypnutím těles se uspoří pouze 4153,27 − 1318,56 = 2834,71 W. Teplo se fakturuje podle reálně naměřené spotřeby pro celý objekt, která po vypnutí těles v místnostech 101 až 107 bude odpovídat snížení tepelné ztráty objektu jen o 2834,71 W, a nikoliv o tepelné ztráty 4342,53 W.

Úspora výkonu 2834,71 W je jako „destrukční“ označena proto, že v místnostech 101 až 107 po vypnutí těles výrazně klesnou vnitřní teploty (z hodnot t_v při souběžném vytápění na hodnoty t_ie při vytápění nesouběžném) a poklesu těchto teplot nelze snížením koeficientů prostupu tepla vnitřních stěn zabránit. Pokles vnitřní teploty po vypnutí tělesa je naopak tím větší, čím méně tepla může místnost z vedlejší vytápěné místnosti při nízké hodnotě koeficientu U odčerpat.

Ve všech vzájemně sousedících místnostech s vypnutými tělesy klesly hodnoty t_ie hluboko pod rosný bod vzduchu a v místnostech 101 a 104 dokonce mrzne. Provoz vytápění s vypnutými tělesy v místnostech 101 až 107 zde bude příčinou mikroporézní kondenzace téměř veškeré vlhkosti na chladném povrchu vnitřních stěn, které po zlepšení podmínek nemohou obsaženou vlhkost „vydýchat“ do venkovního prostoru a hrozí riziko vzniku plísní.

Celoroční spotřeba tepla při souběžném a nesouběžném vytápění

Okrajové podmínky: Oblastní výpočtová teplota t_e = −12 °C, vnější průměrná teplota t_es = 4,97 °C, vytápění nepřerušované s počtem dnů 212, cena tepla v lokalitě 650,– Kč/GJ.

Nesouběžným vytápěním zde lze relativně uspořit 15 274,52 Kč za rok, ale za cenu případného zničení dvou bytů s vypnutými tělesy. V jiném konkrétním objektu stála oprava takto zničeného bytu 172 000,– Kč, takže úspora nesouběžným vytápěním je zde eliminována způsobenou škodou dvou bytů 344 000,– Kč. Na byty s vypnutými tělesy navíc doplácejí sousedé zvýšenými platbami za teplo, i ztrátou své vlastní tepelné pohody.

Regulační schopnost otopné soustavy

Modelové výpočty sdílení tepla mezi tepelným zdrojem, otopnou soustavou, vytápěnými místnostmi a jejich vnitřním nebo vnějším prostředím, se dosud prováděly jen za předpokladu, že tepelné výkony soustavy jsou vždy rovny okamžitým tepelným ztrátám místností a soustava ústředního vytápění je schopna regulací tento výchozí předpoklad zajistit, podobně jako vytápění lokální.

Chybný výchozí předpoklad se stal základem úvah při separovaných výzkumech v oborech HSV i M+R a klasicky řešený obor vytápění nebyl schopen tento základní omyl vyvrátit. Nebyl také schopen dokázat, že přísně individuální nároky na regulaci nemohou být vyřešeny žádnými regulačními zásahy na počátku otopné soustavy. A konečně nebyl schopen dokázat, že tvrdošíjné lpění na volbě „libovolné vnitřní teploty uživateli bytů“ při ústředním vytápění nevyřeší ani výrazné zvýšení tepelného odporu vnitřních stavebních konstrukcí a o tepelné pohodě i úsporách tepla rozhoduje výhradně obor ÚT. Jen těsná spolupráce oborů ÚT, HSV a M+R může proto přinášet pozitivní výsledky při řešení a zateplování budov. Regulační schopnost soustav a dosažení vnitřních teplot jsou přitom vždy takové, jaké dovolí zařízení určené oborem ÚT a nikoliv takové, jaké předpokládají obory M+R a HSV, které spolupráci v minulosti sebejistě odmítaly.

Dnešní termohydraulické řešení oboru ÚT představuje paradigma. Umožňuje modelovat teplotní stavy místností se zahrnutím reálného tepelného působení i regulačního rozsahu konkrétních otopných soustav, určovat limity a odpovídat na všechny otázky souběžného i nesouběžného vytápění libovolných stavebních objektů, v zatepleném i nezatepleném stavu. Ve všech těchto případech umožňuje dosahovat nejvyšších úspor tepla a povýšit efektivnost zateplování budov na maximální úroveň, téměř zdarma.

Porovnání teplotních stavů místností 201 a 203 při souběžném a nesouběžném vytápění

1. Souběžné vytápění

GRAFY 1–4 ukazují regulační rozsah a dosažitelné vnitřní teploty místností v závislosti na průtoku vody otopným tělesem, ve vztahu k požadovanému tepelnému výkonu a k požadované vnitřní teplotě místnosti.

Graf 1

Graf 2

Graf 3

Graf 4

Při souběžném vytápění všech místností lze čtyřnásobným zvýšením průtoku zvýšit vnitřní teplotu místnosti 201 na 23,11 °C a místnosti 203 na 21,92 °C. Pokud to hydraulické poměry v soustavě ÚT nedovolí, budou vnitřní teploty místností nižší a pokud to dovolí, nastane specifický případ. Čtyřnásobné zvýšení průtoku jedním tělesem ve stoupačce se třemi tělesy třípodlažního objektu, může znamenat zkratový průtok se ztrátou průtoku vody v ostatních tělesech a regulátor diferenčního tlaku na to patřičně nezareaguje, protože průtok ani tlaková diference na patě stoupací větve se příliš nezmění. Hydraulické vyvážení tedy nepomůže.

Plným otevřením termostatické hlavice se nejen nezajistí vnitřní teplota místnosti 26 °C, která by odpovídala prospektu výrobce, ale navíc se zkratovým průtokem poškodí funkce ostatních otopných těles a tedy i vnitřní teploty ostatních místností ve vertikálním pásmu, o kterých obory HSV ani M+R vůbec nerozhodují.

Soustava ústředního vytápění tedy nemá vlastnosti lokálního vytápění a obecně šířený názor, že v objektech se zvýšeným tepelným odporem vnitřních stěn lze libovolně volit vnitřní teploty místností, je mylný.

2. Nesouběžné vytápění

GRAFY 5–8 demonstrují regulační rozsah a dosažitelné vnitřní teploty místností v závislosti na průtoku vody otopným tělesem, ve vztahu k požadovanému tepelnému výkonu a k požadované vnitřní teplotě místností, při vypnutí otopných těles v místnostech 101 až 107.

Graf 5

Graf 6

Graf 7

Graf 8

Při vypnutí těles v místnostech 101 až 107 nejsou otopná tělesa schopna dodat do místností 201 a 203 požadovaný tepelný výkon ani při čtyřnásobném zvýšení průtoku, který je příčinou všech výše uvedených negací i trakční hlučnosti otopné soustavy a klasickými metodami nemůže být situace napravena.

Nepomůže zde žádné hydraulické vyregulování, protože otopné těleso (jako povrchový výměník tepla) má pro podmínky nesouběžného vytápění malou přestupní plochu. Hydraulické vyregulování soustav je navíc prováděno na klasicky určené chybné průtoky a hydraulické vyvážení na patách stoupacích větví neřeší správné rozdělení vody mezi jednotlivá otopná tělesa. Všechny pokusy o nápravu funkce, pokažené nesouběžným ústředním vytápěním objektu zde proto selžou, ale zákazník je bude platit.

Nesouběžným vytápěním je navíc likvidována tepelná pohoda sousedů, kteří na ni mají zákonný nárok a stížnosti pak neprávem směřují na dodavatele tepla (CZT). Například v místnosti 203 bude i při čtyřnásobném průtoku vody dosaženo vnitřní teploty jen 18,86 °C a nesprávný závěr pak bude, že zdroj tepla „málo topí“. A to i přesto, že teploty vody od dodavatele tepla jsou v poměru k průměrnému zateplení objektů nadměrné, takže teplo musí být zákonitě dražší.

Plné otevření hlavic, ve snaze kompenzovat funkční nedostatky způsobené nesouběžným vytápěním, má i další extrémně negativní vliv. Při správném nastavení hlavic dojde k plnému uzavření průtoku při vzestupu vnitřní teploty o 2 °C (způsobenému buď tepelnými zisky, nebo nadměrným odběrem tepla ze zdroje), ale při plně otevřené hlavici nikoliv. Termostatický ventil s nadměrným otevřením hlavice proto ztrácí schopnost automaticky spořit teplo a tím je degradována investice do bytové regulační techniky.

Při volbě vyšší vnitřní teploty uživatelem bytu se zase vytrácejí miliónové investice do zateplování budov a při přetápění objektu cca o 6,5 °C je návratnost investic do zateplení prakticky nulová.

Nesouběžné vytápění navíc nesplňuje fyzikální definici úspor tepla, jako „snížení energetických nároků na vytápění při plném zachování původní vnitřní teploty“. Fyzikálně podložené úspory tepla při nesouběžném vytápění jsou proto vždy nulové a relativní úspory 15 274,52 Kč za rok v TAB.4 jsou z fyzikálního hlediska pouze domnělé, protože průměrná vnitřní teplota objektu při nich dodržena nebyla – totiž nebyla stejná v obou porovnávaných případech. Skutečných úspor tepla lze dosáhnout jen řešením otopné soustavy, které plně využívá tepelných zisků, jakým je pouze termohydraulické seřízení podle projektu TH. Plným využitím tepelných zisků lze v zateplených objektech dosáhnout až 85% úspor tepla proti nezateplenému stavu. Nejsou-li zisky využívány k úsporám, lze objekt naopak přetápět na teplotu cca 26,5 °C a nákladným zateplením, nebo v případě objektu řešeného ve studii zbytečně vysokou spotřebou tepla, neušetřit nic.

Obory HSV a M+R pouze vytvářejí podmínky pro ekonomické vytápění budov, ale o reálných úsporách tepla, kvůli kterým se vynakládají miliónové investice, tyto obory nerozhodují. Nerozhodují o nich ani měřiče tepla a indikátory spotřeby, které naopak motivují odběratele k negativnímu (mnohdy až destrukčnímu) nesouběžnému vytápění. Obor HSV tedy zvýšenými tepelnými odpory nesouběžné vytápění neumožnil. GRAFY 7 a 8 navíc ukazují, že při nesouběžném vytápění může obor M+R manipulovat zdvihem kuželky regulačních prvků jakkoliv, ale požadované vnitřní teploty místností nedosáhne. O reálných úsporách tepelné energie v zateplených i nezateplených budovách, i o vnitřní tepelné pohodě, rozhoduje pouze metoda řešení otopné soustavy jako celku, v rámci oboru ÚT. Firmy, řešící zateplování budov, musejí klást hlavní důraz na to, jakou metodou byla úprava soustavy řešena a zda je soustava schopna, plně využívat tepelných zisků k úsporám tepla. Není-li takový důraz na metodu řešení otopné soustavy kladen, jsou pak naměřené úspory tepla nižší, než jaké odpovídají samotnému vlivu zateplení, zatímco správné naměřené úspory by měly být vždy o hodnotu působících tepelných zisků vyšší.

Nárok na tepelnou pohodu

Je-li v místnosti 103 vypnuto vytápění, nedosáhne soused v místnosti 203 svého nároku na základní tepelnou pohodu ani plným otevřením hlavice. Nesouběžným vytápěním je mu nejen upřeno právo na zvýšení jeho vnitřní teploty bytovou regulační technikou (mnohdy je klamán slibem dosažení až 26 °C), ale ve skutečnosti dosáhne vnitřní teploty pouze 18,86 °C a nesouběžným vytápěním tak nejsou splněna ani jeho základní práva, garantovaná legislativou. Při souběžném vytápění by v místnosti 203 dosáhl maximálně teploty 21,92 °C a nikoliv slibovaných 26 °C, takže by byl opět klamán různými komerčními slogany i mnoha odbornými články a přednáškami.

Ústřední vytápění tedy není vytápěním lokálním a funkční principy ústředního vytápění jsou úplně jiné, než představy propagátorů „libovolných vnitřních teplot, volených uživateli bytů při libovolných provozních režimech“. Totéž se vztahuje i k různým právním rámcům a předpisům pro SVJ, které nesprávné provozování otopných soustav umožňují.

Závěr

Podrobně řešená studie s významně kvalitnějšími příčkami než je běžné odstranila mylné informace a ukázala, že nesouběžné ústřední vytápění budov je z technického i ekonomického hlediska zjevně nejhorším odborným doporučením v historii oboru vytápění. Nesouběžné vytápění se významně podílí na zdražování tepla i na diskutovaných problémech lidí. Vedle nedostatečného klasického projektování oboru ÚT je příčinou většiny negativních jevů, se kterými se v současnosti můžeme při vytápění setkat, včetně devastace nákladně opraveného bytového fondu i vlastní otopné soustavy. Úzká spolupráce oborů ÚT, HSV, M+R a CZT je proto extrémně důležitá pro správnou funkci vytápění i pro návratnost astronomických nákladů, které ve snaze o úsporné vytápění vynakládáme. Pro plné zhodnocení investic do zateplování budov i do regulační techniky je nejdůležitější právě způsob, jakým je otopná soustava, nebo její úprava, projektována. Moderní metoda projektování úprav otopných soustav dnes plně garantuje účelnost investic do úsporných opatření, a to ve všech souvisejících oborech. Odstraněním všech zkratových průtoků v celé soustavě a přesným přiřazením řízených průtoků k řídicím teplotám místností regulační schopnost soustavy naopak zvyšuje. Navíc plně využívá tepelných zisků k úsporám tepla a poprvé v historii činí vytápění skutečně ekonomickým.