Kompletní regenerace panelových domů z pohledu snižování spotřeby energie a zlepšení kvality bydlení
Článek je prvním ze série článků o výsledcích výzkumného projektu zaměřeného na hledání efektivních úsporných opatření pro snižování energetické náročnosti panelových budov a na snižování environmentální zátěže jejich provozu.
V současné době je řešen výzkumný projekt zadaný Ministerstvem životního prostředí (VAV-SP-3G5-221-07), jehož hlavním cílem je najít cestu k efektivnímu uplatnění takových úsporných opatření pro snižování energetické náročnosti panelových budov, která nejsou v současné době aplikována z technologických nebo ekonomických důvodů, ale lze předpokládat, že v nedaleké budoucnosti budou běžně používána. Urychlí se tak vývoj probíhající přirozenou cestou tržního prostředí. V následujících měsících budou na portále TZB-info vycházet články věnované vždy dílčím výsledkům tohoto projektu.
Dalším cílem projektu je snížení environmentální zátěže, zejména snížení emisí CO2 spojených s provozem bytových domů, a dále zvýšení kvality vnitřního prostředí uvnitř budovy. Výzkum respektuje ekonomický pohled investora na straně jedné a environmentální a strategický pohled státu na straně druhé. Zásadním rozdílem oproti současnému stavu je koncepce integrovaného řešení, která umožní rekonstrukci objektu do nízkoenergetického standardu. Výzkum se zabývá následujícími čtyřmi kategoriemi úsporných opatření:
Obrázek 1: Případová studie vzájemného stínění objektů.
1. Tepelnětechnické vlastnosti konstrukcí
Jedním z hlavních faktorů ovlivňujících energetickou náročnost panelových domů a tedy i prvním tématem výzkumu jsou tepelnětechnické vlastnosti konstrukcí, respektive limitní tloušťky tepelných izolací. Návrhem optimální tloušťky tepelné izolace se bude zabývat článek "Zateplování panelových domů - technologické limity". V současné praxi dochází často k podceňování dimenzování zateplovacích systémů. Tepelné izolace i další prvky jsou navrhovány z pohledu ekonomické návratnosti vzhledem k minulým cenám energií, takže během krátké doby jsou investoři rozčarováni tím, že jejich způsob rekonstrukce je zastaralý. V rámci tohoto článku bude posouzena ekonomická efektivita zateplení objektu - jeho návratnost se zohledněním růstu cen energie, inflace, diskontu atd. Výsledky ekonomické návratnosti opatření se budou lišit dle umístění objektu, resp. ceny dodávaného tepla.
Obrázek 2: Ceny tepla v jednotlivých krajích. Zdroj: ERÚ (2009)
Zvláštní článek bude věnován možnosti realizace několika úsporných opatření na lodžiích panelových objektů ("Regenerace lodžií panelových domů"). U některých typů objektů tvoří lodžie značnou část plochy ochlazovaných konstrukcí, a proto mohou opatření aplikovaná na lodžiích výrazně ovlivnit energetickou bilanci objektu. Vliv těchto opatření se vztahuje následně také ke kvalitě vnitřního prostředí. Lodžie ovlivňují energetickou bilanci budovy jak na straně tepelných ztrát prostupem a infiltrací, tak na straně tepelných zisků.
Obrázek 3: Zasklení lodžií panelového domu - jedno z možných energeticky úsporných opatření.
2. Větrání
Problematika bytového větrání je v současné době velmi diskutovaným tématem. Současný trend ukazuje, že bez nuceného či hybridního větrání se v budoucnu neobejdeme. Při běžných rekonstrukcích panelových domů je pozornost věnována pouze snižování tepelných ztrát obálkou budovy, což v praxi znamená aplikaci dodatečných zateplovacích systémů a výměnu oken za nová, která jsou zcela těsná. Důsledkem je naprosté omezení výměny vzduchu v bytech, které má dopady nejen zdravotní, ale vede i k poruchám stavebních konstrukcí.
V panelových domech je možné použít různé systémy větrání, které mají své výhody a nevýhody. Přirozené větrání okny nebo šachtové větrání je značně závislé jak na vnějších klimatických podmínkách, tak na lidském faktoru. Často se tak stává, že je množství větracího vzduchu nedostatečné, nebo je naopak přebytek větrání, což způsobuje značnou tepelnou ztrátu během otopného období.
Oproti přirozenému větrání je nucené větrání kvalitnější díky kontrolovatelnému a přesně dimenzovanému přívodnímu množství čerstvého vzduchu, na druhou stranu se jedná o poměrně nákladnou investici. Množství větracího vzduchu může být též variabilní a může tak reflektovat skutečnou potřebu čerstvého vzduchu dle aktuální potřeby. Navíc lze u nuceného větrání využít rekuperace tepla z odváděného na přiváděný vzduch a lze tak oproti přirozenému větrání dosáhnout energetické úspory (viz článek "Rekuperace tepla v panelovém domě - ano či ne?"). V rámci projektu jsou zvažovány i další možnosti, jak využít teplo odpadního vzduchu, například využití odpadního tepla pro ohřev vody, a to jak centrálně, tak lokálně (viz článek "Lze využít energii odpadního tepla z větracího systému panelového domu?").
Dále je možné v panelových domech instalovat hybridní systém větrání, který využívá principy jak přirozeného, tak nuceného větrání. Při rekonstrukcích panelových domů je dnes hojně aplikován systém se samotažnou odvětrávací hlavicí. Z těchto důvodů byl tento systém vybrán pro podrobnější analýzu účinnosti, zároveň bylo provedeno experimentální měření. Závěry budou uvedeny v článku "Jsou samotažné větrací turbíny účinné?". Při optimální regulaci hybridního systému větrání je dosaženo úspory provozních energií bez podstatného rozdílu z hlediska kvality vnitřního mikroklimatu oproti nuceným větracím systémům. Jak hybridní, tak řízené mechanické větrání lze regulovat různými způsoby na základě různých sledovaných veličin. V rámci výzkumu se soustřeďuje pozornost na nenákladné systémy regulace přívodního vzduchu na základě koncentrace CO2, relativní vlhkosti, pohybového čidla či časového režimu. Možné systémy větrání budou dále porovnány v článku "Větrání panelových domů - opatření a jejich limity".
3. Výroba tepla pro vytápění, ohřev teplé vody
V souvislosti s úsporami energie v panelových domech se hovoří téměř výlučně o zateplování stavebních konstrukcí. Velmi málo investorů si uvědomuje, jak velký podíl má spotřeba teplé vody. V objektech před rekonstrukcí je spotřeba tepla na ohřev vody obvykle 30 - 60% v porovnání se spotřebou tepla na vytápění, po zateplení může být tato spotřeba stejně vysoká. Velká část spotřebované energie připadá na ztráty ve vnitřních a vnějších rozvodech. Pro řešení problému jsou hledána dvě východiska: ohřev vody v objektu a ohřev vody v bytě. První řešení lze výhodně spojit s instalací solárního systému nebo jiného zdroje tepla. Individuální příprava teplé vody naráží na problémy s prostorem a s kapacitou elektrických přípojek. Této problematice se bude věnovat článek "Decentralizace přípravy teplé vody - kolik energie ztrácíme v rozvodech centrální přípravy pro panelové sídliště".
Graf 1: Průměrné rozdělení roční spotřeby energie domácnosti v bytě. Zdroj: ČSÚ a Teplárenské sdružení ČR (2009).
Další možností, jak snížit spotřebu energie je decentralizovat zásobování teplem (viz články "Alternativa k centralizovanému zásobování teplem pro panelová sídliště - tradiční technologie, alternativní technologie"). Zastaralý centrální systém zásobování má malou účinnost výroby tepla a velké ztráty v rozvodech a tím se stává neekologickým zdrojem. Jeho výhodou je fakt, že v místě odběru tepla nedochází k znečištění ovzduší. Jednou z možných variant decentralizace je vytápění panelového domu pomocí tepelných čerpadel v kombinaci s kotli na zemní plyn, výroba elektrické energie na pohon tepelných čerpadel pomocí kogenerační jednotky, nebo umístění klasické plynové kotelny v objektu.
4. Obnovitelné zdroje energie
Další směr prací je věnován využitelnosti obnovitelných zdrojů energie v panelových domech. Kromě tepelných čerpadel se výzkum zabývá možností využití solární energie, a to pro výrobu tepla (článek "Možnosti využití termických solárních systémů pro panelový dům") a pro výrobu elektřiny. Fotovoltaické systémy integrované do budov mají oproti instalacím "na zelené louce" některé výhody, zejména z hlediska záboru půdy, není nutno budovat přípojku k síti, vyrobená elektřina se spotřebuje v bezprostřední blízkosti, panely jsou méně přístupné zlodějům a vandalům. Nevýhodami integrace do budovy je pak někdy nevhodná orientace domu a často nutnost zásahů do střešní či jiné konstrukce. Výzkum se zabývá různými aplikacemi fotovoltaických systémů, kterými jsou fotovoltaické hydroizolační pásy nahrazující krytinu plochých střech, fotovoltaická fasáda, fotovoltaické markýzy nebo umístění panelů na zábradlí balkónů a lodžií. O tomto tématu bude dále pojednávat článek "Lze fotovoltaické panely využít pro panelový dům?".
 |
 |
Obrázek 4: Umístění termických solárních systémů na střeše panelového domu a integrace fotovoltaických
systémů do zábradlí na lodžiích.
Návrh integrovaného řešení
Pro komplexní analýzu celé škály panelových objektů z hlediska základních kritérií výzkumu byl vytvořen parametrický výpočetní model. Každá skupina úsporných opatření byla vztažena k jednotlivým typům panelových budov, které jsou popsány tepelnětechnickými vlastnostmi a geometrickými charakteristikami (podrobněji v článku "Statistický přehled panelových domů ve vybraných regionech ČR"). Pro každou typickou skupinu budov je v tomto modelu možno sledovat předpokládaný efekt jednotlivých opatření nebo opatření v kombinaci. Takovéto komplexní vyhodnocení z pohledu energetiky, ekonomiky a pohledu celkové environmentální zátěže bude obsahem závěrečných tří článků této série s názvem "Komplexní hodnocení opatření energetických úspor pro panelové domů I,II,III".
Obrázek 5: Typy bytových výpočtových zón v panelovém domě z pohledu vnějších okrajových podmínek.
Modelování simulačními softwary
Pro zpřesnění a kontrolu výpočtů parametrického modelu jsou pro určité specifické analýzy použity dynamické výpočetní metody. Pro potřebu vyhodnocení vlivu rekonstrukce panelových domů do nízkoenergetického standardu jsou využity softwary, které hodnotí nejen energetické toky, ale ve zpětné vazbě hodnotí i vnitřní prostředí (například nárůst vnitřní koncentrace CO2). Z celé řady softwarů byl na základě hlubší analýzy výhod a nevýhod vybrán skotský software IES <Virtual Environment>, který umožňuje provést dynamické simulace, které analyzují detailní chování bytu či celého objektu. O rozdílech klasických a dynamických metod výpočtu bude pojednáno v článku "Porovnání klasických výpočetních postupů a dynamického modelování panelového domu". Pro simulaci chování vnitřního prostředí z hlediska proudění vzduchu a přenosu tepla je dále použito CFD (computational fluid dynamics) analýzy v softwaru Flovent.
Jeden z modelů, který je v rámci výzkumu analyzován v těchto výpočetních softwarech, je podrobný model bytu 3+1 panelové soustavy VVÚ-ETA. Analyzuje se zde systém hybridního podtlakového větrání z hlediska energetiky a kvality vnitřní prostředí a dále vliv zasklení lodžie na energetické úspory. Výsledky budou uvedeny v článku "Dynamické modelování proudění vzduchu v bytě panelového domu".
Obrázek 6: Model větrání bytu 3+1 v panelovém objektu pomocí hybridního podtlakového větrání.
Experimentální měření
Za účelem vyhodnocení matematických modelů bylo provedeno několik měření v panelových domech. V experimentálním bytu 3+1 byla instalována teplotní a vlhkostní čidla a dataloggery koncentrace oxidu uhličitého do obývacího a dětského pokoje. Současně byla sledována venkovní koncentrace CO2 (ppm). Dále zde bylo provedeno měření vnitřních teplot a relativní vlhkosti vzduchu v zasklené lodžii v zimním období.
Další měření se zabývá prouděním vzduchu stoupacím potrubím v šachtě. Jeho cílem je především zjistit skutečné chování ventilačních šachet v panelových domech. Měření bylo provedeno jak v laboratorních tak provozních podmínkách pro systémy se samotažnou odvětrávací hlavicí a centrálním odtahovým ventilátorem. Na experimentální měřící trati ve formě krátkého přívodního tubusu s výměnnými ventilačními zařízeními simulujícími jednotlivá opatření bylo provedeno laboratorní měření, měření provozní bylo provedeno na odvětrávací šachtě v panelovém objektu v bytech dole na patě šachty, veprostřed a v podstřešním prostoru.
Závěr
Panelové domy v České republice představují třetinu všech trvale obydlených bytových domů. Celkový počet bytových domů postavených panelovou technologií je bezmála 200 tisíc. Počet bytů v těchto domech je 1,2 milionu, což představuje zhruba 55 % všech bytů v bytových domech a 30% celkového bytového fondu. Podle odborných odhadů prošlo do konce roku 2007 rekonstrukcí pouze asi 25% panelových domů, počet bytů před rekonstrukcí je odhadován na 700 tisíc. Je zde tedy velký potenciál pro využití navrženého integrovaného způsobu rekonstrukce zkoumaného výzkumným projektem.
Očekávaným výsledkem zveřejnění výstupů projektu je mimo jiné postupná změna strategie dodavatelských firem. Zatímco v současné době se dodavatelé jednotlivých technologií snaží nabízet své výrobky izolovaně, aby co nejvíce využili dostupné zdroje zákazníka, v případě integrovaného způsobu rekonstrukcí panelových budov budou motivováni k tomu, aby hledali konkurenční výhodu naopak ve spolupráci s jinými subjekty. Podpoří se tak vznik nového segment trhu, který bude možné rozšiřovat i mimo geografické území ČR.
Zdroje:
[1] ERÚ (26.3.2009): Přehled předběžných cen tepelné energie v ČR k 1.1.2009
[2] Kombinace pramenů ČSÚ a Teplárenské sdružení ČR (2009)
This article is the first one of the article series focused on the research findings. This research is dealing with simultaneously energy efficient and economical measures applied on the block of flats. There are five main investigated areas of the research, i.e. thermal insulation, ventilation, heating, hot domestic water heating, renewable energy sources. The purpose of the research is to find integrated solution applicable to the block of flats.